CN102568027A - 一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法 - Google Patents

Abstract

一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，包括以下步骤：(1)根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库；(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；(3)形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；(4)生成光照影响区域计算的时间序列，利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算各个时间点的太阳高度角；(5)利用等价计算三维模型生成虚拟树木各个时间点的光照影子，以像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域。本发明提供一种有效降低复杂度、提高速度、适用于大规模和大尺度的森林动态生长仿真的像素化虚拟树木光照影响区域获取方法。

Description

一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法

技术领域

本发明涉及一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法。

背景技术

植物对光照资源的竞争是植物群落生长仿真和森林景观模拟中的难点。快速获取较为准确的树木光照影响区域，对真实地模拟树木的生长过程和森林群落的繁殖发展过程都具有重要意义。

在现有的森林生长仿真中，一般采用FON模型，也就是植物影响圈模型，来获取树木光照影响区域。FON模型是描述植物生长资源的一种方法，用一个影响圈来描述植物对资源的需求范围。但由于植物生长的纬度不同，其光照的阴影往往不是标准的圆形区域，纬度越高，阴影区域会呈现为越扁的椭圆。利用FON模型获取的树木光照影响区域只使用简单的圆形表示是不够精确，不能体现生长在不同纬度地区的树木光照影响区域的真实情况。为了体现生长在不同纬度地区的树木光照影响区域也不同的问题，需要根据地理学和天文学的相关知识，并引入树木生长地的地理位置信息来获取树木的光照影响区域。

通常情况下，树木的光照影响区域可表示为不同纬度地区、不同时刻下太阳照射到地面形成的阴影的综合影响区域。因此，如何精确生成虚拟树木的实时阴影是获取树木光照影响区域的第一步。从1977年Shadow volume算法被提出以来，Shadow volume算法是常用的一种生成实时、精确阴影的方法。Shadow volume算法的基本原理是根据光源和遮蔽物的位置关系计算出场景中会产生阴影的区域(shadowvolume)，然后对所有物体进行检测，以确定其会不会受阴影的影响。Shadow Volume算法是像素精确的，因而不会出现走样现象，能够生成精确的阴影效果；但是该算法的复杂度和模型的几何复杂度成正比。对于由成千上万的复杂三维树木模型构成的大规模的森林仿真场景来说，Shadow volume算法显然是不适用的。

然而，大规模、大尺度的森林动态生长仿真是森林经营和决策管理中一个有效辅助工具。实现一种既快速、又准确的像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，对于大规模、大尺度的森林动态生长仿真具有重要的意义。

发明内容

为了克服已有树木光照影响区域获取方法复杂度较高、速度较慢、无法用于大规模和大尺度的森林动态生长仿真的不足，本发明提供一种有效降低复杂度、提高速度、适用于大规模和大尺度的森林动态生长仿真的像素化虚拟树木光照影响区域获取方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，所述获取方法包括以下步骤：

(1)根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库，其中，典型树木结构类型包括球形、锥形、圆柱形和宽展开形；

(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；

(3)建立虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息与所述确定的树木结构类型的几何形状特征参数之间的映射关系，形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；

(4)根据虚拟树木生长仿真的时间参数和设定的时间间隔生成光照影响区域计算的时间序列，并利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点的太阳高度角；

(5)利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子，并以所述光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域。

进一步，所述步骤(1)中，提取的树木结构类型与几何形状特征的关系如下：

对于球形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径为0或在接近于0的较小阈值范围内；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数使得不同高度处的树冠直径的变化规律与一个球体的纬度圈直径的差值不超过设定的偏差率；

对于锥形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径接近于0或在接近于0的较小阈值范围内，树冠的底部直径大于0；树冠的枝条增长系数小于1，且树冠的枝条增长系数的值变化在设定的阈值范围内；

对于圆柱形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径相等或者其差值在一个较小的阈值范围内；树冠的枝条增长系数为1，或者树冠的枝条增长系数的值在接近于1的较小阈值范围内变化；

对于宽展开形，需要满足以下两个条件：树冠的中心直径大于树冠的顶部直径，且树冠的中心直径大于树冠的底部直径；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数的值在大于1和小于1的情况下，分别在设定的阈值范围内变化。

再进一步，所述步骤(2)中，所述几何形状特征信息包括树木的树高、树冠的顶部直径、树冠的底部直径、树冠的中心直径和树冠的枝条增长系数；所述的自动确定树木结构类型是根据树木结构类型与提取的几何形状特征的关系进行自动判断。

