点云建模与风力作用下的树木扰动分析

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1、分类号ＴＰ３９１学位代码３０７密级ＧＫ学校代码１０２９８学号３１４０１１９ＮＡＮＪＩＮＧＦＯＲＥＳＴＲＹＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文论文题目：点云建模与风力作用下的树木扰动分析作者：武逍专业：计算机应用技术研究方向：图像处理指导老师：张浩平二〇一七年六月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研

2、究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）：么研年ｒ月曰７叫学位论文出版授权书本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论“”文全文数据库出版章程》（以下简称章程，见ＷＷＷ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ，）愿意将本人的学位论文提交“”中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表、和以电子网络形式

3、公开出版，并同意编入ＣＮＫＩ《中国知识资源总库“》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按章”程规定享受相关权益。论文密级：：□公开□保密Ｊ＼－月至年月）（保密的＃佐伦夂在解Ｉｊ＿＿＿＿密后；守此你仅）＾ｆ作者签名：导师签名：２＾１＞年匕月曰１——斗曰—之＾＿４—＜月羊致谢三年的研究生生活即将结束，很荣幸能够拥有这样的机会再次回到学校享受做学生的乐趣。三年的时间，因为老师们的悉心指导和同学们的热心帮助使我非常顺利的完成了各学科的课程学习和实践任务。在此

4、即将毕业之际，由衷的向曾经给予我关心、支持和帮助的老师同学及家人表示万分感谢。首先感谢我的导师张浩平教授，在我研究生三年的时间给予我莫大的帮助和悉心的指导使我顺利完成学业及论文任务，让我受益匪浅。张老师拥有严谨的学术态度、丰富的专业知识、认真的教学风范使我十分钦佩和尊敬。他治学严谨一丝不苟，无形之中影响我们，也因此给予了我们在科研上的动力。再次诚挚的感谢张浩平老师。其次，我们感谢我曾经的室友张天安、金秋、李秀芝，我的师妹卜凡，还有已经毕业的师兄嵇俊、师姐严薇。感谢他们三年里在学习和生活上给予我的帮助，因为你们的陪伴

5、使我的研究生三年多了很多乐趣，这将是我一生珍贵的回忆。再次感谢我的家人一直以来给予我无私的爱和包容，感谢老公李东在精神和物质上的关怀和支持，使我无后顾之忧专注于学习，感谢儿子李佑宁的到来，让我生活充满乐趣，因为你的存在我有了更大的前进动力。最后感谢所有曾经给过我帮助的人和单位，感谢论文的审阅专家和学者。作者：武逍二○一七年四月ii摘要实现风力作用下的树木扰动分析主要涉及树木3D立体模型的构造和树木在风力作用下的运动状态两部分。关于树木3D模型构造的研究已经有数十年的发展历史，经过各研究领域工作人员的共同探索，已经取

6、得了优越的成绩。但是基于树木自身结构的特殊性，现有方法模拟出的树木3D模型真实感稍差。而实现树木在风力作用下动态模拟最大挑战在于树木自身结构的复杂性，树木种类繁多，形态多样，风吹树木时树枝和树叶都会随风而动，对树木运动模拟包括树枝运动和树叶运动，因此树木受力运动的形态变化一直以来都是各研究领域的研究的热点和难点。基于以上背景，本文结合材料力学及空气动力学知识实现树木在风力作用下的运动可视化模拟，并经过大量实验实现树木在风力作用下的扰动分析，主要研究工作如下：（1）树木的3D模型构造：本文主要采用骨架提取方法，由激光

7、点云扫描仪扫描得到原始数据，将数据分段管理，提取树木骨架建立3D树木模型，得到树枝节点位置信息。骨架提取方法主要是利用Dijkstra距离算法，计算数据间最短距离，以此作为数据聚类的依据，将一类数据提为一段骨架，采用线性规划的模型方法求出距离和角度的比重，利用加权匹配度将每类数据的节点相连，即连接骨架，设置合适的半径值，赋予每段骨架，最终得到完整树木树枝。（2）风场模拟：自然界的风变化莫测，没有规律可循，为了使风场接近自然风的特性，通过采用Perlin噪声函数构造风的可变性，在现有风场的基础上增加了风的随机变化特性

8、，实现了自然风的逼真模拟。（3）树木受力分析：树的结构复杂存在很多分支和树叶，因此直接对整棵树做受力分析不现实，本文通过对在点云数据中提取的单根树枝和树叶做受力分析，计算各分支和树叶受力形变后的坐标点移动位置及断裂下落后的状态，最后进行整体合成得到整棵树的运动形态。（4）在树木3D模型、风场模型、受力运动等理论分析的基础上，使用VC++开发环境下，结合Ope