一種基於關係模型的林分生長建模方法
2023-06-26 04:45:56 1
一種基於關係模型的林分生長建模方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於關係模型的林分生長建模方法，該方法包括下述步驟：(1)構建樹木枝幹，將枝幹視為由單個或若干個圓臺結構組成的模型；(2)控制枝幹彎曲，通過調整所述若干個圓臺的相對位置來控制枝幹的彎曲程度，將樹木枝幹的形狀擬合成拋物線集合，相鄰圓臺之間做光滑拼接處理；(3)控制樹枝的仰角，在枝幹上設置樹枝，將樹枝的仰角設定為服從正態分布規律，並通過一個概率密度函數結合隨機函數確定樹枝的初始仰角；(4)控制樹枝的方位角，使用混沌函數控制樹枝的方位角；(5)繪製葉子，在樹枝上設置葉子採用圖像矢量化與三角化剖分或樹葉照片透明化高效處理；(6)建立樹木生長模型；(7)建立林分生長模型。本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：基於樹木少量實測數據的建模，在實現高效快捷建模的同時，能夠最真切地模擬樹木和林分。
【專利說明】一種基於關係模型的林分生長建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於關係模型的林分生長建模方法,可用於模擬林分生長的軟體實現。
【背景技術】
[0002]21世紀以來，隨著計算機、網絡、遙感技術和3D信息技術等學科的高速發展，這些技術也逐步成為林業科學與應用的研究熱點。「數字林業」和「智慧林業」建設戰略的提出，更是極大的加快了林業信息化的腳步，使林業管理從簡單的信息管理朝經營決策方向發展。林分生長三維結構的動態模擬能夠描述林分動態變化時的三維可視化圖形，立體地反映林分的空間格局、林地利用狀況，更直觀地模擬現實林分生長過程中的動態變化。可以更詳細、更準確、更直觀明了地反映林分信息，以便科學地評價森林經營效果，使森林在人為控制下發揮最大的經濟、生態、社會和文化效益，人們對森林實施經營管理，提高森林經營的集約程度，充分發揮森林的效益。林分生長三維結構動態模擬能幫助人們研究森林生長演化的科學規律，從而定製正確、合理的森林經營方案，具有重要的科學意義和廣闊的應用前景。
[0003]近年來國內外對數字林業相關技術的研究，隨著各相關技術的成熟，得到了快速發展，並出現了一系列的有價值的理論研究成果。目前林分模擬與可視化主要從數學模型和圖形學方面入手，對林分進行闡釋。如，數學模型方面，國內外很多林學家從數學模型的角度對林分的空間分布格局、樹木生長等角度展開研究，總結了很多經驗方程與生長預測模型；20世紀80年代以來，國內外的可視化軟體從單純的圖形可視化發展到樹木和林分可視化仿真，但這些軟體大部分都是在圖形學的基礎上展示林分整體。
[0004]對於數位化森林資源中林分生長可視化的研究，目前存在如下一些瓶頸問題:對於林分中樹木建模的傳統方法，如基於幾何參數的樹木建模方法中，最常用的有L-系統和迭代函數系統(IFS)方法等。這些方法的研究取得了一些成果，也證明了它們的可行性和有效性。但是，由於相關理論和算法的限制，採用這些方法只能是對自然樹木的一種近似模擬，特別是對同種類樹木，生成的模型往往是共性有餘而個性不足。與基於幾何參數的樹木建模方法相比，採用基於圖像的樹木建模方法減少了對樹木結構數據信息的依賴，但該方法是基於樹木的二維圖像建模，需要對圖像進行複雜的分析處理，從圖像上分割出枝幹，並提取出有效信息進行建模，這一過程是十分困難，且得到的信息有效性和準確性難以控制，構建的模型精確度和真實度不高。森林生長三維建模研究採用的樹木幾何模型過於簡單，缺少專業的三維建模算法，無法在三維場景中動態地模擬森林生長演化過程，可交互性不強；現有研究工作大多是對單一問題的研究，沒有形成系統的解決方案；沒有構建成專業的軟體平臺，基於底層開發的專業軟體系統或功能子系統甚少，且不成熟，難以形成實用的軟體系統，指導森林生產和經營；林業技術與信息技術的結合度和融合度還不夠高，同時具備兩項技術深厚專業基礎的研究者鳳毛麟角，或不同專業研究者之間的溝通交流有限，阻礙了相關技術的深入研究與發展；對於林分生長預測的研究主要集中在理論層面，即用圖表來表不林分各個生長因子整體的預測生長量，對林分中單株樹木的生長情況卻少有研究，這樣對林分生長模型的預測是不夠真切的。如果要預測單株樹木的生長，就必須研究競爭情況，但競爭因子複雜多樣，甚至多達上百種，對林分生長預測建模帶來很大困難。面向國家林業信息化建設的行業重大需求，突破上述瓶頸十分有必要。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於克服現有技術中存在的上述不足，而提供一種結構設計合理，步驟少，易於實現的基於關係模型的林分生長建模方法。
[0006]本發明解決上述問題所採用的技術方案是:該基於關係模型的林分生長建模方法，其特性在於包括下述步驟:
[0007](I)構建樹木枝幹，將枝幹視為由單個或若干個圓臺結構組成的模型；
[0008](2)控制枝幹彎曲，通過調整所述若干個圓臺的相對位置來控制枝幹的彎曲程度，將樹木枝幹的形狀擬合成拋物線集合，相鄰圓臺之間做光滑拼接處理；
[0009](3)控制樹枝的仰角，在枝幹上設置樹枝，將樹枝的仰角設定為服從正態分布規律,並通過一個概率密度函數結合隨機函數確定樹枝的初始仰角；
[0010](4)控制樹枝的方位角，使用混沌函數控制樹枝的方位角；
[0011 ] (5)繪製葉子，在樹枝上設置葉子，在樹枝上設置葉子採用圖像矢量化與三角化剖分或樹葉照片透明化高效處理；
[0012](6)建立樹木生長模型；
[0013](7)建立林分生長模型。
