CN114170383A - 一种分解模型库森林三维场景模拟方法 - Google Patents

一种分解模型库森林三维场景模拟方法 Download PDF

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张怀清
朱念福
杨廷栋
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Abstract

一种分解模型库森林三维场景模拟方法，属于林业科学研究中的森林可视化模拟技术领域。分解模型库构建，构建树干参数模型，构建树干三维模型库，构建枝系三维模型库；林木形态结构空间匹配点构建，确定冠形曲线、分枝仰角、分枝轮数、分枝轮位置、分枝生长个数、分枝长度、分枝基径；根据采集的数据，循环调用相关杉木属性，生成杉木形态结构空间匹配点，并匹配杉木分解模型库中的模型，动态生成杉木林分三维场景。本发明方法效果好，不仅提高了林分三维场景生成效率，而且实现了林分场景中林木形态具有一定区分度，树枝可以动态调控的特点。提高林业研究和相关教学的参与感和认知程度，能够满足基层林业应用需求。

Description

一种分解模型库森林三维场景模拟方法
技术领域
本发明涉及一种分解模型库森林三维场景模拟方法，属于林业科学研究中的森林可视化模拟即计算机技术领域，涉及到林学中林木形态结构理论及计算机科学中的可视化模拟技术。
背景技术
森林可视化模拟是以林学理论为基础，以前沿的计算机可视化模拟技术为手段，构建符合现实规律的森林三维仿真场景，为森林经营可视化模拟提供交互对象和平台。目前森林可视化模拟根据数据获取及建模方法，大致可分为3大类：第1类是基于参数的树木三维模型构建、第2类是基于生长规则的树木三维模型构建，第3类是基于结构与功能的树木三维模型构建。
当前林木三维建模技术随着计算机图形图像学的发展已经相对成熟，但由于真实林木数据获取困难、森林环境复杂等问题，大多数方法构建的树木三维模型是一个孤立的整体，无法满足用户精细化的森林经营交互需求。将林木三维建模过程与林木所处林分环境结合起来，构建符合林分环境的，可根据分解模型动态匹配的林木三维模型是值得考虑的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,基于森林经理学中的树木形态结构理论，构建通用的分解模型库，基于调查数据，构建林木形态结构空间匹配点，动态匹配分解模型，提出了一种分解模型库森林三维场景模拟方法。
一种分解模型库森林三维场景模拟方法，含有以下步骤：
步骤1、分解模型库构建，构建树干参数模型，构建树干三维模型库，构建枝系三维模型库。
步骤2、林木形态结构空间匹配点构建，确定冠形曲线、分枝仰角、分枝轮数、分枝轮位置、分枝生长个数、分枝长度、分枝基径。
步骤3、根据采集的数据，循环调用相关杉木属性，生成杉木形态结构空间匹配点，并匹配杉木分解模型库中的模型，动态生成杉木林分三维场景。
本发明的优点是提出一种分解模型库森林三维场景模拟新方法，弥补目前森林可视化模拟中存在的林木模型同质化缺陷，为森林经营可视化模拟提供支持，为森林质量精准提升提高技术支撑。
本发明提出的分解模型库生成林分三维场景的方法效果较好，不仅提高了林分三维场景生成效率，而且实现了林分场景中林木形态具有一定区分度，树枝可以动态调控的特点。可以提高林业研究和相关教学的参与感和认知程度，能够满足基层林业应用需求。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明的基于分解模型库林分三维场景模拟总体技术流程图。
图2为本发明的杉木纹理示意图。
图3为本发明的部分杉木树干三维模型库示意图。
图4为本发明的杉木枝系三维模型库示意图。
图5为本发明的杉木三维模型构建示意图。
图6为本发明的杉木林分三维场景示意图。
图7为本发明的枝系三维模型属性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对发明实施例的限定。
实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，一种分解模型库森林三维场景模拟方法，主要包括分解模型库构建和林木形态结构空间匹配点构建两大方面，其总体技术流程如图1所示。
操作步骤如下所示：
步骤1、分解模型库构建
(1)树干参数模型构建
d＝f(D，H，h)
式中，H表示树高，D表示胸径，h表示树干某一位置的高度，d表示该高度处对应的树干直径。
