一种基于倾斜摄影与3D打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及风工程，尤其涉及一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、山区地形地貌复杂多变，局部地形起伏、坡度突变、峡谷收缩、山脊绕流和垭口通道效应会显著改变近地层风场结构，引起风速放大、风向偏转、湍流增强、分离回流等现象。对于输电线路、风电场和山区交通等工程结构而言，局部风速放大和湍流强度增加可能导致结构风荷载显著增大，从而影响工程结构的安全性和运行可靠性。因此，针对典型山区微地形开展风洞试验，是揭示微地形风场结构特征和风加速效应的重要手段。在现有风洞试验研究中，微地形模型通常采用理想化几何模型、人工简化模型或基于传统地形资料的缩尺模型。理想化模型便于参数控制，但难以反映真实山区微地形中多尺度起伏、坡向变化和局部风道组合对风场的共同影响；人工简化模型依赖设计人员经验，模型构建过程标准化不足，重复性和可验证性较弱；基于二维等高线或数字高程模型直接制作的模型虽然能够表达一定地形起伏，但容易忽略陡坡、沟谷、垭口等关键微地形细节，且模型制造过程中常出现边界截断突兀、比例选择不合理、局部细节丢失以及实体模型与数字模型不一致等问题。

2、无人机倾斜摄影技术能够从多个视角快速获取地形影像，并通过结构从运动和多视图立体匹配生成高密度点云及三维实景模型，适合复杂山区微地形的高精度数字化表达。3d打印技术具备复杂几何快速成型能力，能够制作传统数控加工难以精确实现的局部细节；数控雕刻技术则适合制作面积较大、起伏连续的模型主体，具有加工效率高、成本可控和尺寸稳定性好的优势。现有技术中，倾斜摄影三维建模、风洞缩尺设计和实体模型制造之间缺乏贯通的标准化流程，尚未形成面向典型微地形风洞试验模型的完整构建方法。

3、但是，仅将倾斜摄影三维建模、风洞缩尺和3d打印/数控雕刻顺序组合，仍然难以解决风洞模型构建中的关键技术问题：其一，倾斜摄影点云数据量大，直接用于制造会造成文件过大、切片困难和加工效率低；其二，普通点云简化主要依据几何误差或面片数量控制，容易削弱陡坡转折、峡谷侧壁、山脊线连续性和垭口开口边缘等对风场敏感的特征；其三，3d打印和数控雕刻的制造分区若仅凭几何复杂度或人工经验确定，可能将拼缝布置在流动分离、加速或再附敏感位置；其四，实体模型制造完成后缺乏面向风场敏感特征的复测与补偿机制，导致数字模型、制造模型和风洞试验模型之间存在难以量化的偏差。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法及系统，解决目前方法缺乏面向风场敏感特征保持的优化处理机制，导致关键微地形特征在点云简化、缩尺制造、分块拼接和实体成型过程中丢失或偏移，影响风洞试验模型相似性和试验结果有效性的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法，包括：

5、获取目标山区微地形的无人机倾斜摄影影像，生成目标区域的地形模型模型，计算模型中各网格节点风场敏感特征指数；

6、依据所述风场敏感特征指数对所述模型进行自适应简化，构建特征保持数字模型；

7、基于风洞试验参数、测试布置需求以及所述特征保持数字模型的最大迎风投影面积，确定缩尺比例与地形截取边界；

8、根据所述风场敏感特征指数、缩尺后的制造尺寸约束以及制造工艺边界，将所述特征保持数字模型划分为3d打印区、数控雕刻区和过渡拼接区；

9、对划分后的各区域进行加工并组合成型，得到微地形风洞实验实体模型；

10、对所述微地形风洞实验实体模型进行三维复测，并基于复测点云与特征保持数字模型的偏差分析，生成针对超差区域的修正文件。

11、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：获取目标山区微地形的无人机倾斜摄影影像，生成目标区域的地形模型模型，计算模型中各网格节点风场敏感特征指数，包括：

12、提取地形模型中各采样单元的几何与地理特征，确定待评估指标至少包括：坡度项、曲率项、曲率熵项、山脊/谷线连续性项、峡谷收缩项、垭口开口项和迎风暴露项中的三项以上；

13、其中，所述迎风暴露项根据多个试验风向分别计算，并在各个试验风向对应的迎风暴露度中取最大值或按风向频率进行加权平均；

14、对选取的各待评估指标进行归一化处理后进行加权求和，得到风场敏感特征指数。

15、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：所述曲率熵项的计算方法，包括：

16、以采样单元为中心建立邻域窗口；

17、统计所述邻域窗口内不同方向或幅值的曲率值分布概率；

18、基于所述分布概率计算得到采样单元的曲率熵；

19、响应于所述曲率熵大于预设曲率熵阈值，增大对应采样单元的风场敏感特征指数。

20、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：依据所述风场敏感特征指数对所述模型进行自适应简化，包括：