更进一步，所述步骤(3)中，球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型的等价计算三维模型的几何特征参数包括：

●球形结构的几何特征参数包括：球体半径为r，树根至球心的高度为l；

●锥形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆锥底部半径为r；

●圆柱形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆柱底部半径为r；

●宽展开形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠中心至树根高lm，顶部半径rt，底部半径rd，中部半径rm。

所述步骤(4)中，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角的过程为：

首先，获取虚拟树木生长仿真的时间参数信息，并按照设定的时间间隔形成光照影响区域计算的时间序列，即按照生长仿真的时间参数给定的起始时间，累加设定的时间间隔，依次形成光照影响区域计算的时间序列的各个时间点，直至生长仿真的时间参数给定的结束时间；

其次，利用虚拟树木生长仿真的地理位置的经度和纬度信息，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角；太阳光照在地球上的直射点的地理纬度为太阳赤纬，以δ表示；虚拟树木生长仿真所在位置的地理纬度用

表示，地方时以t表示，虚拟树木生长仿真所在位置的太阳的高度角表示为：

一年内任何一天的赤纬角δ有如下关系：sinδ＝0.39795×cos[0.98563(N-173)]，式中，N为日数，自1月1日开始计算；

所述步骤(5)中，获取像素化的虚拟树木的光照影响区域的过程为：

首先，利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子的特征数据，所述的特征数据可以是光照影子的表达式或特征点坐标；

当太阳的高度角为h，时角为t时，四种树木结构类型的生成光照影子特征数据的具体方法如下：

球形结构类型的虚拟树木的光照影子用椭圆表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的表达式为：

$\frac{{(x+l\cos t/\mathrm{tgh})}^2}{{(r/\sinh )}^2}+\frac{{(y-l\sin t/\mathrm{tgh})}^2}{r^2}=1$

锥形结构类型的虚拟树木的光照影子用三角形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-lt*cost/tgh，lt*sint/tgh，0)

B(-Lbo*cos(t-k)，Lbo*sin(t-k)，0)

C(-Lbo*cos(t+k)，Lbo*sin(t+k)，0)

圆柱形结构类型的虚拟树木的光照影子用四边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

宽展开形结构类型的虚拟树木的光照影子用六边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

E(-Lfo*cos(t+k3)，Lfo*sin(t+k3)，0)

F(-Lfo*cos(t-k3)，Lfo*sin(t-k3)，0)

其次，以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域，具体过程如下：

第一步，获取以计算机显示屏像素为单位的可视化窗口的大小，即可视化窗口的长(height)、宽(width)；初始化对应于窗口大小的两个数组shadow[height][width]、PFD[height][width]，分别用于存储获取的光照影响区域及各像素有效光照强度的总和；

第二步，通过循环依次获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点光照影子的特征数据，在可视化窗口中生成该时间点下的光照影子；

第三步，读取可视化窗口内所有的像素信息，并依次判断每个像素点是否在该时间点下的光照影子内；如果某个像素点在该光照影子内，则数组shadow中与该像素点位置对应下标的数组元素的值被置为1，并在PFD数组对应下标的数组元素中累加有效光照强度信息；

当太阳高度角h时，有效的光照强度PFD_Lat可以表示为：

PFD_Lat＝PFD₀*sinh*(1-Shade)                公式1

其中，PDF₀为植物所能接收到的最强光照强度，即赤道地区正午时间没有任何遮挡时的光照强度，PDF₀的取值为PDF₀＝2000μmod*m^-2s^-1；shade为遮荫率因子；而对于高大植物本身来说，shade＝0；当某个像素点被包含在多个时间点的光照影子内时，该像素点对于每个光照影子的有效光照强度PFD_Lat可根据公式1计算得到，并将每个光照影子下该像素点的有效光照强度累加之和存储在PFD数组对应下标的数组元素中；

进一步，所述以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域的过程还包括：

第四步，根据数组PFD内存储的光照强度总和，清空可视化窗口，循环读取数组shadow的值，若值为1，则为可视化窗口在该下标位置对应的像素着色；循环结束后，在计算机屏幕的可视化窗口中获得了以颜色深浅表示的像素化光照影响区域，光照强度总和越小的像素点可视化时颜色越深。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)利用树木生长仿真所在地理位置的纬度信息和光照时长信息生成光照影响区域，解决了传统FON模型用标准的圆形表示树木的光照影响区域时导致的不精确问题，能体现生长在不同纬度地区的树木光照影响区域的真实情况，针对生长在不同纬度地区的树木获得不同形状的树木光照影响区域。

