CN115830222A - 一种树木多态性三维建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树木多态性三维建模方法及系统，涉及树木多态性三维建模技术领域，方法包括：获取目标树木的基础性参数；根据目标树木的树高和胸径构建目标树木的主干模型；以目标树木的顶点、四个方向的枝下高和最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在主干模型上构建目标树木的第一冠形曲线；在第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在主干模型的东西南北四个方向的枝下高位置处构建分枝，利用分枝三维模型分别在主干模型的基础型值点位置处构建分枝。本发明以基础型值点采用B样条插值算法构建目标树木的第一冠形曲线，并基于第一冠形曲线得到自然整枝模拟模型和偏冠模拟模型，实现了树木自然整枝和偏冠多态性的模拟。

Description

一种树木多态性三维建模方法及系统

技术领域

本发明涉及树木多态性三维建模技术领域，特别是涉及一种基于B样条插值的树木多态性三维建模方法及系统。

背景技术

树木的形态结构主要由各自基因决定，呈现同一树种有相似形态结构规律的特点。而环境会直接对树木的生长造成影响，导致树木形态结构在该树种特点的基础上，呈现多样性，树木多态性的表现形式有很多，包括：自然整枝、偏冠、冠形差异、断梢、主干弯曲等，通过调查数据，对这些形式进行三维可视化模拟，可以进一步提高树木三维模型对树木形态结构的模拟。其中自然整枝的发生是由树木分枝枯死造成，是枝下高变化的表现结果；偏冠以及冠形差异是树冠形态在该树种一般形态规律的基础上，由于周围空间的竞争挤压，造成树冠形态呈现向一侧偏移或者出现不规则凹凸的结果。因此，对树木的自然整枝和偏冠这一多态性形式进行模拟是树木三维建模的难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种树木多态性三维建模方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种树木多态性三维建模方法，包括：

获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度；

根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型；

以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线；

在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型；

在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

可选地，在所述根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型之后，还包括：

获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点；

以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线；

在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

可选地，所述获取所述目标树木的基础性参数，具体包括：

获取所述目标树木的第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅和第一相对位置坐标；所述第一相对位置坐标为所述目标树木相对于参考点的相对位置坐标；所述参考点为距离所述目标树木预设距离的空旷处一点；

获取每一参考树木的第二树高、第二胸径、与所述目标树木相邻方向的第二冠幅和第二相对位置坐标；所述参考树木为位于所述目标树木参考方向的若干个相邻树木；所述参考方向为东西南北四个方向；

对于任一所述参考方向，根据所述第一相对位置坐标、位于所述参考方向的各所述参考树木的第二相对位置坐标得到所述目标树木的第一相对树高、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二相对树高以及所述目标树木与位于所述参考方向的每一所述参考树木的水平相对距离；

根据所述第一相对树高、位于所述参考方向的所述参考树木的数量、位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述第二相对树高和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的垂直空间结构参数；

根据所述第一胸径、所述参考方向的第一冠幅、第二胸径、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二冠幅、位于所述参考方向的所述参考树木的数量和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的水平空间结构参数；

根据所述第一树高、所述参考方向的垂直空间结构参数、所述参考方向的水平空间结构参数，利用枝下高模型计算所述参考方向的枝下高；

根据所述第一树高和所述参考方向的垂直空间结构参数，利用最大冠幅处高度模型计算所述参考方向的最大冠幅处高度；所述第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅、所述参考方向的枝下高和所述参考方向的最大冠幅处高度构成所述基础性参数。

可选地，选取东西南北任一方向测量所述目标树木的实际枝下高和实际最大冠幅处高度，利用枝下高模型计算除选取方向外的三个参考方向的枝下高，利用最大冠幅处高度模型计算除选取方向外的三个参考方向的最大冠幅处高度。

可选地，所述枝下高模型的公式为：

dirHb＝H/(1+e^{a+b*DBH-c*dirPH-d*dirPV})

其中，dirHb为参考方向的枝下高；H为第一树高；DBH为第一胸径；e为以自然常数e为底的指数函数；dirPH为参考方向的水平空间结构参数；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c、d为枝下高模型参数。