21、设定用于区分网格压缩程度的第一特征阈值和第二特征阈值：

22、将所述风场敏感特征指数高于第一特征阈值的区域，确定为利用原始点密度或第一压缩率进行简化的区域：

23、将所述风场敏感特征指数低于第二特征阈值的区域，确定为利用第二压缩率进行简化的区域：

24、将所述风场敏感特征指数处于所述第一特征阈值和所述第二特征阈值之间的区域，确定为利用连续过渡压缩率进行简化的区域；

25、其中，所述第一压缩率低于第二压缩率。

26、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：所述确定缩尺比例与地形截取边界，包括：

27、按照核心地形区、过渡地形区以及边界缓冲区确定所述地形截取边界；

28、所述核心地形区覆盖目标微地形本体，所述过渡地形区覆盖主导风向上游来流调整区以及下游尾流发展区，所述边界缓冲区用于将截断边界平顺过渡至风洞地板；

29、确定的缩尺比例需同时使模型最大迎风投影面积与风洞试验段横截面积之比小于允许阻塞率上限，且使缩尺后目标微地形的最小特征尺寸不小于所采用制造工艺的最小加工精度。

30、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：将所述特征保持数字模型划分为3d打印区、数控雕刻区和过渡拼接区，包括：

31、将所述风场敏感特征指数高于第一特征阈值，且缩尺后局部曲率半径小于数控刀具半径补偿值的区域，划分为3d打印区；

32、将所述风场敏感特征指数低于第二特征阈值且坡面连续预设长度的区域，划分为数控雕刻区；

33、将所述3d打印区与所述数控雕刻区之间的邻接带，划分为过渡拼接区；所述过渡拼接区内的拼缝布置避开山脊线、谷线、峡谷最窄断面、垭口开口边缘以及测试点位置。

34、作为本发明所述的一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的一种优选方案，其中：对所述微地形风洞实验实体模型进行三维复测并进行偏差分析，包括：

35、获取微地形风洞实验实体模型的表面点云以作为实体复测点云；

36、将所述实体复测点云与所述特征保持数字模型进行配准，并计算多项几何特征的偏差值；

37、响应于所述3d打印区内的偏差值超过第一偏差阈值，生成局部重打印文件或二次加工文件；

38、响应于所述数控雕刻区内的偏差值超过第二偏差阈值，生成表面修整指引。

39、第二方面，本发明提供了一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建系统，包括：

40、生成计算模块，用于获取目标山区微地形的无人机倾斜摄影影像，生成目标区域的地形模型模型，计算模型中各网格节点风场敏感特征指数；

41、模型简化模块，用于依据所述风场敏感特征指数对所述模型进行自适应简化，构建特征保持数字模型；

42、确定模块，用于基于风洞试验参数、测试布置需求以及所述特征保持数字模型的最大迎风投影面积，确定缩尺比例与地形截取边界；

43、划分模块，用于根据所述风场敏感特征指数、缩尺后的制造尺寸约束以及制造工艺边界，将所述特征保持数字模型划分为3d打印区、数控雕刻区和过渡拼接区；

44、加工组合模块，用于对划分后的各区域进行加工并组合成型，得到微地形风洞实验实体模型；

45、复测修正模块，用于对所述微地形风洞实验实体模型进行三维复测，并基于复测点云与特征保持数字模型的偏差分析，生成针对超差区域的修正文件。

46、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：

47、存储器和处理器；

48、所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的步骤。

49、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述一种基于倾斜摄影与3d打印结合的典型微地形风洞实验模型构建方法的步骤。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明将地形几何形貌与风流动动力学特征结合，将传统的纯几何等比例缩尺构建转变为基于风场敏感特征的自适应控制，在保留山脊、垭口及峡谷等对风速加速以及流动分离等流场关键特征具有影响的局部微地形区域的同时，能够实现海量点云数据的差异化自适应简化；通过引入风场敏感度驱动的增减材协同制造分区机制，实现在大幅控制模型整体加工周期与制造经济成本的前提下，高保真精细还原高敏感区域的复杂几何结构，并结合风洞阻塞率和加工边界约束，实现物理试验模型的缩尺与动态边界平顺过渡，避免试验中的边界阻碍失真；又借助制造拼接成型后的三维复测与数字化偏差补偿实现对物理实体加工及拼接超差区域的精准识别与修正，以提升微地形风洞实验模型的空气动力学相似度、工艺可制造性以及风洞物理试验结果的可靠性与重复性。