CN117828699B - 一种乔木部位构型和生长模拟的智慧lim乔木模型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风景园林设计技术领域，公开了一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，包括：树型构建参数模块，用于根据指定乔木的特性，选定相应的壳状模型构建对应封装形式；环境限制因素模块，用于获取针对壳状模型的环境限制因子；生长模拟模块，用于根据配置的生长时间和环境限制因子以及预设生长函数对壳状模型的参数进行调整；可视化模块，生成代表指定乔木的Revit族；乔木模型通过树冠、树干和根系的构型与生长功能，使得模型更加准确和真实，不仅限于展示，还可以根据树龄和环境限制因子动态调整，更好地反映乔木的生长和空间需求；Revit族模型可以与提供本地区内外苗木商品信息的植物数据库连接使用，增强了模型实用性。
Description
技术领域
本发明涉及风景园林设计技术领域，具体涉及一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统。
背景技术
风景园林信息模型(Landscape Information Modeling，LIM)是风景园林行业信息化发展的重要路径；LIM是创建并利用数字化模型对风景园林工程项目的设计、建造和运营全过程，进行管理和优化的过程方法和技术；LIM技术的内涵不仅是一种构建数字模型的技术，而且是应用技术的方法体系和实施方法体系的过程。
高精度的3D乔木模型通常是用植物建模工具或3D建模软件的插件通过参数化方法建模而成，但是它们向LIM环境转移过程中会丧失参数化能力。轮廓旋转形成的实体则无法通过参数灵活地控制形状变化，因此无法根据数据源建造区别树种形态的模型。
上述种类的乔木模型都存在不足，大部分无法表现树冠或根系体积。其中，CSArtisanRV可在树木的全部分枝范围基础上增加2m作为根系的区间范围，但是无法提供树冠的体积；该模型应用了生长函数，但是仅限于高度和分枝范围的等比缩放。由于目前尚无公认的国际标准，分类和参数仅有国别标准，因此模型库中的模型来自不同的来源，且文件格式和分类也不尽相同，这不利于工程算量和施工组织等LIM相关功能的实现。冲突检查功能的实现也受到限制，只有轮廓旋转形成的实体模型能够有限地实现此功能。绩效分析功能由于模型参数不全及软件功能缺失而受限，例如碳汇信息的缺失等。而且施工组织安排和工地管理方面的性能分析功能完全缺失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，解决以下技术问题：
如何提供能够表达乔木生长和空间需求的功能，能够进行冲突检查的LIM乔木模型系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，包括：
树型构建参数模块，用于根据指定乔木的特性，选定相应的壳状模型构建对应封装形式；
环境限制因素模块，用于获取针对所述壳状模型的环境限制因子；
生长模拟模块，用于根据配置的生长时间和所述环境限制因子以及预设生长函数对所述壳状模型的参数进行调整；
可视化模块，生成代表所述指定乔木的Revit族；
所述壳状模型用于展示所述指定乔木的树冠构型、树干构型和根系构型，所述壳状模型的参数项目包括控制点和形状因子，所述控制点和所述形状因子用于调整所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型的形态。
作为本发明进一步的方案：所述Revit族包括非对称壳状模型、对称通用乔木模型和树种类型乔木模型；
所述非对称壳状模型，基于6个所述控制点和2个所述形状因子及胸径值来描述所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型；
所述对称通用乔木模型，基于基础树型和基本生长特点构建；
所述树种类型乔木模型，基于通用模型和历史树木类型参数进行构建。
作为本发明进一步的方案：所述预设生长函数描绘变量随时间变化的增长情况，选择Chapman-Richards生长函数。
作为本发明进一步的方案：所述Chapman-Richards生长函数的简介形式为：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k*ti))p
其中，h(t)为树干高度，hmax为成熟值，k为最大相对生长速率，ti为最大增量对应的树龄，p为生长参数。