(2)通过对树木结构类型的自动识别，采用相应的等价计算模型进行光照影响区域的计算，实现了大规模、大尺度的森林动态生长仿真中树木光照影响区域的快速获取，避免了精确计算中所需计算时间过长的问题，对于大规模、大尺度的森林动态生长过程的快速仿真具有重要意义。

附图说明

图1是本发明虚拟树木光照影响区域获取的原理框图。

图2是本发明虚拟树木光照影响区域获取方法的流程图。

图3是本发明典型树木结构类型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图3，一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，所述获取方法包括以下步骤：

(1)根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库，其中，典型树木结构类型包括球形、锥形、圆柱形和宽展开形；

(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；

(3)建立虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息与所述确定的树木结构类型的几何形状特征参数之间的映射关系，形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；

(4)根据虚拟树木生长仿真的时间参数和设定的时间间隔生成光照影响区域计算的时间序列，并利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点的太阳高度角；

(5)利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子，并以所述光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域。

如图2所示，本发明一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法包括如下步骤：

(1)参看图1，本发明了建立树木架构库1，其中，典型树木结构类型包括球形、锥形、圆柱形和宽展开形。树木结构类型可以分为典型、非典型两类；典型的树木结构类型可以有：球形、锥形、圆柱形、宽展开形等，分别如图3(a)、(b)、(c)和(d)所示。球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型与几何形状特征的关系如下：

对于球形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径为0或在接近于0的较小阈值范围内；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数使得不同高度处的树冠直径的变化规律与一个球体的纬度圈直径的差值不超过设定的偏差率；

对于锥形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径接近于0或在接近于0的较小阈值范围内，树冠的底部直径大于0；树冠的枝条增长系数小于1，且树冠的枝条增长系数的值变化在设定的阈值范围内；

对于圆柱形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径相等或者其差值在一个较小的阈值范围内；树冠的枝条增长系数为1，或者树冠的枝条增长系数的值在接近于1的较小阈值范围内变化；

对于宽展开形，需要满足以下两个条件：树冠的中心直径大于树冠的顶部直径，且树冠的中心直径大于树冠的底部直径；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数的值在大于1和小于1的情况下，分别在设定的阈值范围内变化。

(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型2的几何形状特征信息自动确定树木结构类型。虚拟树木生长仿真的三维模型2的几何形状特征信息包括树木的树高、树冠的顶部直径、树冠的底部直径、树冠的中心直径和树冠的枝条增长系数等参数。进行树木结构类型自动判断时，根据步骤(1)中的球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型与几何形状特征的关系，判断是否满足其中的一种情况。如果是，则该虚拟树木生长仿真的三维模型2为这种情况对应的典型的树木结构类型；否则，为非典型的树木结构类型。

(3)根据树木结构类型的判断结果，建立虚拟树木生长仿真的三维模型2的几何形状特征信息与所述确定的树木结构类型的几何形状特征参数之间的映射关系，形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型5。

一个较长时间周期内的太阳光照影响区域，体现的是一个整体情况。因此，可以根据植物整体形状结构来近似地快速绘制光照影响区域。本发明针对常见的树木形态结构类型建立了虚拟树木生长仿真的三维模型2中几何形状特征信息与树木架构库1中的典型树木结构类型的几何形状特征参数的映射，形成树木光照影响区域的等价计算三维模型5；对于非典型的树木结构类型，将虚拟树木生长仿真的三维模型2作为等价计算三维模型5；

为了得到可以用于获取树木光照影响区域的等价计算三维模型5，需要建立虚拟树木生长仿真的三维模型2中几何形状特征信息与典型树木结构类型的几何形状特征参数的映射关系。对于球形、锥形、圆柱形、宽展开形等典型树木结构类型，本发明通过定义对应的几何特征参数来表达树木光照影响区域的等价计算三维模型5，一般可以根据树木的树高、树冠的顶部直径、树冠的底部直径、树冠的中心直径、树冠的枝条增长系数等几何形状特征信息计算得到等价计算三维模型5的几何特征参数的数值。

