一种基于关系模型的林分生长建模方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于关系模型的林分生长建模方法，该方法包括下述步骤：(1)构建树木枝干，将枝干视为由单个或若干个圆台结构组成的模型；(2)控制枝干弯曲，通过调整所述若干个圆台的相对位置来控制枝干的弯曲程度，将树木枝干的形状拟合成抛物线集合，相邻圆台之间做光滑拼接处理；(3)控制树枝的仰角，在枝干上设置树枝，将树枝的仰角设定为服从正态分布规律，并通过一个概率密度函数结合随机函数确定树枝的初始仰角；(4)控制树枝的方位角，使用混沌函数控制树枝的方位角；(5)绘制叶子，在树枝上设置叶子采用图像矢量化与三角化剖分或树叶照片透明化高效处理；(6)建立树木生长模型；(7)建立林分生长模型。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：基于树木少量实测数据的建模，在实现高效快捷建模的同时，能够最真切地模拟树木和林分。
【专利说明】一种基于关系模型的林分生长建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于关系模型的林分生长建模方法,可用于模拟林分生长的软件实现。
【背景技术】
[0002]21世纪以来，随着计算机、网络、遥感技术和3D信息技术等学科的高速发展，这些技术也逐步成为林业科学与应用的研究热点。“数字林业”和“智慧林业”建设战略的提出，更是极大的加快了林业信息化的脚步，使林业管理从简单的信息管理朝经营决策方向发展。林分生长三维结构的动态模拟能够描述林分动态变化时的三维可视化图形，立体地反映林分的空间格局、林地利用状况，更直观地模拟现实林分生长过程中的动态变化。可以更详细、更准确、更直观明了地反映林分信息，以便科学地评价森林经营效果，使森林在人为控制下发挥最大的经济、生态、社会和文化效益，人们对森林实施经营管理，提高森林经营的集约程度，充分发挥森林的效益。林分生长三维结构动态模拟能帮助人们研究森林生长演化的科学规律，从而定制正确、合理的森林经营方案，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
[0003]近年来国内外对数字林业相关技术的研究，随着各相关技术的成熟，得到了快速发展，并出现了一系列的有价值的理论研究成果。目前林分模拟与可视化主要从数学模型和图形学方面入手，对林分进行阐释。如，数学模型方面，国内外很多林学家从数学模型的角度对林分的空间分布格局、树木生长等角度展开研究，总结了很多经验方程与生长预测模型；20世纪80年代以来，国内外的可视化软件从单纯的图形可视化发展到树木和林分可视化仿真，但这些软件大部分都是在图形学的基础上展示林分整体。
[0004]对于数字化森林资源中林分生长可视化的研究，目前存在如下一些瓶颈问题:对于林分中树木建模的传统方法，如基于几何参数的树木建模方法中，最常用的有L-系统和迭代函数系统(IFS)方法等。这些方法的研究取得了一些成果，也证明了它们的可行性和有效性。但是，由于相关理论和算法的限制，采用这些方法只能是对自然树木的一种近似模拟，特别是对同种类树木，生成的模型往往是共性有余而个性不足。与基于几何参数的树木建模方法相比，采用基于图像的树木建模方法减少了对树木结构数据信息的依赖，但该方法是基于树木的二维图像建模，需要对图像进行复杂的分析处理，从图像上分割出枝干，并提取出有效信息进行建模，这一过程是十分困难，且得到的信息有效性和准确性难以控制，构建的模型精确度和真实度不高。森林生长三维建模研究采用的树木几何模型过于简单，缺少专业的三维建模算法，无法在三维场景中动态地模拟森林生长演化过程，可交互性不强；现有研究工作大多是对单一问题的研究，没有形成系统的解决方案；没有构建成专业的软件平台，基于底层开发的专业软件系统或功能子系统甚少，且不成熟，难以形成实用的软件系统，指导森林生产和经营；林业技术与信息技术的结合度和融合度还不够高，同时具备两项技术深厚专业基础的研究者凤毛麟角，或不同专业研究者之间的沟通交流有限，阻碍了相关技术的深入研究与发展；对于林分生长预测的研究主要集中在理论层面，即用图表来表不林分各个生长因子整体的预测生长量，对林分中单株树木的生长情况却少有研究，这样对林分生长模型的预测是不够真切的。如果要预测单株树木的生长，就必须研究竞争情况，但竞争因子复杂多样，甚至多达上百种，对林分生长预测建模带来很大困难。面向国家林业信息化建设的行业重大需求，突破上述瓶颈十分有必要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，步骤少，易于实现的基于关系模型的林分生长建模方法。
[0006]本发明解决上述问题所采用的技术方案是:该基于关系模型的林分生长建模方法，其特性在于包括下述步骤:
[0007](I)构建树木枝干，将枝干视为由单个或若干个圆台结构组成的模型；
[0008](2)控制枝干弯曲，通过调整所述若干个圆台的相对位置来控制枝干的弯曲程度，将树木枝干的形状拟合成抛物线集合，相邻圆台之间做光滑拼接处理；
[0009](3)控制树枝的仰角，在枝干上设置树枝，将树枝的仰角设定为服从正态分布规律,并通过一个概率密度函数结合随机函数确定树枝的初始仰角；
[0010](4)控制树枝的方位角，使用混沌函数控制树枝的方位角；
[0011 ] (5)绘制叶子，在树枝上设置叶子，在树枝上设置叶子采用图像矢量化与三角化剖分或树叶照片透明化高效处理；
[0012](6)建立树木生长模型；
[0013](7)建立林分生长模型。