可选地，所述最大冠幅处高度模型的公式为：

dirCr＝a+b*H+c*dirPV

其中，dirCr为参考方向的最大冠幅处高度；H为第一树高；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c为最大冠幅处高度模型参数。

本发明还提供一种树木多态性三维建模系统，包括：

基础性参数获取模块，用于获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度；

主干模型构建模块，用于根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型；

第一冠形曲线构建模块，用于以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线；

自然整枝模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型；

偏冠模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

可选地，所述系统还包括：冠形差异模拟模型构建模块；所述冠形差异模拟模型构建模块包括树冠形态突变点获取单元、第二冠形曲线构建单元和冠形差异模拟模型构建单元；

所述树冠形态突变点获取单元，用于获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点；

所述第二冠形曲线构建单元，用于以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线；

所述冠形差异模拟模型构建单元，用于在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的树木多态性三维建模方法及系统，包括：获取目标树木的基础性参数；基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度；根据目标树木的树高和胸径构建目标树木的主干模型；以目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在主干模型上构建目标树木的第一冠形曲线；在第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在主干模型的东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到目标树木的自然整枝模拟模型；在第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在主干模型的基础型值点位置处构建第二分枝，得到目标树木的偏冠模拟模型。本发明以基础型值点采用B样条插值算法构建目标树木的第一冠形曲线，并基于第一冠形曲线得到自然整枝模拟模型和偏冠模拟模型，实现了树木自然整枝和偏冠多态性的模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的树木多态性三维建模方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的样地现场图片；

图3为本发明实施例1提供的主干模型示意图；

图4为本发明实施例1提供的基础型值点示意图；

图5为本发明实施例1提供的第一冠形曲线图；

图6为本发明实施例1提供的具体形态特征点示意图；

图7为本发明实施例1提供的第二冠形曲线图；

图8为本发明实施例1提供的分枝三维模型示意图；

图9为本发明实施例1提供的基于基础型值点的树木多态性三维模拟示意图；

图10为本发明实施例1提供的基于具体形态特征点的树木多态性三维模拟示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种树木多态性三维建模方法及系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种树木多态性三维建模方法，参见图1，所述方法包括：

S1：获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度。

S2：根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型。

S3：以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线.

S4：在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型。

S5：在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

在本实施例中，为了对树木多态性进行更加精细的模拟，在所述根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型之后，本实施例还包括以下步骤S6：

S61：获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点。

S62：以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线。

S63：在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

在本实施例中，步骤S1具体包括：

S11：获取所述目标树木的第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅和第一相对位置坐标；所述第一相对位置坐标为所述目标树木相对于参考点的相对位置坐标；所述参考点为距离所述目标树木预设距离的空旷处一点。

S12：获取每一参考树木的第二树高、第二胸径、与所述目标树木相邻方向的第二冠幅和第二相对位置坐标；所述参考树木为位于所述目标树木参考方向的若干个相邻树木；所述参考方向为东西南北四个方向。其中，参考树木与所述目标树木的相邻方向指的是：基于参考树木，参考树木与目标树木相邻的一侧的方向，例如，参考树木位于目标树木的东侧，那么测量所述参考树木西侧的冠幅作为第二冠幅。将此方向的第二冠幅用于计算参考方向的水平空间结构参数。

S13：对于任一所述参考方向，根据所述第一相对位置坐标、位于所述参考方向的各所述参考树木的第二相对位置坐标得到所述目标树木的第一相对树高、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二相对树高以及所述目标树木与位于所述参考方向的每一所述参考树木的水平相对距离。

S14：根据所述第一相对树高、位于所述参考方向的所述参考树木的数量、位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述第二相对树高和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的垂直空间结构参数。

S15：根据所述第一胸径、所述参考方向的第一冠幅、第二胸径、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二冠幅、位于所述参考方向的所述参考树木的数量和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的水平空间结构参数。

S16：根据所述第一树高、所述参考方向的垂直空间结构参数、所述参考方向的水平空间结构参数，利用枝下高模型计算所述参考方向的枝下高。

S17：根据所述第一树高和所述参考方向的垂直空间结构参数，利用最大冠幅处高度模型计算所述参考方向的最大冠幅处高度；所述第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅、所述参考方向的枝下高和所述参考方向的最大冠幅处高度构成所述基础性参数。

