一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法与流程

本发明涉及一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法，属于林业科学研究中的林木三维建模技术领域。

背景技术：

林木树冠的形态结构是林木多态性最直接的表现，每株林木冠形都会由于在生长过程中受到环境的影响呈现不同，但是同一树种之间的冠形又存在普遍规律。对于针叶树种的冠形描述，研究多以冠形曲线的形式对树冠外轮廓表达。在林木三维可视化模拟研究中以枝下高、冠高、冠幅以及树冠形态变化较大处分枝长度等作为特征变量建立以冠幅为分界的上下冠形曲线，并以此作为林木枝干分布的控制边界与树冠形态的约束条件。

在林分环境中，林木之间的距离通常不会太远。特别是人工林，造林行间距通常选择为1m*1m到2m*2m的规格。而一般近熟及以后年龄林木树冠的冠幅大多都大于2m，因此在进行林分、样地尺度的林木三维建模时，按照调查实测数据构建的林木整体三维模型大多会出现树冠分枝交叉重叠的情况，导致模拟效果不真实。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法。

一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法，含有以下步骤：基于枝干分离可控的林木三维模型，在实测数据构建的冠形曲线限定下自动加载分枝模型，判断相邻林木之间分枝有无交叉重叠情况，如有此类情况按照两株树空间竞争比例交替删减两树的分枝模型，在保证实测数据真实反映在三维模型的基础上，具体含有以下步骤：包括冠形曲线限定下枝干分离可控的林木三维模型构建步骤及消除相邻林木三维模型树冠分枝交叉重叠的分枝调整步骤。

本发明的优点是:实现方式简单有效，充分考虑了林分空间中林木形态特征，可实现虚拟环境中林木三维模型符合生长规律、林木形态结构规律的模拟，其模拟结果符合林业应用需求。

实现方式简单有效，充分考虑了林分空间中林木形态结构特征，对于虚拟现实林分环境中相邻木树冠之间的交叉重叠现象进行消除，解决了已有方法构建林分空间林木三维模型时树冠、分枝模型存在的模型重合的问题，实现了虚拟现实环境中相邻木树冠部分接近真实环境中相邻木树冠的模拟。相比已有方法，模拟结果更接近真实的相邻林木树冠、分枝的生长分布情况，符合林业应用需求。

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为本发明的消除林分中针叶树三维模型树冠交叉重叠方法总体技术流程图。

图2冠形曲线示意图。

图3林木一级枝仰角示意图。

图4林木一级枝方位角示意图。

图5林木节间、着枝点、分枝匹配点示意图。

图5中：l表示分枝长度；hj表示节间长度。

图6林木三维模型构建方法流程图。

图7相邻林木树冠交叉重叠判断方法流程图。

图8a冠形曲线交叉情况示意图。

图8b冠形曲线交叉情况示意图。

图9林木分枝调整过程流程图。

图10林木相对位置分布图。

图11a杉木分枝匹配点。

图11b杉木分枝匹配点。

图12a枝干分离可控杉木三维模型。

图12b枝干分离可控杉木三维模型。

图13第一杉木10、第二杉木13相邻方向冠形曲线图。

图14a树冠交叉重叠消除模拟示意图。

图14b模拟相邻杉木示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

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实施例的限定。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8a、图8b、图9、图10、图11a、图11b、图12a、图12b、图13、图14a及图14b所示，一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法，主要涉及到树木构筑型、林木生长规律以及计算机科学中的林木可视化模拟技术，弥补目前林木三维场景以及生长可视化模拟中出现林木树冠三维模型交叉重叠造成模拟不真实的问题，为虚拟森林场景构建以及林分生长可视化模拟提供支持，为森林质量精准提升提高技术支撑。

一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法，含有以下步骤：包括冠形曲线限定下枝干分离可控的林木三维模型构建步骤及消除相邻林木三维模型树冠分枝交叉重叠的分枝调整步骤。