(2)树干三维模型库构建
使用SpeedTree植物建模软件，根据树种的树干参数模型拟合直径数据，构建树干三维模型库ShuganLib。
(3)枝系三维模型库构建
基于枝系形态结构特征，考虑一级枝的分枝角、枝长和枝径，二级枝的方位角等指标构建枝系三维模型库ZhiyeLib，如表1所示。
表1枝系模型构建指标
Figure BDA0003398670820000041
步骤2、林木形态结构空间匹配点构建
(1)冠形曲线
将树冠分为上下两个部分，建立以树高、冠高、树冠最大宽度、枝下高为特征变量的幂函数冠形曲线，其表达式为：
Figure BDA0003398670820000051
式中，hup、hdown为某方向树冠宽度x对应的树冠高度；
H为树高；Hc为冠高；
Hb为枝下高；β1，β2为冠形指数(1＜β1＜2，1＜β2＜2)，μ1、μ2为与β1、β2的相关参数；
Cr为树冠某方向最大宽度。
(2)分枝仰角：根据具体树种统计一级枝分枝仰角规律。
(3)分枝轮数：以某高度分枝间隔归为一轮，每年生长若干轮，设定分枝轮数为n；
(4)分枝轮位置：以枝下高为最低点，以x为间隔，设一个分枝轮，直到距树顶不大于x为止。表达式如下：
Figure BDA0003398670820000052
式中：Branch_Height为分枝所在轮的高度，
UBH为杉木枝下高，
Interva/为分枝轮间隔距离，
H为树高，
x为区间[0，(H-x)/Interval]内的整数。
(5)分枝生长个数：一级枝各个方向均匀分布，设定林木每轮分枝个数为m个。
(6)分枝长度：基于分枝仰角和分枝轮位置，可以确定二维平面上的一条射线，射线必然与冠形曲线相交于一点，可以求得分枝长度，表达式如下：
Figure BDA0003398670820000061
式中：Branch_Length表示分枝长度，
x表示枝干伸展方向的冠形宽度，
θ表示分枝仰角，
Branch_Height表示分枝高度，
f(x)表示该方向冠形曲线方程。
(7)分枝基径
按照“枝干越长，枝干基径越大”原则，采用以下表达式确认分枝基径：
Branch_d＝ration*Branch_Length/f(h)；
式中：Branch_d表示在树干高度h处的分枝粗细；
ration表示固定的缩放比例；
Branch_Length表示分枝长度；
f(h)树干高度h处的直径。
本发明提出的一种分解模型库林分三维场景模拟方法实现方式简单有效，充分考虑了森林环境中林木形态结构差异，模拟结果满足森林经营可视化模拟所需的交互对象和仿真环境。
实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，一种分解模型库森林三维场景模拟方法，江西山下林场杉木分解模型库林分三维场景模拟实例。
步骤1、数据采集：
从在山下林场选择一个地势较为平坦的杉木林地作为临时样地，样地大小为50m×50m，样地内的杉木为15年生，共计229株。
采集精确的林木相对空间坐标、林木属性数据和纹理图像。
采用常规的测树方法，使用围尺测量林木胸径，使用测高杆和激光测高仪获取林木枝下高、冠幅高和树高，利用塔尺测量林木东南西北四个方向上的冠幅长度。
样地林木调查数据如表2所示，杉木树干和枝系纹理如图2所示。
表2样地统计
Figure BDA0003398670820000071
步骤2、杉木分解模型库构建；
(1)杉木树干参数模型构建
构建树干参数模型的理论基础为曾伟生提出的杉木削度方程，方程表示为：
Figure BDA0003398670820000072
式中：d表示该高度处对应的树干直径，
D表示胸径，
H表示树高，
h表示树干某一位置的高度。
参数C0、C1、C2、C3分别是3.99786、-8.63324、5.11564、0.19384。 (2)杉木树干三维模型库构建
使用Speed Tree构建杉木树干三维模型库，部分树干三维模型库如图 3所示。
(3)枝系三维模型库构建
参考枝系属性构建枝系三维模型，枝系属性如表3所示。
表3枝系三维模型属性
Figure BDA0003398670820000081
一级枝以10度为间隔，从30度到90度，计7个角度；以0.4米为间隔，从0.4米到3.2米，计8个长度；每个角度对应8个长度，构建56个枝系模型，枝系三维模型库如图4所示。
步骤3、杉木形态结构空间匹配点构建：
(1)杉木冠形曲线构建