下面以江西省亚林中心山下林场一块20m*20m共有56株杉木的样地为例，对基础性参数的获取过程进行介绍：

如图2所示，为本实施例选取的样地现场图片。测量样地内树木的胸径、树高、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高以及东西南北四个方向的最大冠幅处高度，并测量样地杉木的相对位置坐标(X，Y，Z)。样地内杉木测量基本数据如表1所示：

表1样地杉木测量基本数据

类型	树高(m)	胸径(cm)	枝下高(m)	最大冠幅处高度(m)	冠幅(m)
						最大值	28.3	34.2	14.2	17.0	3.8
最小值	9.6	9.3	4.9	8.6	0.4
						平均值	17.0	20.4	8.3	13.1	1.9

胸径是胸高直径的简称，胸高定为地面以上1.3米高处。枝下高指地面到树冠第一个树枝分枝点的距离。为了表现不同方向树冠形态的差异，冠幅为东西南北四个方向分别对应的树冠最大长度，因此最大冠幅处高度指东西南北每个方向冠幅对应的高度，每棵树有四个。样地杉木位置通过全站仪测量。在距离目标树木预设距离的空旷处选一参考点，通过RTK获取水平方向精确位置(X，Y)，高度设置为0。通过全站仪将精确的水平坐标和相对高度引到森林中，测量目标树木相对于参考点的第一相对位置坐标(X_i，Y_i，Z_i)以及参考树木相对于参考点的第二相对位置坐标(X_j，Y_j，Z_j)，Z_i即第一树高，Z_j即第二树高，根据目标树木在水平面上的坐标(X_i，Y_i)和参考树木在水平面上的坐标(X_j，Y_j)计算得到目标树木与参考树木的水平相对距离。水平方向为真实位置，垂直方向为相对空旷地面的相对高度。选取一树木作为目标树木，其在一参考方向的若干相邻树木为目标树木的参考树木。因为相邻木之间存在空间竞争的关系，互相之间会有树冠挤压、遮挡的影响，会对枝下高和最大冠幅处高度造成影响。因此通过相邻木构建每株树的空间结构单元，计算空间结构单元内的垂直空间结构参数和水平空间结构参数。

对于每一参考方向：

通过上述测量得到的目标树木以及目标树木参考方向参考树木的相对位置坐标，得到目标树木的第一相对树高，以及目标树木参考方向每一参考树木的水平相对距离和第二相对树高。将得到的参数带入下面公式中计算得到参考方向的垂直空间结构参数：

其中，Pvi为参考方向的垂直空间结构参数；n为该参考方向参考树木的数量；Hjr为参考方向参考树木的第二相对树高；Hir为第一相对树高；dij为位于第i颗目标树木所述参考方向的第j颗参考树木的水平相对距离；i表示目标树木的标号，i＝1，2，3...；j表示参考树木的标号，j＝1，2，3...。

根据下式计算得到参考方向的水平空间结构参数：

其中，PHi为参考方向的水平空间结构参数；CWi表示目标树木参考方向的第一冠幅；CWj表示参考方向参考树木与所述目标树木相邻方向的第二冠幅；DBHi和DBHj分别为第一胸径和第二胸径。

在得到四个方向的水平空间结构参数和垂直空间结构参数后，利用枝下高模型分别计算东西南北四个方向的枝下高，其中所述枝下高模型的公式为：

dirHb＝H/(1+e^{a+b*DBH-c*dirPH-d*dirPV})

其中，dirHb为参考方向的枝下高；H为第一树高；DBH为第一胸径；e为以自然常数e为底的指数函数；dirPH为参考方向的水平空间结构参数；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c、d为枝下高模型参数，由样地数据带入拟合获得。

根据计算得到的东西南北四个方向的垂直空间结构参数，利用最大冠幅处高度模型分别计算东西南北四个方向的最大冠幅处高度，所述最大冠幅处高度模型的公式为：

dirCr＝a+b*H+c*dirPV

其中，dirCr为参考方向的最大冠幅处高度；H为第一树高；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c为最大冠幅处高度模型参数，由样地数据带入拟合获得。