[0014] 本發明所述步驟(6)建立樹木生長模型的構建過程為，按胸徑分別將不同生長期的枝底半徑、枝頂半徑、枝長、子枝個數作為空間向量，得到一系列空間向量，把胸徑作為參數，運用高次Bezier曲線進行擬合，構建樹木各部件之間和各部件與時間的曲線方程。
[0015]本發明所述步驟(7)建立林分生長模型的步驟，先得到如平均胸徑、平均樹高等平均數據，再而按「強者越強，弱者越弱」競爭原則，將林分的平均生長量分配到每棵樹木上。
[0016]本發明增長量分配原則為，通過競爭指數和競爭力來將增長量分配在每棵樹上。
[0017]本發明所述步驟(3)樹枝生長的仰角指與父級枝的夾角，普遍適合正態分布規律，集中在0-90°區間，用正態分布函數作為樹枝仰角概率密度:
【權利要求】
1.一種基於關係模型的林分生長建模方法，其特性在於包括下述步驟: (1)構建樹木枝幹，將枝幹視為由單個或若干個圓臺結構組成的模型； (2)控制枝幹彎曲，通過調整所述若干個圓臺的相對位置來控制枝幹的彎曲程度，將樹木枝幹的形狀擬合成拋物線集合，相鄰圓臺之間做光滑拼接處理； (3)控制樹枝的仰角，在枝幹上設置樹枝，將樹枝的仰角設定為服從正態分布規律，並通過一個概率密度函數結合隨機函數確定樹枝的初始仰角； (4)控制樹枝的方位角，使用混沌函數控制樹枝的方位角； (5)繪製葉子，在樹枝上設置葉子，在樹枝上設置葉子採用圖像矢量化與三角化剖分或樹葉照片透明化高效處理； (6)建立樹木生長模型； (7)建立林分生長模型。
2.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(6)建立樹木生長模型的構建過程為，按胸徑分別將不同生長期的枝底半徑、枝頂半徑、枝長、子枝個數作為空間向量，得到一系列空間向量，把胸徑作為參數，運用高次Bezier曲線進行擬合，構建樹木各部件之間和各部件與時間的曲線方程。
3.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(7)建立林分生長模型的步驟，先得到如平均胸徑、平均樹高等平均數據，再而按「強者越強，弱者越弱」競爭原則，將林分的平均生長量分配到每棵樹木上。
4.根據權利要求3所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:增長量分配原則為，通過競爭指數和競爭力來將增長量分配在每棵樹上。
5.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(3)樹枝生長的仰角指與父級枝的夾角，普遍適合正態分布規律，集中在0-90°區間，用正態分布函數作為樹枝仰角概率密度:
以杉木為例，Θ。= 35表示樹枝仰角在35°附近出現概率較高，偏離該角度的出現概率逐漸減小；Θ e [0，75]表示樹枝仰角變化範圍，δ和a為不同樹種樹枝仰角的特徵參數，這裡杉木取δ = I和a = 0.5，因為杉木樹枝仰角分布比較規律，且集中於35°附近。設Θ步長Θ i+1- Θ i = 5，在[0，75]中可抽取15個數，分別代入(I )式計算每個Θ i對應的Si，再由下式計算機出Si
其中(i = 1,2,3-15) 作為Θ i出現的次數，Si為O表示Qi不出現，Si為I表示Θ i出現I次，Si ^ 2次表示Qi出現多次，然後將出現的0^質序列入一個一維數組，如Lij，那麼在該數組中就有連續5個Θ 5。該方法不僅可以計算樹枝生長的仰角，還可以計算樹枝出現的概率。
6.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(5)繪製葉子，在樹枝上設置葉子可以選擇下述兩種方法之一:基於圖像矢量化的樹葉繪製方法或者基於圖像透明化處理的樹葉繪製方法。
7.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(4),使用Logistic函數控制樹枝的方位角。
8.根據權利要求2所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(6)建立樹木生長模型的時候Bezier曲線進行擬合方法為，五次Bezier曲線方程為
其中，見O) = CY (I?，t e [O, I] ;Vk 為控制點集合，其中 k = 0，1，2，3，4，5。一個三維空間點集P = {Pd，P1, , pj，用五次Bezier曲線擬合,那麼應使空間數據點與曲線的距離最小。由Bezier曲線的性質可知，曲線通過向量Ptl和向量Pn，有=Vci = p0, V5 = pn。空間點到曲線的偏移量定義如下:
Cli = [Q (ti； V) -Pi]τ.[Q (ti； V) -Pi] (IV ) 空間點集到一段曲線的總偏移量可以表示為
將一個空間點集擬合為五次Bezier曲線Q(t，V)時，為使點集到曲線的距離最小，對D(t, V)求極小值，可解得曲線的控制點VI，V2，V3，V4。求解過程如下: 對D(t，V)分別求V1, V2, V3, V4的偏導數，並令其等於O。
將(VI)式記為BV = P，解得控制點集合V = B4P代入(III)式，得到擬合的五次Bezier曲線方程。
9.根據權利要求1所述的基於關係模型的林分生長建模方法，其特徵在於:所述步驟(7)建立林分生長模型，可根據以下方法獲得同一胸徑杉木的不同形態結構，(I)根據需要調整參數方程的局部係數獲得新的樹木模型，(2)通過重新組合分枝的方式獲得新的樹木模型。
【文檔編號】G06F9/455GK104166748SQ201410184112
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年5月4日
【發明者】陳宇拓 申請人:中南林業科技大學