结合多源激光雷达和空气动力学的防护林防风效应模拟与评价

Based on the study of the interaction mechanism between shelterbelt structure and windbreak effect, we set up a three-dimension simulation and evaluation system of windbreak effect based on LIDAR point cloud and aerodynamics. First of all, UAV and knapsack lidar and physical measurement are used as the means of estimating shelter forest stand and stand parameters. Secondly, based on the precise single tree and stand three-dimension structure model and aerodynamics theory, we use turbulence model to construct the spatial wind field model under forest belt cyclone, and study the fluid solid coupling model inside and outside the forest belt under wind repression. Again, the application of 3D simulation tool for micro climate, the 3D simulation system of embedded turbulence model, the design of different protective forest configuration, and the wind field simulation results are qualitative and quantitative evaluation, finally, select the typical sample, sampling points of reasonable design, the turbulence model simulation results were verified according to the experimental and real. The results of the modified model. Based on the protection of Ningxia forest in Yanchi Country as the research object, provide theoretical basis and technical support for the planning and design of the research results can be for shelter forest, also for the prevention of desertification, vegetation protection forest sand barrier surface wind under the repression of ecological safety evaluation, forest gas flow caused by soil water evaporation and plant transpiration evaluation to provide theoretical support and practical guidance.

本课题从研究防护林结构对防风效应的影响机理问题出发，拟建立基于激光雷达点云与空气动力学的防护林结构的防风效应三维模拟与评价体系。采用无人机及背包式激光雷达与物理测量作为防护林单木及林分参数的估测手段，并融合视觉计算与图形学方法研建模型提取单木及林分生理与结构参数。以精准单木及林分三维结构模型与空气动力学理论为基础，采用湍流模型构造林带气旋空间风场模型，研究风力影响下的林带内外流固耦合模型。应用三维微气候模拟工具，将湍流模型嵌入三维模拟系统中，设计不同防护林配置组合，并对风场分布模拟效果进行定性定量化评价。选取典型样地，设计合理的采样点，对湍流模型模拟结果进行真实验证，并根据实验结果对模型进行修正。本研究以宁夏盐池地区防护林为研究对象，研究成果可以为防护林的规划设计提供理论依据和技术支撑，也将为防护林带风沙阻隔的荒漠化防治、植被下垫面风力阻遏下生态安全性评价等作出提供理论支撑和现实指导。

传统的防护林防风效应模拟以大尺度二维模拟或小尺度简易三维树木模型的粗略模拟为主，不能精确反映小区域内防护林三维结构对防风效应的具体影响。所以为了实现防护林防风效应的精确模拟，本研究结合3S技术，提出了一种以激光雷达精细化建模与数值模拟相结合的防护林防风效应模拟技术。根据不同结构的防护林防风效应模拟结果，分析影响防护林防风效应的结构因子，为今后的防护林建设工作提供理论参考依据。.本研究选取河北省张家口市张北县坝上地区的3种不同结构的杨树防护林为研究对象，使用激光雷达扫描以及三维重建技术获取了防护林树木的精细化三维模型以及防护林结构因子，并选择专业的数值模拟软件Phoenics对防护林防风效应进行模拟。根据防护林结构因子的提取结果以及不同结构防护林的防风效应模拟结果可知：.（1）使用激光雷达扫描技术可以准确的提取防护林结构因子，提取精度均在95%以上，各结构因子的提取精度从高到低依次为：胸径、冠高、树高、冠幅，各因子的提取精度满足实际需求。.（2）本研究所提出的模拟方法具有更好的模拟精度，各样地的模拟精度均在87%以上，其中模拟精度最好的为株密度最大的样地2，最差的为株密度最小的样地3。与传统几何法的模拟结果相比，精细化点云建模法的模拟精度更好，与实测值的相关性也更好。由于防护林内局部湍流的产生，使得防护林内的风速模拟效果较差，从模拟结果可以看出，防护效果最好的区域位于防护林背风面0m到40m内。.（3）从防护林结构对防风效应的影响结果来看，在一定范围内，树高越高，防护林最大有效防护距离也就越大；林带越宽，防护林的最大有效防护距离越大，防风效果也越好，但宽度达到4排防护林（40m宽）后，防护林的防风效果受林带宽度的影响较小；林带疏透度也会对防护林的防风效果产生影响，但在疏透度达到35%左右时，疏透度的减小不会增加防护林的防护效果。.由研究结果可以看出，本研究的防护林模型更加接近真实防护林结构，模拟结果也更加准确，模拟时间也有所提升，具有一定的创新性以及实用性，为今后的防护林模拟及建设提供理论参考依据。