作为本发明进一步的方案：所述Chapman-Richards生长函数的简介形式为：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k/ti/(d(d/d-1))))1/1-d
其中，h(t)为树干高度，hmax为成熟值，k为最大相对生长速率，ti为最大增量对应的树龄，d(d/d-1)为最大增量的相对值，d为异速生长参数。
本发明的有益效果：本发明的乔木模型通过树冠、树干和根系的构型与生长功能，使得模型更加准确和真实，不仅限于展示，还可以根据树龄和环境限制因子动态调整，更好地反映乔木的生长和空间需求；生成的Revit族模型可以与提供本地区内外苗木商品信息的植物数据库连接使用，增强了模型实用性，适用于风景园林实践领域。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中非对称壳状模型中树冠封装的原理性示意图；
图2为本发明中不同乔木模型的轮廓示例图；
图3为本发明中应用不同生长函数的乔木生长示意图；
图4为本发明实施例中欧洲小叶椴的生长函数构建示例图；
图5为本发明实施例中欧洲小叶椴的植物标准规格和树龄数据；
图6为本发明实施例中欧洲小叶椴的树龄和相对规格质检的关系图；
图7为本发明中的乔木模型应用于LIM的冲突检查功能示意图；
图8为本发明中的Revit族与渲染资源关联前后的示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
LIM乔木模型必备特点：
(1)在关键尺寸和数据方面完整准确，以达到设计意图和阶段要求，细节层级(LoD)描述每个设计阶段所需的数据和几何形状，在早期设计阶段，具有可用的通用模型；
(2)与通用对象兼容，解决通用对象和专有对象区分不清的问题；
(3)模型内建于用于优化性能的软件之中；
(4)继承自高阶对象的模型信息归类正确，从而可在对象存储和过滤中加以搜索，实现工期安排和模型对比等功能；
(5)实现正确托管，解决与其他对象的关联位置问题及上级托管对象与对象本身不能同时显示的问题；
(6)具有独一性，可避免模型的混淆、不一致和数据量冗余；解决单一模型多次应用影响图纸输出、工期安排和分析结果正确率的问题；
(7)聚焦于LIM功能，而不是逼真的图像可视化或与LIM不相关的数据和几何形体。
从LIM乔木模型的具体要求来看，模型还需要能够反映乔木的生长、分布区域、苗木存圃量和规格等。因此，模型对象需要满足以下要求：
参数化的要求，即在单一模型中反映植物随树龄、季节动态变化的自然属性，受修剪整形等养护管理的影响，受限于资源和气候的环境属性；
本地化的要求，即与所在国苗圃组织认可的行业标准对应；
信息化的要求，即可以与其他植物数据库连接，对非LIM相关信息使用高级查询功能进行查询；用户从而可以根据特定生态、功能、美学要求缩小植物的搜索范围，在信息支持下作出决策。
请参阅图1所示，本发明为一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，包括：
树型构建参数模块，用于根据指定乔木的特性，选定相应的壳状模型构建对应封装形式；
环境限制因素模块，用于获取针对所述壳状模型的环境限制因子；
生长模拟模块，用于根据配置的生长时间和所述环境限制因子以及预设生长函数对所述壳状模型的参数进行调整；
可视化模块，生成代表所述指定乔木的Revit族；
所述壳状模型用于展示所述指定乔木的树冠构型、树干构型和根系构型，所述壳状模型的参数项目包括控制点和形状因子，所述控制点和所述形状因子用于调整所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型的形态。
本发明的乔木模型通过树冠、树干和根系的构型与生长功能，使得模型更加准确和真实，不仅限于展示，还可以根据树龄和环境限制因子动态调整，更好地反映乔木的生长和空间需求；生成的Revit族模型可以与提供本地区内外苗木商品信息的植物数据库连接使用，增强了模型实用性，适用于风景园林实践领域。
综上，在本发明的实施例中，以某一指定乔木为例，首先通过树型构建参数模块选择一种可以描述该指定乔木的非对称形态的封装形式，使用便于理解的参数和通用的生长函数，为该品种的指定乔木提供封装形式，并应用便于理解的参数和通用的异速生长函数来构建模型。选择和定义若干生长公式以计算随树龄变化而变化的树木形态和体积，反映特定乔木树种的基本形态特点。定义每个设计阶段所需的信息，即LoD。在Dynamo的可视化编程环境中测试所提出的建模方法并导出Revit族。
