一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，包括选取真实树木，扫描真实树木获取树木点云数据，并根据树木的枝干点云数据信息重构树木的枝、干实体；获得以树木枝干—街道为体系的数值模拟网格；在网格上，耦合求解气流在街道内流动的质量、动量、湍流方程及污染物对流扩散方程，特别是根据树木树叶点云数据的分布求解树冠阻力源数学模型；最终得到真实树木影响下的污染物运移行为及污染物的空间分布。本发明专利技术由真实树木三维点云数据入手，解决树木枝干的提取与建模、树冠阻力源的准确映射等难点；建立真实树木—风—污染物扩散一体化数值模型，更加真实地预测树木影响下街道内的污染物的运移及分布。影响下街道内的污染物的运移及分布。影响下街道内的污染物的运移及分布。

【技术实现步骤摘要】
一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法


[0001]本专利技术涉及树木对街道污染物运移影响
，具体为一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法。

技术介绍

[0002]街道两旁室内室外的气流特性及污染物分布影响着街道内工作、生活和居住人群的身体健康。树木作为街道中的重要绿色植物，对于调节街道内温度、净化空气起到重要的作用。
[0003]目前，树木影响下街道空气和污染物运移相关力学行为的研究集中于风洞试验、数值模拟及实地测量，其中数值模拟技术具有耗费资源少、获取信息量多等优点，越来越多的被用于预测树木影响下街道内污染物运移扩散行为。理论上来说，树木影响下街谷内污染物扩散是一个较为复杂的动力学行为，仅就单个树木而言，包括了树冠中树叶对气流的阻尼效应以及树木枝干对气流的剪切和阻碍效应，这些又导致污染物在城市街谷中的运移扩散存在着特殊性。此外，从树木的特征上来说，受树木遗传特性影响，树叶分布的非均匀性、非连续性以及树冠形状等因素也将导致城市街谷内气流流动和污染物扩散的差异化。这也就是说，数值模拟过程中，准确描述树木对气流的阻尼、阻碍效应是预测城市街道内污染物运移扩散的基础和关键。
[0004]现有专利CN201610589358.1，公开了一种街道峡谷机动车尾气污染物浓度估算系统，该系统可以由城市道路车流量、峡谷几何结构等数据，通过CFD数值模拟方法得到街道峡谷污染物扩散、分布情况，可操作性强；另外，本专利技术使得对城市各区域空气污染程度的监测变得更加机动灵活，方便绘制本地区空气污染浓度分布图，利于确定本区域内的重污染区、分析本区域内空气污染的原因，为制定本区域尾气污染治理措施提供科学合理的依据。但该技术主要研究的是道路车流量对街道峡谷污染物扩散的影响，并没有深入研究街道上的树木对街道峡谷污染物扩散的影响。
[0005]目前，树木影响下城市街谷风环境及污染物浓度的数值模拟研究，从树木表征方面来说主要存在如下难点：
[0006]真实树木外形有着明显特点且主要取决于树木的遗传特性，且树叶分布呈现着非均匀性和非连续性，现有数值模拟研究中树冠形态多假设为规则的圆或长方体；
[0007]且树冠中树叶存在着非连续性和非均匀性分布，而对整个树冠区域(多为长方体)加载均匀的植被层阻力源项无法反应这一特征；
[0008]最后，树木实体的枝干阻碍污染物的传播扩散，现有技术忽略了树木实体枝干对污染物的阻碍效应。
[0009]综上，现有技术在针对树木影响下的街道污染物运移模拟时，要么不考虑树木枝干实体对气流存在着阻滞和剪切效应,要么不考虑真实树木外形，缺乏模拟过程中对真实树木完整的进行准确刻画和表征。因此，需要一种研究城市街道内真实树木对污染物运移及污染物分布影响的模拟方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，由真实树木三维点云数据入手，解决树木枝干的提取与建模、树冠阻力源的准确映射等难点，进而得到真实树木对城市街谷污染物运移的影响，从健康角度为污染天气下的行人被动控制提供借鉴和指导。
[0011]本专利技术提供了一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，包括以下步骤：
[0012]扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据；
[0013]对所述树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶点云数据，根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据；
[0014]建立城市街道三维网格；
[0015]将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格，得到树木枝干—街道体系网格；
[0016]建立城市街道内的气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程；
[0017]根据枝叶点云数据，在所述树木枝干—街道体系网格内建立标记关系，并在标记的网格点上建立树叶对气流流动的阻力源辅助方程；
[0018]建立在真实树木影响下的污染物运移的对流扩散方程；
[0019]在所述树木枝干—街道体系网格中耦合求解所述气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程、所述树叶对气流流动的阻力源辅助方程、所述污染物运移的对流扩散方程，得到在真实树木影响下的污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
[0020]优选的，所述扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据包括利用三维激光扫描仪分别以竖直模式和水平模式多站扫描真实树木得到树木三维点云数据。
[0021]优选的，在对所述树木三维点云数据进行分离之前，对树木三维点云数据进行处理，包括：
[0022]选取所述树木三维点云数据中的同名点云数据进行多站数据的匹配、拼接，并利用滤波器去除噪声点得到处理后的树木三维点云数据。
[0023]优选的，对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据包括：
[0024]依据处理后的所述树木三维点云数据中的局部点云的轴方向点云分布密度和主方向相似度对真实树木的结构进行区分，实现对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据；
[0025]所述根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据包括：