[0014] 本发明所述步骤(6)建立树木生长模型的构建过程为，按胸径分别将不同生长期的枝底半径、枝顶半径、枝长、子枝个数作为空间向量，得到一系列空间向量，把胸径作为参数，运用高次Bezier曲线进行拟合，构建树木各部件之间和各部件与时间的曲线方程。
[0015]本发明所述步骤(7)建立林分生长模型的步骤，先得到如平均胸径、平均树高等平均数据，再而按“强者越强，弱者越弱”竞争原则，将林分的平均生长量分配到每棵树木上。
[0016]本发明增长量分配原则为，通过竞争指数和竞争力来将增长量分配在每棵树上。
[0017]本发明所述步骤(3)树枝生长的仰角指与父级枝的夹角，普遍适合正态分布规律，集中在0-90°区间，用正态分布函数作为树枝仰角概率密度:
【权利要求】
1.一种基于关系模型的林分生长建模方法，其特性在于包括下述步骤: (1)构建树木枝干，将枝干视为由单个或若干个圆台结构组成的模型； (2)控制枝干弯曲，通过调整所述若干个圆台的相对位置来控制枝干的弯曲程度，将树木枝干的形状拟合成抛物线集合，相邻圆台之间做光滑拼接处理； (3)控制树枝的仰角，在枝干上设置树枝，将树枝的仰角设定为服从正态分布规律，并通过一个概率密度函数结合随机函数确定树枝的初始仰角； (4)控制树枝的方位角，使用混沌函数控制树枝的方位角； (5)绘制叶子，在树枝上设置叶子，在树枝上设置叶子采用图像矢量化与三角化剖分或树叶照片透明化高效处理； (6)建立树木生长模型； (7)建立林分生长模型。
2.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(6)建立树木生长模型的构建过程为，按胸径分别将不同生长期的枝底半径、枝顶半径、枝长、子枝个数作为空间向量，得到一系列空间向量，把胸径作为参数，运用高次Bezier曲线进行拟合，构建树木各部件之间和各部件与时间的曲线方程。
3.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(7)建立林分生长模型的步骤，先得到如平均胸径、平均树高等平均数据，再而按“强者越强，弱者越弱”竞争原则，将林分的平均生长量分配到每棵树木上。
4.根据权利要求3所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:增长量分配原则为，通过竞争指数和竞争力来将增长量分配在每棵树上。
5.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(3)树枝生长的仰角指与父级枝的夹角，普遍适合正态分布规律，集中在0-90°区间，用正态分布函数作为树枝仰角概率密度:
以杉木为例，Θ。= 35表示树枝仰角在35°附近出现概率较高，偏离该角度的出现概率逐渐减小；Θ e [0，75]表示树枝仰角变化范围，δ和a为不同树种树枝仰角的特征参数，这里杉木取δ = I和a = 0.5，因为杉木树枝仰角分布比较规律，且集中于35°附近。设Θ步长Θ i+1- Θ i = 5，在[0，75]中可抽取15个数，分别代入(I )式计算每个Θ i对应的Si，再由下式计算机出Si
其中(i = 1,2,3-15) 作为Θ i出现的次数，Si为O表示Qi不出现，Si为I表示Θ i出现I次，Si ^ 2次表示Qi出现多次，然后将出现的0^质序列入一个一维数组，如Lij，那么在该数组中就有连续5个Θ 5。该方法不仅可以计算树枝生长的仰角，还可以计算树枝出现的概率。
6.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(5)绘制叶子，在树枝上设置叶子可以选择下述两种方法之一:基于图像矢量化的树叶绘制方法或者基于图像透明化处理的树叶绘制方法。
7.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(4),使用Logistic函数控制树枝的方位角。
8.根据权利要求2所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(6)建立树木生长模型的时候Bezier曲线进行拟合方法为，五次Bezier曲线方程为
其中，見O) = CY (I?，t e [O, I] ;Vk 为控制点集合，其中 k = 0，1，2，3，4，5。一个三维空间点集P = {Pd，P1, , pj，用五次Bezier曲线拟合,那么应使空间数据点与曲线的距离最小。由Bezier曲线的性质可知，曲线通过向量Ptl和向量Pn，有=Vci = p0, V5 = pn。空间点到曲线的偏移量定义如下:
Cli = [Q (ti； V) -Pi]τ.[Q (ti； V) -Pi] (IV ) 空间点集到一段曲线的总偏移量可以表示为
将一个空间点集拟合为五次Bezier曲线Q(t，V)时，为使点集到曲线的距离最小，对D(t, V)求极小值，可解得曲线的控制点VI，V2，V3，V4。求解过程如下: 对D(t，V)分别求V1, V2, V3, V4的偏导数，并令其等于O。
将(VI)式记为BV = P，解得控制点集合V = B4P代入(III)式，得到拟合的五次Bezier曲线方程。
9.根据权利要求1所述的基于关系模型的林分生长建模方法，其特征在于:所述步骤(7)建立林分生长模型，可根据以下方法获得同一胸径杉木的不同形态结构，(I)根据需要调整参数方程的局部系数获得新的树木模型，(2)通过重新组合分枝的方式获得新的树木模型。
【文档编号】G06F9/455GK104166748SQ201410184112
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】陈宇拓 申请人:中南林业科技大学