树木架构库1中的球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型的等价计算三维模型5的几何特征参数包括：

●球形结构的几何特征参数包括：球体半径为r，树根至球心的高度为l；

●锥形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆锥底部半径为r；

●圆柱形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆柱底部半径为r；

●宽展开形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠中心至树根高lm，顶部半径rt，底部半径rd，中部半径rm。

(4)根据虚拟树木生长仿真的时间参数和设定的时间间隔生成光照影响区域计算的时间序列，并利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点的太阳4的高度角。具体方法如下：

首先，获取虚拟树木生长仿真的地理位置和时间参数信息，按照设定的时间间隔形成光照影响区域计算的时间序列。按照生长仿真的时间参数给定的起始时间，累加设定的时间间隔，依次形成光照影响区域计算的时间序列的各个时间点，直至生长仿真的时间参数给定的结束时间。

其次，利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点太阳4的高度角。

一年中，由于季节变换，太阳4的光照直射点在南北回归线之间变化。对于地球上的某个地点，每天不同时刻太阳4的高度角也在变化。为了更加准确地表示树木的光照影响区域，需要综合计算一年中的每一天不同时刻的太阳4的光照射到地面形成的光照影子6，从而获取表示一个时间周期的平均光照影响区域。传统的FON光照影响圈模型不是通过投影得到，而本发明根据实时的太阳光照位置进行投影计算，得到结果将更加符合实际。

太阳4的光照在地球上的直射点的地理纬度称为太阳赤纬，以δ表示。观测地地理纬度用

表示，地方时(时角)以t表示，观测地的太阳4的高度角计算公式可以表示为：

因δ赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ有如下关系：sinδ＝0.39795×cos[0.98563(N-173)]，式中N为日数，自1月1日开始计算，例如1月1日，N取1；1月2日，N取2；1月3日，N取3，依此类推。

(5)利用等价计算三维模型5生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子6，并以所述光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域7。

如果直接利用虚拟树木生长仿真的三维模型2计算精确的光照影子3，由于虚拟树木生长仿真的三维模型2的几何数据量非常大，其计算过程耗时较多，而利用等价计算三维模型5进行计算将快很多。

具体方法如下：

首先，利用等价计算三维模型5生成虚拟树木生长仿真的三维模型2在所述时间序列中各个时间点和对应和太阳4的高度角情况下的光照影子6。当太阳4的高度角为h，时角为t时，树木架构库1中的四种典型树木结构类型的光照影子6的快速计算的具体方法为：

参看图3(a)，对于球形结构，在三维坐标系下，当球体在太阳高度角h、时角t的条件下投射到z＝0平面时，生成一个二维平面上的椭圆形。因此，需确定生成的椭圆形的长、短轴及中心坐标。已知球心T(0，0，l)，所以点T在z＝0平面上对应的点P的坐标为(-lcost/tgh，lsint/tgh，0)，即椭圆的中心坐标。球体半径为r，入射光线与z＝0平面成h度角，所以球体在Y轴方向保持不变，即椭圆短轴b＝2r；而X轴方向由半径r变为r/sinh，即椭圆长轴a＝2r/sinh。因此，球形结构类型的虚拟树木的光照影子用椭圆表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的表达式为：

$\frac{{(x+l\cos t/\mathrm{tgh})}^2}{{(r/\sinh )}^2}+\frac{{(y-l\sin t/\mathrm{tgh})}^2}{r^2}=1$

同理可得，参看图3(b)，锥形结构类型的虚拟树木的光照影子用三角形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-lt*cost/tgh，lt*sint/tgh，0)

B(-Lbo*cos(t-k)，Lbo*sin(t-k)，0)

C(-Lbo*cos(t+k)，Lbo*sin(t+k)，0)

参看图3(c)，圆柱形结构类型的虚拟树木的光照影子用四边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

参看图3(d)，宽展开形结构类型的虚拟树木的光照影子用六边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

E(-Lfo*cos(t+k3)，Lfo*sin(t+k3)，0)

F(-Lfo*cos(t-k3)，Lfo*sin(t-k3)，0)

其次，以像素为基本单元叠加计算时间序列中各时间的光照影子，获取像素化的虚拟树木的光照影响区域7；通过树木遮荫率、空气透明度等参数计算虚拟树木生长仿真时间序列中各个时间点的光照影子和有效光照强度，并使用颜色深浅的方式表示光照影响区域7可视化中的光照强度。

