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农业机械学报 2018年第2期49卷 207-216页

作者：师翊何鹏胡少军张志毅耿楠何东健西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学信息工程学院陕西杨凌712100

激光点云数据包含信息丰富、精度高,在森林演变、植物模型重构方面应用广泛。为提高树三维重构时的精度与真实感,提出一种基于实测点云数据的三维重构方法。首先,使用Kinect 2.0采集树的双面点云数据,在树根附近放置塑料标准球作为标记... 详细信息

激光点云数据包含信息丰富、精度高,在森林演变、植物模型重构方面应用广泛。为提高树三维重构时的精度与真实感,提出一种基于实测点云数据的三维重构方法。首先,使用Kinect 2.0采集树的双面点云数据,在树根附近放置塑料标准球作为标记,使用人工标记法粗配与ICP算法精配相结合的方式对获取的双面点云数据进行配准,得到树完整的点云数据;其次,引入生长角度约束改进空间殖民算法生成树的三维骨架,根据管道模型估算树枝粗度,使用广义圆柱体生成树干;最后,对叶片单独建模,根据叶序规则添加树叶完成树的三维重构。以玉兰树、枫树以及Limit Tree为例进行重构试验,试验结果表明,该方法能够逼真地模拟树的三维形态结构,较好地展现树的拓扑结构关系,重构误差在6.5%以内,可为虚拟树木三维建模、虚拟修剪以及树的拓扑结构分析等研究提供参考。

关键词：树点云三维重构 Kinect 2.0 空间殖民算法生长角度约束

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基于激光点云的橡胶树参数反演与数字孪生构建

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西北林学院学报 2024年第2期39卷 1-12页

作者：胡云帆张怀清安锋云挺南京林业大学信息科学技术学院江苏南京210037 中国林科院资源信息所北京100091 中国热带农业科学院橡胶研究所海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站海南海口571737 南京林业大学林学院江苏南京210037

基于激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)数据重建树体三维模型并精准获取林木空间枝干结构参数对林木性状评价、森林动态经营管理与可视化研究具有重要意义。为此提出一种基于骨架细化提取的树木模型重建方法。首先,采用Focus... 详细信息

基于激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)数据重建树体三维模型并精准获取林木空间枝干结构参数对林木性状评价、森林动态经营管理与可视化研究具有重要意义。为此提出一种基于骨架细化提取的树木模型重建方法。首先,采用FocusS350/350 PLUS三维激光扫描仪获取3块不同树龄橡胶树的样地数据。然后,作为细化建模的重点,将枝干点云从原始树点中分离出来,再将其过度分割为若干点云簇,通过相邻点云簇判断是否有分枝以及动态确定骨架点间距,并将其运用在空间殖民算法以此来生成树的三维骨架点和骨架点连通性链表,根据连通链表结构自动识别树木中的主枝干和各个一级分枝,再通过广义圆柱体生成树干完成树木三维重建。最后,利用数字孪生技术对这3块不同树龄样地树木进行三维实景建模,使其穿越时空在同一空间中重现,以便更为直观地观察树木在生长过程中的形态变化。该算法得到的橡胶树胸径与实测值比对为,决定系数(R^(2))>0.91,均方根误差(root mean square Error,RMSE)0.91,RMSE0.90,RMSE算法同样适用于异龄林样地的各个生长参数计算。同时发现橡胶树的一级枝条的直径越大,其相对应的叶团簇体积就越大。运用人工智能的理论模型来处理林木的激光点云数据,旨在为森林的可视化以及树木骨架结构的智能化分析与处理等研究领域提供有价值的参考。

关键词：地基激光点云点云簇过分割空间殖民算法树木骨架重建林木参数提取数字孪生

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树状分支传热结构层次生长优化设计技术

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中国机械工程 2019年第22期30卷 2668-2674页

作者：熊敏丁晓红季懿栋孟凡振上海理工大学机械工程学院

为了有效设计小空间高热流密度电子元器件的传热结构,需要合理分布其散热通道。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂、加工制造困难等局限,基于自然界叶脉分支系统的分层生长特征,提出一种层次生长树状分支散热通道的优化设... 详细信息

为了有效设计小空间高热流密度电子元器件的传热结构,需要合理分布其散热通道。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂、加工制造困难等局限,基于自然界叶脉分支系统的分层生长特征,提出一种层次生长树状分支散热通道的优化设计方法。主通道和次通道分别采用不同的生长控制策略,依次生长形成传热结构,由基于温度信息的空间殖民算法控制主通道的生长,由最小热阻原理控制次通道的生长。对典型的二维和三维散热通道设计问题展开研究,并与SIMP方法设计结果进行对比。研究结果表明,所得到的散热通道形态简单、清晰,无细小分支和灰度单元,具有较好的散热性能和可制造性。