PV表示林分中相邻木之间的相互遮挡程度，PH表示相邻木之间树冠相互挤压程度。为了获得不同方向空间竞争强度的差异，此处的PV、PH都是分别计算东西南北等四个方向中单一方向的参数。PV、PH都是在每株中心木的整个空间结构单元内进行计算。

需要说明的是，三维模型要基于实际测量数据，因此每株树的建模参数需要包括实测数据。在本实施例中，选取每株树整体中最低枝下高活枝的方向作为枝下高的实测方向，选取四个方向冠幅所在分枝分布高度最低一侧的方向作为最大冠幅处高度的实测方向。然后利用枝下高模型计算除选取方向(实测方向)外的三个参考方向的枝下高，利用最大冠幅处高度模型计算除选取方向外的三个参考方向的最大冠幅处高度。

然后，根据上述测量得到目标树木的树高和胸径构建目标树木的主干模型，本实施例中，主干模型的胸径是实际测量的，其他位置的直径则是根据用户的需要定义。如图3所示。

在本实施例中，选取冠形曲线的构建可以根据三维建模针对的范围以及树木形态模拟精细程度分为基础型值点拟合的冠形曲线和根据具体形态特征点拟合的冠形曲线。针对范围指建模数量的规模范围包括两种，一是大规模(上千株及以上)树木模型构建，二是小规模少量树木模型构建。当需要大规模构建或者只需表现一些基础的形态差异实现树木之间形态差异表现，包括枝下高差异，偏冠等时，选择构建基础型值点拟合的冠形曲线。当小规模建模或者需要对树冠整体形态细节进行详细表现时，选择构建根据具体形态特征点拟合的冠形曲线。

选取目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，例如图4，以东西方向为例对选取的基础型值点说明，图中圆点为基础型值点，H为第一树高，Crw为西侧最大冠幅处高度，Hbw为西侧枝下高，Cre为东侧最大冠幅处高度，Hbe为东侧枝下高。

将基础型值点(测量数据以及计算所得东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度数据)带入插值函数中，按照东西、南北两个方向进行曲线拟合，得到第一冠形曲线。由于B样条插值中的基样条插值，需要满足等距采集型值点的要求，而基础型值点的分布存在随机性，因此选取B样条插值的一般形式，作为插值函数，进行冠形曲线的构建，B样条插值函数的公式如下：

其中，B_i3(t)为冠形曲线上基础型值点的纵坐标，t表示基础型值点的横坐标；t_i表示第i个基础型值点的横坐标，t_i+1表示第i+1个基础型值点的横坐标，t_i+2表示第i+2个基础型值点的横坐标，t_i-2表示第i-2个基础型值点的横坐标，t_i-1表示第i-1个基础型值点的横坐标。上述基础型值点的坐标是以主干最底部中心作为原点，主干作为y轴得到的。

其中，经典追赶法只能求解三对角阵，本式拆分的方程组的系数矩阵不满足三对角，但形式与其相似，在三对角阵的形式基础上，右上角和左下角有两个值，所以以追赶法的思路对上述B样条插值函数进行求解，得到基于基础型值点拟合的第一冠形曲线，得到的第一冠形曲线如图5所示。

为了更精细地对树木多态性进行模拟，对于树冠形态的模拟不但需要基础型值点作为冠形约束，还需要测量采集每株树的树冠形态突变点，进行基于具体形态特征点拟合冠形曲线。如图6所示，为本实施例选取的具体形态特征点(即图中圆点)。将所有具体形态特征点带入B样条插值函数，以追赶法进行求解，得到第二冠形曲线，通过东西、南北两个方向的冠形曲线约束，对树冠的形态进行模拟，如图7所示为东西两个方向的第二冠形曲线。

下面对自然整枝模拟模型、偏冠模拟模型和冠形差异模拟模型的构建过程进行介绍：

1、自然整枝模拟模型

自然整枝的表现形式为树木不同方向枝下高的分布差异，第一冠形曲线，在每个方向枝下高处型值点构建一级分枝着枝点，在本实施例中，主干模型上每个方向枝下高位置处为第一分枝着枝点，利用分枝三维模型在主干模型东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型。在本实施例中，在利用分枝三维模型构建分枝时，每一分枝相对于主干的仰角均在30-100度之间选取。分枝三维模型如图8所示。