在描述针叶树种冠形方面，通常采用冠形曲线数学化表达树冠外轮廓。将杉木冠层分为上下两个部分，建立以枝下高、冠高、树高、树冠最大宽度为变量的幂函数冠形曲线，表达式如下：
Figure BDA0003398670820000091
式中，hup、hdown为某方向树冠宽度x对应的树冠高度；
H为树高；
Hc为冠高；
Hb为枝下高；
β1＝2，β2＝2，μ1、μ2为与β1、β1的相关参数；
Cr为树冠某方向最大宽度。
(2)杉木分枝仰角。
将冠长平均分为上中下3层，每层仰角出现的概率符合正态分布。下层一级枝的仰角设为80～100度，中层为60～80度，上层为30～60度。表达式如下：
Figure BDA0003398670820000092
式中：BranchE为一级枝的分枝仰角，
Normal(min°，max°)为从min～max区间随机获取一个角度，且该角度出现的概率服从该区间的正态分布。
(3)杉木分枝生长轮数。
以5cm分枝间隔归为一轮，每年生长轮数为4。
(4)杉木分枝轮位置。
为防止杉木三维模型中出现枝干交叉和重叠问题，经分析，当同方向分枝间距大于0.5m则不存在该问题。因此以杉木枝下高为最低点，以0.5m 为间隔，设一个分枝轮，直到距树顶不大于0.5m为止。
表达式如下：
Figure BDA0003398670820000101
式中：
BranchH为分枝所在轮的高度，
UBH为杉木枝下高，
Interval为分枝轮间隔距离，
H为树高，
x为区间[0,(H-0.5)/Interval]内的整数。
(5)杉木每轮分枝个数及方位角。
杉木一级枝各个方向均匀分布，更加有利于树木对光热水气等的利用。考虑到林分中林木间的竞争影响和枝叶模型渲染效率，本发明设定杉木每轮分枝个数为4个。
(6)杉木分枝长度。
根据分枝仰角和分枝轮位置可以求得分枝长度BranchL。
(7)杉木分枝基径。
根据分枝长度和杉木树干削度方程可以求得树干高度h处的分枝粗细 Branchd。
步骤4、杉木分解模型库生成杉木林分三维场景；
基于杉木形态结构空间匹配点信息，根据分枝倾角和分枝长度从模型库中筛选模型，并微调以配准枝系匹配点，如图5所示。
匹配点表达式如下：
(1)树干匹配点：基于调查获取的杉木坐标(x，y，z)和树高h，得到杉木根部TrunkRootPos和顶点TrunkTopPos的匹配点。
TrunkRootPos＝(x，y，z)；
TrunkTopPos＝(x，y+h，z)；
(2)枝系匹配点：基于分枝仰角、分枝轮位置、分枝轮个数、分枝方位角、分枝长度和分枝基径，得到分枝根部BranchRootPos、分枝顶部 BranchTopPos匹配点。设分枝长度BranchL水平投影为BranchLenV，垂直投影为BranchLenH。
BranchRootPos＝(x，y+BranchH，z)；
BranchLenV＝BranchL*sinθ；
BranchLenH＝BranchL*cosθ；
Figure BDA0003398670820000111
(3)杉木林分三维场景构建
根据调查数据，循环调用相关杉木属性，生成杉木形态结构空间匹配点，并匹配杉木分解模型库中的模型，动态生成杉木林分三维场景，如图 6所示。
从结果可以看出，本发明提出的分解模型库生成林分三维场景的方法效果较好，不仅提高了林分三维场景生成效率，而且实现了林分场景中林木形态具有一定区分度，树枝可以动态调控的特点。可以提高林业研究和相关教学的参与感和认知程度，能够满足基层林业应用需求。
如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种分解模型库森林三维场景模拟方法，其特征在于含有以下步骤：
步骤1、分解模型库构建，构建树干参数模型，构建树干三维模型库，构建枝系三维模型库；
步骤2、林木形态结构空间匹配点构建，确定冠形曲线、分枝仰角、分枝轮数、分枝轮位置、分枝生长个数、分枝长度、分枝基径；
步骤3、根据采集的数据，循环调用相关杉木属性，生成杉木形态结构空间匹配点，并匹配杉木分解模型库中的模型，动态生成杉木林分三维场景。
2.根据权利要求1所述的一种分解模型库森林三维场景模拟方法，其特征在于含有以下步骤：
步骤1、分解模型库构建:
(1)树干参数模型构建：
d＝f(D，H，h)；
式中，H表示树高，D表示胸径，h表示树干某一位置的高度，d表示该高度处对应的树干直径，
(2)树干三维模型库构建：
使用SpeedTree植物建模软件，根据树种的树干参数模型拟合直径数据，构建树干三维模型库ShuganLib，