采用非对称壳状模型进行树冠封装时，如图1左边部分所示，其使用6个方向上的6个控制点和2个控制其线型曲度的形状因子进行定义；如图1右边部分所示，模型采用易于控制的参数，可以生成各种树冠的真实形状。
其中，4个控制点在树冠的最大宽度处定义了一条圆周线L，将树冠分成上冠(受光的)和下冠(荫蔽的)。该点在XY平面中由4个1/4椭圆和内插高度(Z)连接。L上的点由角度为cT和cB的超椭圆曲线与上下顶点相连。
相较于由一组轮廓线定义的挤压壳状模型，如不可变的树冠轮廓方程或与样条曲线关联的蒙皮壳状模型，这种6个控制点加2个形状因子的参数更易于获取和组织。
如图2所示，对于对称性的理想树形，该参数集可以用林业和苗圃中使用的参数和数据进行校准。可以认为形状参数在乔木的生命周期中是一致的，且根据树种具有遗传性。因此树木特定年龄下的树冠形状可通过计算获得，可以看作为一种沿法线旋转轮廓生成的对象，其高度和分枝范围随时间按函数变化。这种模型可以拓展到根系系统，从而基于典型根系形态和生长公式的信息表述树冠与根系的关系，
作为本发明进一步的方案：所述预设生长函数描绘变量随时间变化的增长情况，选择Chapman-Richards生长函数，其为森林生长模拟中使用最为广泛的函数，在场地索引建模过程中具有很高的预测准确率和实操性。
所述Chapman-Richards生长函数的简介形式为：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k*ti))p
其中，h(t)为树干高度，hmax为成熟值，k为最大相对生长速率，ti为最大增量对应的树龄，p为生长参数。
为直接解释观察到的生长模式的重要特征，该函数可写作如下形式：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k/ti/(d(d/d-1))))1/1-d
其中，d(d/d-1)为最大增量的相对值，d为异速生长参数，生长曲线可通过已知值的迭代非线性回归拟合生成。已知值可以从那些已被完善地加以记录的R数据组中获得，参数hmax、k和ti可以根据实际经验认知确定。
LIM乔木模型在Dynamo和Revit族中的实现：
第一阶段开发在Dynamo可视化编程环境中对算法进行测试，并开发Civil3D的.Net应用，以验证开发概念的可行性。
第二阶段开发聚焦于面向风景园林师的Revit应用。
第三阶段开发创建两种全功能的通用族，以及多个常用树种的族和参数集。随着参数集增加，将会对这些信息加以组织、构建数据库，并将其与现有的植物数据库进行关联。
(1)Dynamo环境中针对算法和参数的测试
本方案用于测试非对称壳体模型和Chapman-Richards生长函数的Dynamo脚本。Dynamo环境允许对结果进行即时可视化控制，允许使用不同的参数和算法进行实验。结果表明，非对称壳体和Chapman-Richards生长函数可以在Autodesk的设计软件中应用。
实验发现，高度、分枝和根深需要不同的生长公式。如图3所示，可以通过设置三者之间不同的异速生长关系实现树木生长的模拟。
本方案根据下列开发层级数据，分别开发三类模型族，所述Revit族包括非对称壳状模型、对称通用乔木模型和树种类型乔木模型；
所述非对称壳状模型，基于6个所述控制点和2个所述形状因子及胸径值来描述所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型；另附树木学专家提供的资料，以便编制树木保护计划、树木调查表、移植计划等，相关信息包括：编号、常用名和拉丁名、防护等级、健康状况、移除/保留/预留；
所述对称通用乔木模型，基于基础树型和基本生长特点构建；该族具有基于乔木高度、直径、枝下高、根深和异速生长系数的对称树冠，参数包括：最大直径的相对位置、高度/胸径、根/冠、冠的2个形状参数、1个根的形状参数。这个族具有植物的通用类型及相关的参数集，例如慢生、中等高度、窄圆锥形和常绿阔叶树。其夏季和秋季的叶色外观和枝下高可以根据实际情况分别调整；
所述树种类型乔木模型，基于通用模型和历史树木类型参数进行构建，该族的信息包括常用名、拉丁名、链接到植物数据库的规格特征和生长变化特征，即25年生树木的参考规格、最终规格、生长速率、形状因子和异速生长系数等；还包括苗圃可供货的苗木规格，产出因子等；
具体的，以欧洲小叶椴为例，创建参数集：
