[发明专利]面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法

说明书

本发明公开了一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，首先从扫描获取的叶子点云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面的主叶脉；其次采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。本发明利用计算机自动分析获取林学指标，能准确描述不同林分条件下的活立木动态生长变化的叶面积指数，从实验结果看，此方法是切实可行并且高效的，并为林学参数的精确求取打下基础。

技术领域

本发明涉及一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，尤其涉及一种基于LTS(Transport Layer Security，激光扫描)点云数据的阔叶树叶面建模和形变方法。

背景技术

阔叶树一般指双子叶植物类的树木，具有扁平、较宽阔叶片，叶脉成网状，叶常绿或落叶，一般叶面宽阔，叶形随树种不同而有多种形状的多年生木本植物。有的常绿、落叶类大多在秋冬季节叶从枝上脱落。阔叶树的经济价值很大，不少为重要用材树种，而且其中有些为名贵木材、景观植物、各种水果等，还有一些阔叶树用作行道树或庭园绿化树种。本发明研究是阔叶树的景观植物含笑和樱花树作为叶面重建和形变的研究对象。

数据获取借助地面激光扫描仪，地面激光扫描仪不会对被测物造成任何损伤，且能以点云的形式精确还原出目标体的三维数据，而且三维激光扫描仪在计测学中具有无可比拟的优势，因此国外许多林业科研工作者就地面三维激光扫描技术在林业中的应用进行了深入研究和探讨。但目前为止尚未发现利用离散点云叶片数据进行建模，这主要是因为树木外形特征无规律且形态复杂，并且外界环境对树木的状态产生着持续的影响，获取没有外界环境影响的点云数据技术很难；因此考虑使用计算机自动对阔叶树叶片进行建模和变形外，需要解决树木受到外部环境如风吹抖动及遮挡的影响；树木枝繁叶茂，叶子的形态及方位角度不固定；如何去除偏差并得到真实的形变的叶面数据是需要考虑的问题；上述外在因素都是使用计算机研究林木的阻力，因此如何从离散的激光点云中自动获取精确林学指标是亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，旨在借助激光扫描仪技术，搭建一个精确可行的三维活立木数据采集分析平台，融合图形图像学的最新方法，通过计算机自动分析获取精确林学指标，从而准确描述不同林分条件下的活立木动态生长变化的叶面积指数。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向激光点云数据的阔叶树真实叶片建模与形变方法，首先运用高精度的激光扫描仪获取不同阔叶树种的三维叶面点云；其次从扫描获取的叶子点云中采用多项式拟合的方法获取精确的树叶边界，并结合计算机图形学的方法计算叶面的主叶脉；接着采用双三次广义张量积Bezier曲面对叶面点云数据进行拟合，进而去除由于风吹抖动造成的扫描误差并消除噪声点云；再次，根据固体力学受力模型，定义叶脉与叶肉不同的力学属性，并构造非线性有限元的受力形变方程，计算施加不同载荷力后的叶子形态，进而模拟树叶在自然环境中真实的形变。

上述方法的具体实施包括如下步骤：

(1)数据获取