(3)枝系三维模型库构建：
基于枝系形态结构特征，考虑一级枝的分枝角、枝长和枝径，二级枝的方位角等指标构建枝系三维模型库ZhiyeLib，
步骤2、林木形态结构空间匹配点构建：
(1)冠形曲线：
将树冠分为上下两个部分，建立以树高、冠高、树冠最大宽度、枝下高为特征变量的幂函数冠形曲线，其表达式为：
Figure FDA0003398670810000021
式中，hup、hdown为某方向树冠宽度x对应的树冠高度；
H为树高；Hc为冠高；
Hb为枝下高；β1，β2为冠形指数(1<β1<2，1<β2<2)，μ1、μ2为与β1、β2的相关参数；
Cr为树冠某方向最大宽度，
(2)分枝仰角：根据具体树种统计一级枝分枝仰角规律，
(3)分枝轮数：以某高度分枝间隔归为一轮，每年生长若干轮，设定分枝轮数为n；
(4)分枝轮位置：以枝下高为最低点，以x为间隔，设一个分枝轮，直到距树顶不大于x为止，表达式如下：
Figure FDA0003398670810000022
式中：Branch_Height为分枝所在轮的高度，
UBH为杉木枝下高，
Interval为分枝轮间隔距离，
H为树高，
x为区间[0，(H-x)/Interval]内的整数，
(5)分枝生长个数：一级枝各个方向均匀分布，设定林木每轮分枝个数为m个，
(6)分枝长度：基于分枝仰角和分枝轮位置，可以确定二维平面上的一条射线，射线必然与冠形曲线相交于一点，可以求得分枝长度，表达式如下：
Figure FDA0003398670810000031
式中：Branch_Length表示分枝长度，
x表示枝干伸展方向的冠形宽度，
θ表示分枝仰角，
Branch_Height表示分枝高度，
f(x)表示该方向冠形曲线方程，
(7)分枝基径：
按照“枝干越长，枝干基径越大”原则，采用以下表达式确认分枝基径：
Branch_d＝ration*Branch_Length/f(h)；
式中：Branch_d表示在树干高度h处的分枝粗细；
ration表示固定的缩放比例；
Branch_Length表示分枝长度；
f(h)树干高度h处的直径。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115099004A (zh) * 2022-05-30 2022-09-23 北京林业大学 森林火灾模拟方法、装置、设备和存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103426200A (zh) * 2013-08-26 2013-12-04 天津大学 基于无人机航拍序列图像的树木三维重建方法
CN104166748A (zh) * 2014-05-04 2014-11-26 中南林业科技大学 一种基于关系模型的林分生长建模方法
CN105590313A (zh) * 2015-11-12 2016-05-18 北京林业大学 一种基于主动轮廓模型的森林三维冠层形态结构提取方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103426200A (zh) * 2013-08-26 2013-12-04 天津大学 基于无人机航拍序列图像的树木三维重建方法
CN104166748A (zh) * 2014-05-04 2014-11-26 中南林业科技大学 一种基于关系模型的林分生长建模方法
CN105590313A (zh) * 2015-11-12 2016-05-18 北京林业大学 一种基于主动轮廓模型的森林三维冠层形态结构提取方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZEYU CUI 等: "3D Forest-tree Modeling Approach Based on Loading Segment Models", 《EASYCHAIR PREPRINT》 *
骆钰波 等: "基于地面激光雷达点云数据的森林树高、胸径自动提取与三维重建", 《遥感技术与应用》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115099004A (zh) * 2022-05-30 2022-09-23 北京林业大学 森林火灾模拟方法、装置、设备和存储介质

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