选择中等生长速度的欧洲小叶椴进行模型构建示例，此乔木在欧洲和北美作为苗圃产品有广泛应用。形状参数可以很方便地从乔木的剪影图片中估算出来。如图4所示，用2条各带3个控制向量且转角位置以矩形封闭的样条曲线替代超椭圆曲线将树冠轮廓勾出。中点控制向量直接与超椭圆的形状因子关联。2个端点的权重设为1.0，中点权重随曲率变化，例如0.5是直线，1.0是椭圆。
如图5所示，小叶椴树的生长曲线参考了根据2012年巴伐利亚林业蓄材量数据生成的曲线，从文献和植物数据库(如瑞士园林数据库)搜集的植物标准规格数据，以及苗圃所出售的乔木规格与树龄。最大相对生长速率k和达到极值的时间可以从乔木苗圃的产品中获得，同时将最终高度(40m)乘以产出因子(0.625)降低到25m。从kmax和d的值可根据算法获得k和p的值。树冠分枝与根系的生长曲线在高度生长曲线的基础上获得，如下表所示。
| max | p | k | |
| Height | 25.00 | 1.022 | 0.027 |
| Spread | 10.00 | 2.000 | 0.020 |
| Depth | 2.00 | 1.111 | 0.065 |
其中，如图6所示，根系因其生长过程较早达到适宜发根的深度，需相应调节曲线拐点位置。
小叶椴树的外置信息和苗木信息是模型运行冲突检查、绩效分析、工程算量和施工组织所必需的。如图7所示，从已有的植物数据库中获得这些信息(本文采用数据来自瑞士园林数据库)，并实现了针对乔木的冲突检查功能。
由于这些乔木模型为满LIM能力和进行快速处理而设计，不适用于可视化。因此，将渲染资源与Revit族相关联，如下图8所示，可以在渲染环境中使用高分辨率乔木渲染模型自动覆盖或替换LIM乔木模型，而不会使LIM模型过于冗余。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.一种乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，其特征在于，包括：
树型构建参数模块，用于根据指定乔木的特性，选定相应的壳状模型构建对应封装形式；
环境限制因素模块，用于获取针对所述壳状模型的环境限制因子；
生长模拟模块，用于根据配置的生长时间和所述环境限制因子以及预设生长函数对所述壳状模型的参数进行调整；
可视化模块，生成代表所述指定乔木的Revit族；
所述壳状模型用于展示所述指定乔木的树冠构型、树干构型和根系构型，所述壳状模型的参数项目包括控制点和形状因子，所述控制点和所述形状因子用于调整所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型的形态。
2.根据权利要求1所述的乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，其特征在于，所述Revit族包括非对称壳状模型、对称通用乔木模型和树种类型乔木模型；
所述非对称壳状模型，基于6个所述控制点和2个所述形状因子及胸径值来描述所述树冠构型、所述树干构型和所述根系构型；
所述对称通用乔木模型，基于基础树型和基本生长特点构建；
所述树种类型乔木模型，基于通用模型和历史树木类型参数进行构建。
3.根据权利要求1所述的乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，其特征在于，所述预设生长函数描绘变量随时间变化的增长情况，选择Chapman-Richards生长函数。
4.根据权利要求3所述的乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，其特征在于，所述Chapman-Richards生长函数的简介形式为：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k*ti))p
其中，h(t)为树干高度，hmax为成熟值，k为最大相对生长速率，ti为最大增量对应的树龄，p为生长参数。
5.根据权利要求3所述的乔木部位构型和生长模拟的智慧LIM乔木模型系统，其特征在于，所述Chapman-Richards生长函数的解释重要特征的形式为：
h(t)＝hmax*(1-exp(-k/ti/d(d/d-1))))1/1-d
其中，h(t)为树干高度，hmax为成熟值，k为最大相对生长速率，ti为最大增量对应的树龄，d为异速生长参数，d(d/d-1)为最大增量的相对值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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