2、偏冠模拟模型

偏冠现象是树木生长过程中，树冠不同方向受到挤压竞争的强度不同，呈现对侧方向树冠宽度不一致，向一侧凸出的现象。第一冠形曲线对树冠轮廓进行约束，利用上述分枝三维模型分别在主干模型的基础型值点位置处构建第二分枝，得到目标树木的偏冠模拟模型。

本实施例采用样地数据作为基础型值点得到的树木多态性三维模拟如图9所示。由图9可见，树1、2、3、4和5为在样地中选取的5棵树，在样地中所构建的树木三维模型虽然不能模拟详细的树冠形态，但是，对于枝下高差异、树木偏冠以及由此造成的冠形差异都可以表现，实现了树木多态性的基本模拟。在大规模构建树木模型时，可以实现基于简便的基础调查数据，模拟树木树冠的自然整枝、偏冠以及冠形差异等多态性。

3、冠形差异模拟模型

冠形差异是树木受到环境的交互影响，树冠形态在该树种一般冠形的基础上，呈现出形态不规则突变的结果。利用上述分枝三维模型分别在主干模型的具体形态特征点位置处构建第二分枝，得到目标树木的冠形差异模拟模型。

如图10所示，样地模拟前排树的型值点以及第二冠形曲线进行可视化表达，可见，前排的7株树树冠形态由于受到空间竞争的影响，每株树的树冠整体形态差异很大，不但可以模拟自然整枝和偏冠情况，对于冠形差异细节更是进行了详细的表达。对比基于基础型值点数据拟合的冠形曲线结果，以具体形态特征点进行模拟的模拟结果对于树冠形态的模拟更加接近真实树冠，模拟结果更加符合林学规律。

至此完成基于B样条插值的树木冠形曲线构建以及树木自然整枝、偏冠、冠形差异等多态性形式模拟的三维模拟的全部过程。

本发明提出了一种基于B样条插值的树木多态性三维建模方法，模拟树木自然整枝、偏冠以及冠形差异等树木多态性表现形式，弥补目前树木三维模型对于树木多态性模拟不足的问题，为模拟树木多态性提供技术支持，充分考虑了林分空间中树木形态特征，实现了虚拟环境中考虑空间竞争影响的树冠形态结构的模拟，为树木生长可视化模拟、森林经营可视化模拟提供更加真实、更加符合林学规律、更符合林业应用需求的基础三维模型。本实施例的树木多态性三维建模可以根据数据源情况、建模规模大小以及建模目的等，选择基于基础型值点的模拟方法和基于具体型值点的B样条插值建模方法，构建的树木多态性三维模型满足森林可视化模拟研究的应用需求。

实施例2

本实施例提供了一种树木多态性三维建模系统，所述系统包括：

基础性参数获取模块，用于获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度。

主干模型构建模块，用于根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型。

第一冠形曲线构建模块，用于以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线。

自然整枝模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型。

偏冠模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

在本实施例中，所述系统还包括：冠形差异模拟模型构建模块；所述冠形差异模拟模型构建模块包括树冠形态突变点获取单元、第二冠形曲线构建单元和冠形差异模拟模型构建单元。

所述树冠形态突变点获取单元，用于获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点。

所述第二冠形曲线构建单元，用于以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线。

所述冠形差异模拟模型构建单元，用于在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种树木多态性三维建模方法，其特征在于，包括：

获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度；

根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型；

以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线；

在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型；

在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

2.根据权利要求1所述的树木多态性三维建模方法，其特征在于，在所述根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型之后，还包括：

获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点；

以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线；

在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

3.根据权利要求1所述的树木多态性三维建模方法，其特征在于，所述获取所述目标树木的基础性参数，具体包括：

获取所述目标树木的第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅和第一相对位置坐标；所述第一相对位置坐标为所述目标树木相对于参考点的相对位置坐标；所述参考点为距离所述目标树木预设距离的空旷处一点；