关键词：散热通道分布叶脉脉序层次生长最小热阻空间殖民算法

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树木三维动态数据获取与动画生成技术研究

树木三维动态数据获取与动画生成技术研究

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作者：何鹏西北农林科技大学

学位级别：硕士

真实感树动画对于增加游戏感染力与沉浸感有重要意义。近几年,为提高树动画模拟的真实感,基于数据驱动的树动画模拟方法成为研究热点,而当前基于数据驱动的方法存在数据获取设备昂贵、过程复杂,树模型与真实模型差距较大、模拟树木运动... 详细信息

真实感树动画对于增加游戏感染力与沉浸感有重要意义。近几年,为提高树动画模拟的真实感,基于数据驱动的树动画模拟方法成为研究热点,而当前基于数据驱动的方法存在数据获取设备昂贵、过程复杂,树模型与真实模型差距较大、模拟树木运动形式有限等问题。针对上述问题,本文采用廉价的Kinect体感设备,研究基于运动视频和深度数据的树木动态参数提取方法和基于点云的树三维模型构建方法,然后将树动态参数与真实感树模型输入到树动力学模型,基于模态分析构建动画模拟系统实现数据驱动的真实感树运动模拟。论文主要研究内容和结论如下:(1)利用Kinect V2搭建数据实时采集的试验平台。通过PC工作站控制架设于三角支架上的Kinect设备,同步采集具有标记点的树枝干运动视频流和深度信息流,并采取先写内存、后写磁盘的存储策略保存采集的运动数据,以满足高帧率连续运动数据的需求。试验表明,在阳光条件较弱的室外,试验平台获取的运动视频流和对应的深度信息流的帧率可达30fps(frames per second),采集的运动数据满足后续研究的需求。(2)针对树木真实动态参数获取设备昂贵、过程复杂的问题,提出基于局部相对偏转角度量准则的树枝干振动频率与阻尼比获取方法。该方法通过跟踪树枝干颜色特征标记,提取各树枝标记点运动的二维轨迹;依据跟踪结果构建二维树骨架运动模型,并计算子树枝相对于父树枝的局部偏转角,通过快速傅里叶变换将时域振动信号变换到频域,频域信号的一阶振动波峰对应的频率即为拟获取的树枝振动频率;利用阻尼比与一阶振动频率振幅衰减的关系,采用半波法计算出阻尼比。结果表明,供试树木的振动频率分别为2.4Hz和2.0Hz,树的振动频率为树的固有特征,不随外力的改变而改变;而树在运动过程中受到的阻尼与外力大小、树的分支结构有明显的关系。(3)为解决数据驱动树动画的真实树模型构建问题,基于空间殖民算法提取树骨架,并提出树层次结构模型构建及曲率精简骨架的方法。空间殖民算法通过调整影响半径、删除阈值、骨架点距离和生长角度4个参数迭代生成树骨架;在设计树骨架、树枝干数据结构的基础上,依据树骨架点的关系构建树枝模型与树层次结构模型;为保留树枝弯曲特性,利用相邻骨架点曲率对骨架进行分类与精简;基于管道模型估算树枝干粗度,通过广义圆柱体渲染最终的树几何模型。重建结果表明,基于树点云重构的树三维模型与原点云吻合度较高,树形态结构自然,且树冠细枝结构突出,符合真实树特征。(4)为实现真实感树木运动模拟,基于提取的树运动动态参数、真实点云重建的树模型,用简易模态法实现了基于数据驱动的树动画模拟。通过fBm噪声模型构建树运动风速场,并基于空气动力学模型计算风力;采用简化的弯曲梁模型表示弯曲树枝干结构,振动频率和阻尼比作为时域运动方程的参数引入各占优振动模态的运动方程,通过求解简易模态分析方法的时域方程和空域方程实现树枝形变弯曲角度计算;整合弯曲树枝各节段的运动得到弯曲树枝整体运动,整合各弯曲树枝运动得到树整体运动。模拟试验结果表明,本文实现的树动画模拟系统交互式操作风向、风速的同时,可渲染帧率约为250fps的流畅树运动动画,效率较高;树的运动形态随风力与风向的改变而变化,中间层次长树枝弹性形变明显,树冠细枝随父树枝运动而运动,模拟的树运动符合冬季无叶玉兰树的特征;此外,对均匀点云及地面激光点云树模型的运动模拟表明本文模拟系统具有普适性。

关键词：树动态参数空间殖民算法三维模型数据驱动真实感动画

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