以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域7的具体方法如下：

第一步，获取以计算机显示屏像素为单位的可视化窗口的大小，即可视化窗口的长(height)、宽(width)；初始化对应于窗口大小的两个数组shadow[height][width]、PFD[height][width]，分别用于存储获取的光照影响区域及各像素有效光照强度的总和；

第二步，通过循环依次获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点光照影子的特征数据，在可视化窗口中生成该时间点下的光照影子；

第三步，读取可视化窗口内所有的像素信息，并依次判断每个像素点是否在该时间点下的光照影子内；如果某个像素点在该光照影子内，则数组shadow中与该像素点位置对应下标的数组元素的值被置为1，并在PFD数组对应下标的数组元素中累加有效光照强度信息；

当时太阳高度角h时，有效的光照强度PFD_Lat可以表示为：

PFD_Lat＝PFD₀*sinh*(1-Shade)                    公式1

其中，PDF₀为植物所能接收到的最强光照强度，即赤道地区正午时间没有任何遮挡时的光照强度，PDF₀的取值为PDF₀＝2000μmod*m^-2s^-1；shade为遮荫率因子；而对于高大植物本身来说，shade＝0；当某个像素点被包含在多个时间点的光照影子内时，该像素点对于每个光照影子的有效光照强度PFD_Lat可根据公式1计算得到，并将每个光照影子下该像素点的有效光照强度累加之和存储在PFD数组对应下标的数组元素中；

上述过程为一个循环叠加的过程，每次循环都重新生成当前时间点下的光照影子及有效光照强度。当这个叠加计算过程结束，数组shadow[height][width]、PFD[heigh][width]就分别存储了这个时间周期内的光照影响区域和有效光照强度PFD_Lat的总和。

第四步，根据数组PFD内存储的光照强度总和，清空可视化窗口，循环读取数组shadow的值，若值为1，则为可视化窗口在该下标位置对应的像素着色；循环结束后，在计算机屏幕的可视化窗口中获得了以颜色深浅表示的像素化光照影响区域7，光照强度总和越小的像素点可视化时颜色越深。

对于某一个时间周期内的光照影响区域7来说，像素点的光照影子重叠次数越多，该像素点对应的区域能吸收到的光照就越少，可视化表示时该像素点的颜色就越深。

Claims (7)

1.一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述获取方法包括以下步骤：

(1)根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库，其中，典型树木结构类型包括球形、锥形、圆柱形和宽展开形；

(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；

(3)建立虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息与所述确定的树木结构类型的几何形状特征参数之间的映射关系，形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；

(4)根据虚拟树木生长仿真的时间参数和设定的时间间隔生成光照影响区域计算的时间序列，并利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点的太阳高度角；

(5)利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子，并以所述光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域。

2.如权利要求1所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述步骤(1)中，提取的树木结构类型与几何形状特征的关系如下：

对于球形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径为0或在接近于0的较小阈值范围内；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数使得不同高度处的树冠直径的变化规律与一个球体的纬度圈直径的差值不超过设定的偏差率；

对于锥形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径接近于0或在接近于0的较小阈值范围内，树冠的底部直径大于0；树冠的枝条增长系数小于1，且树冠的枝条增长系数的值变化在设定的阈值范围内；

对于圆柱形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径相等或者其差值在一个较小的阈值范围内；树冠的枝条增长系数为1，或者树冠的枝条增长系数的值在接近于1的较小阈值范围内变化；

对于宽展开形，需要满足以下两个条件：树冠的中心直径大于树冠的顶部直径，且树冠的中心直径大于树冠的底部直径；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数的值在大于1和小于1的情况下，分别在设定的阈值范围内变化。

3.如权利要求1所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述几何形状特征信息包括树木的树高、树冠的顶部直径、树冠的底部直径、树冠的中心直径和树冠的枝条增长系数；所述的自动确定树木结构类型是根据树木结构类型与提取的几何形状特征的关系进行自动判断；

4.如权利要求1所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述步骤(3)中，球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型的等价计算三维模型的几何特征参数包括：

●球形结构的几何特征参数包括：球体半径为r，树根至球心的高度为l；

●锥形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆锥底部半径为r；

●圆柱形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆柱底部半径为r；

●宽展开形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠中心至树根高lm，顶部半径rt，底部半径rd，中部半径rm；