[0026]依据迪杰斯特拉算法计算得到所述枝干点云数据中所有点到根节点的最短路径，根据路径信息对所述枝干点云数据中的树木的枝、干点云数据进行水平集划分；
[0027]将每一水平集的点云拟合投影到相应的最优切平面，对该最优切平面上的所有投影点进行圆拟合，得到的拟合圆心为骨架点；
[0028]建立所述骨架点拓扑结构并生成骨架线；
[0029]以骨架线为轴心绘制广义圆柱体完成单个树木枝条的重建工作，生成树木的枝、干实体数据的STL文件。
[0030]优选的，所述建立城市街道三维网格包括：
[0031]建立街道物理模型，利用Gambit网格划分工具在该街道物理模型上进行网格划分；
[0032]通过设置网格划分的参数实现在该街道物理模型内生成六面体结构化的城市街道三维网格，所述参数包括网格数量、网格类型。
[0033]优选的，所述将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格，得到树木枝干—街道体系网格，包括：
[0034]将所述树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格中，得到树木枝干—街道物理模型；
[0035]采用OpenFOAM开源流体力学代码中的snappyHexMesh功能读取所述树木枝干—街道物理模型，对该树木枝干—街道物理模型通过设置网格划分的参数进行网格分裂，删除位于树木枝干内的网格，再根据树木枝干表面几何信息对齐网格点；
[0036]经多次循环迭代，控制该树木枝干—街道物理模型中的网格质量，增加边界层，得到树木枝干—街道体系网格。
[0037]优选的，所述根据枝叶点云数据，在树木枝干—街道体系网格内建立标记关系，包括：
[0038]读取所述枝叶点云数据并遍历该枝叶点云数据中的所有点，得到每个点云数据的三维位置信息；
[0039]遍历所述树木枝干—本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据；对所述树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶点云数据，根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据；建立城市街道三维网格；将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格，得到树木枝干—街道体系网格；建立城市街道内的气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程；根据枝叶点云数据，在所述树木枝干—街道体系网格内建立标记关系，并在标记的网格点上建立树叶对气流流动的阻力源辅助方程；建立在真实树木影响下的污染物运移的对流扩散方程；在所述树木枝干—街道体系网格中耦合求解所述气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程、所述树叶对气流流动的阻力源辅助方程、所述污染物运移的对流扩散方程，得到在真实树木影响下的污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。2.根据权利要求1所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于：所述扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据包括利用三维激光扫描仪分别以竖直模式和水平模式多站扫描真实树木得到树木三维点云数据。3.根据权利要求2所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于：在对所述树木三维点云数据进行分离之前，对树木三维点云数据进行处理，包括：选取所述树木三维点云数据中的同名点云数据进行多站数据的匹配、拼接，并利用滤波器去除噪声点得到处理后的树木三维点云数据。4.根据权利要求3所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于：对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据包括：依据处理后的所述树木三维点云数据中的局部点云的轴方向点云分布密度和主方向相似度对真实树木的结构进行区分，实现对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据；所述根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据包括：依据迪杰斯特拉算法计算得到所述枝干点云数据中所有点到根节点的最短路径，根据路径信息对所述枝干点云数据中的树木的枝、干点云数据进行水平集划分；将每一水平集的点云拟合投影到相应的最优切平面，对该最优切平面上的所有投影点进行圆拟合，得到的拟合圆心为骨架点；建立所述骨架点拓扑结构并生成骨架线；以骨架线为轴心绘制广义圆柱体完成单个树木枝条的重建工作，生成树木的枝、干实体数据的STL文件。5.根据权利要求4所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于：所述建立城市街道三维网格包括：建立街道物理模型，利用Gambit网格划分工具在该街道物理模型上进行网格划分；通过设置网格划分的参数实现在该街道物理模型内生成六面体结构化的城市街道三维网格，所述参数包括网格数量、网格类型。6.根据权利要求5所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在
于：所述将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格，得到树木枝干—街道体系网格，包括：将所述树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格中，得到树木枝干—街道物理模型；采用OpenFOAM开源流体力学代码中的snappyHexMesh功能读取所述树木枝干—街道物理模型，对该树木枝干—街道物理模型通过设置网格划分的参数进行网格分裂，删除位于树木枝干内的网格，再根据树木枝干表面几何信息对齐网格点；经多次循环迭代，控制该树木枝干—街道物理模型中的网格质量，增加边界层，得到树木枝干—街道体系网格。7.根据权利要求6所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法，其特征在于：所述根据枝叶点云数据，在树木枝干—街道体系网格内建立标记关系，包括：读...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乐，曹洲榕，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：