获取每一参考树木的第二树高、第二胸径、与所述目标树木相邻方向的第二冠幅和第二相对位置坐标；所述参考树木为位于所述目标树木参考方向的若干个相邻树木；所述参考方向为东西南北四个方向；

对于任一所述参考方向，根据所述第一相对位置坐标、位于所述参考方向的各所述参考树木的第二相对位置坐标得到所述目标树木的第一相对树高、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二相对树高以及所述目标树木与位于所述参考方向的每一所述参考树木的水平相对距离；

根据所述第一相对树高、位于所述参考方向的所述参考树木的数量、位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述第二相对树高和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的垂直空间结构参数；

根据所述第一胸径、所述参考方向的第一冠幅、第二胸径、位于所述参考方向的每一所述参考树木的第二冠幅、位于所述参考方向的所述参考树木的数量和位于所述参考方向的每一所述参考树木的所述水平相对距离，计算得到所述参考方向的水平空间结构参数；

根据所述第一树高、所述参考方向的垂直空间结构参数、所述参考方向的水平空间结构参数，利用枝下高模型计算所述参考方向的枝下高；

根据所述第一树高和所述参考方向的垂直空间结构参数，利用最大冠幅处高度模型计算所述参考方向的最大冠幅处高度；所述第一树高、第一胸径、东西南北四个方向的第一冠幅、所述参考方向的枝下高和所述参考方向的最大冠幅处高度构成所述基础性参数。

4.根据权利要求3所述的树木多态性三维建模方法，其特征在于，选取东西南北任一方向测量所述目标树木的实际枝下高和实际最大冠幅处高度，利用枝下高模型计算除选取方向外的三个参考方向的枝下高，利用最大冠幅处高度模型计算除选取方向外的三个参考方向的最大冠幅处高度。

5.根据权利要求3所述的树木多态性三维建模方法，其特征在于，所述枝下高模型的公式为：

dirHb＝H/(1+e^{a+b*DBH-c*dirPH-d*dirPV})

其中，dirHb为参考方向的枝下高；H为第一树高；DBH为第一胸径；e为以自然常数e为底的指数函数；dirPH为参考方向的水平空间结构参数；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c、d为枝下高模型参数。

6.根据权利要求3所述的树木多态性三维建模方法，其特征在于，所述最大冠幅处高度模型的公式为：

dirCr＝a+b*H+c*dirPV

其中，dirCr为参考方向的最大冠幅处高度；H为第一树高；dirPV为参考方向的垂直空间结构参数；a、b、c为最大冠幅处高度模型参数。

7.一种树木多态性三维建模系统，其特征在于，包括：

基础性参数获取模块，用于获取目标树木的基础性参数；所述基础性参数包括树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度；

主干模型构建模块，用于根据所述目标树木的树高和胸径构建所述目标树木的主干模型；

第一冠形曲线构建模块，用于以所述目标树木的顶点、东西南北四个方向的枝下高和东西南北四个方向的最大冠幅处高度作为基础型值点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第一冠形曲线；

自然整枝模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用分枝三维模型分别在所述主干模型的所述东西南北四个方向的枝下高位置处构建第一分枝，得到所述目标树木的自然整枝模拟模型；

偏冠模拟模型获取模块，用于在所述第一冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述基础型值点位置处构建第二分枝，得到所述目标树木的偏冠模拟模型。

8.根据权利要求7所述的树木多态性三维建模系统，其特征在于，还包括：冠形差异模拟模型构建模块；所述冠形差异模拟模型构建模块包括树冠形态突变点获取单元、第二冠形曲线构建单元和冠形差异模拟模型构建单元；

所述树冠形态突变点获取单元，用于获取所述目标树木的若干个树冠形态突变点；所述树冠形态突变点表征所述目标树木在环境影响下出现的不规则凹凸点；

所述第二冠形曲线构建单元，用于以所述目标树木的所述树冠形态突变点和所述基础型值点作为具体形态特征点，采用B样条插值算法在所述主干模型上构建所述目标树木的第二冠形曲线；

所述冠形差异模拟模型构建单元，用于在所述第二冠形曲线的约束下，利用所述分枝三维模型分别在所述主干模型的所述具体形态特征点位置处构建第三分枝，得到所述目标树木的冠形差异模拟模型。

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