5.如权利要求1所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述步骤(4)中，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角的过程为：

首先，获取虚拟树木生长仿真的时间参数信息，并按照设定的时间间隔形成光照影响区域计算的时间序列，即按照生长仿真的时间参数给定的起始时间，累加设定的时间间隔，依次形成光照影响区域计算的时间序列的各个时间点，直至生长仿真的时间参数给定的结束时间；

其次，利用虚拟树木生长仿真的地理位置的经度和纬度信息，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角；太阳光照在地球上的直射点的地理纬度为太阳赤纬，以δ表示；虚拟树木生长仿真所在位置的地理纬度用表示，地方时以t表示，虚拟树木生长仿真所在位置的太阳的高度角表示为：一年内任何一天的赤纬角δ有如下关系：sinδ＝0.39795×cos[0.98563(N-173)]，式中，N为日数，自1月1日开始计算。

6.如权利要求1所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述步骤(5)中，获取像素化的虚拟树木的光照影响区域的过程为：

首先，利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子的特征数据，所述的特征数据可以是光照影子的表达式或特征点坐标；

当太阳的高度角为h，时角为t时，四种树木结构类型的生成光照影子特征数据的具体方法如下：

球形结构类型的虚拟树木的光照影子用椭圆表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的表达式为：

$\frac{{(x+l\cos t/\mathrm{tgh})}^2}{{(r/\sinh )}^2}+\frac{{(y-l\sin t/\mathrm{tgh})}^2}{r^2}=1$

锥形结构类型的虚拟树木的光照影子用三角形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-lt*cost/tgh，lt*sint/tgh，0)

B(-Lbo*cos(t-k)，Lbo*sin(t-k)，0)

C(-Lbo*cos(t+k)，Lbo*sin(t+k)，0)

圆柱形结构类型的虚拟树木的光照影子用四边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

宽展开形结构类型的虚拟树木的光照影子用六边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z＝0平面的光照影子的特征点坐标为：

A(-Lao*cos(t-k1)，Lao*sin(t-k1)，0)

B(-Lao*cos(t+k1)，Lao*sin(t+k1)，0)

C(-Ldo*cos(t+k2)，Ldo*sin(t+k2)，0)

D(-Ldo*cos(t-k2)，Ldo*sin(t-k2)，0)

E(-Lfo*cos(t+k3)，Lfo*sin(t+k3)，0)

F(-Lfo*cos(t-k3)，Lfo*sin(t-k3)，0)

其次，以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域，具体过程如下：

第一步，获取以计算机显示屏像素为单位的可视化窗口的大小，即可视化窗口的长(height)、宽(width)；初始化对应于窗口大小的两个数组shadow[height][width]、PFD[height][width]，分别用于存储获取的光照影响区域及各像素有效光照强度的总和；

第二步，通过循环依次获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点光照影子的特征数据，在可视化窗口中生成该时间点下的光照影子；

第三步，读取可视化窗口内所有的像素信息，并依次判断每个像素点是否在该时间点下的光照影子内；如果某个像素点在该光照影子内，则数组shadow中与该像素点位置对应下标的数组元素的值被置为1，并在PFD数组对应下标的数组元素中累加有效光照强度信息；

当太阳高度角h时，有效的光照强度PFD_Lat可以表示为：

PFD_Lat＝PFD₀*sinh*(1-Shade)                        公式1

其中，PDF₀为植物所能接收到的最强光照强度，即赤道地区正午时间没有任何遮挡时的光照强度，PDF₀的取值为PDF₀＝2000μmod*m^-2s^-1；shade为遮荫率因子；而对于高大植物本身来说，shade＝0；当某个像素点被包含在多个时间点的光照影子内时，该像素点对于每个光照影子的有效光照强度PFD_Lat可根据公式1计算得到，并将每个光照影子下该像素点的有效光照强度累加之和存储在PFD数组对应下标的数组元素中。

7.如权利要求6所述的一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域的过程还包括：

第四步，根据数组PFD内存储的光照强度总和，清空可视化窗口，循环读取数组shadow的值，若值为1，则为可视化窗口在该下标位置对应的像素着色；循环结束后，在计算机屏幕的可视化窗口中获得了以颜色深浅表示的像素化光照影响区域，光照强度总和越小的像素点可视化时颜色越深。

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