其总体技术流程如图1所示。

具体操作步骤如下所示：

步骤1.枝干分离可控林木三维模型构建:

将调查获得的树高、冠高、枝下高、冠幅等林木树冠参数实测数据带入到树木冠形曲线函数中，求得所要构建林木的冠形曲线。

冠形曲线公式如下：

式中：hup、hdown为所构建冠形曲线方向树冠宽度x对应的高度；h为树高；hc为冠高；hb为枝下高；α1，α2为冠形指数；cr为冠幅。

式中：x为树冠宽度；hup、hdown为所构建冠形曲线方向树冠宽度x对应的高度；h为树高；hc为冠高；hb为枝下高；α1，α2为冠形指数，根据树种不同取值范围不同，为了简化计算同一株树的α1，α2可取相同的值；cr为冠幅。x^α1、x^α2为幂函数冠形曲线次方项，其中x^α1为冠高以上部分树冠宽度(x)的相应树种冠形指数(α1)次方；x^α2为冠高以下部分树冠宽度(x)的相应树种冠形指数(α2)次方；cr^α1为冠幅(cr)的相应树种冠形指数(α1)次方；cr^α2为冠幅(cr)的特定树种冠形指数(α2)次方。

依照冠形曲线公式拟合的林木冠形曲线如图2所示。

依照树木形态结构特点，对林木的东西南北四个方向树冠参数进行量测，计算拟合林木四个方向冠形曲线对树冠形态进行数学化表达，作为林木树冠三维模型的外轮廓限定条件。

根据林木形态结构相关资料查询结果以及样地实测的林木一级分枝轮数、个数，一级分枝方位角与分枝仰角等林木树冠结构信息统计整理的结果，从各个方向枝下高位置开始，按照调查统计结果逐一给一级枝的方位角、分枝仰角赋值。

一级分枝仰角、方位角示意图如图3、图4所示。

林木节间是林木生长过程中芽与芽之间的树枝部分，根据调查统计结果，在相应树种林木节间大小范围内随机给定节间长度，在上一分枝高度基础上加上给定节间长度作为同方向下一个分枝的着枝点位置，将待模拟一级枝从着枝点位置按照赋值的方位角与仰角方向做射线，射线与冠形曲线的相交点作为分枝匹配点，以着枝点与匹配点距离作为该一级分枝长度。

节间、着枝点、分枝匹配点示意图如图5所示。

以上内容规定了林木树冠整体形态以及树冠内部一级分枝的结构形态情况，以调查数据为依据定义了树冠的构建过程。在此基础上，将按照林木削度方程构建的主干模型根据样地调查数据相对位置情况布设，将构建的一级分枝模型按照上述方法自动加载到主干相应位置，至此完成枝干分离可控的林木三维模型构建。

实现具体流程如图6所示，林木三维模型构建步骤为：

1.通过外业调查以及相关资料查阅获取树高、胸径、枝下高、冠高、冠幅、林木位置、一级分枝仰角、一级分枝方位角、节间长度等参数。

2.利用三维建模软件，通过实测数据结合削度方程构建林木主干模型，通过实测数据构建一级分枝模型。

3.利用树高、枝下高、冠高、冠幅数据拟合林木东西南北四个方向的冠形曲线。

4.从最低处分枝开始处理，在主干各方向枝下高作为第一个分枝着枝点高度进行分枝方位角、仰角赋值，沿赋值方向做射线与冠形曲线相交获得枝下高所在分枝的匹配点。

5.在调查中数据林木节间长度范围内随机给定节间长度值，将上一着枝点高度与给定节间长度相加，获取下一个一级分枝着枝点高度，如果相加之和在树高范围内，给该着枝点赋值方位角、仰角做射线，获得对应一级枝匹配点。如果相加之和大于树高，则上一着枝点为最顶端着枝点。

6.按照对应的着枝点与一级枝匹配点调节一级枝模型并加载到相应位置，完成枝干分离可控林木三维模型构建。

步骤2.相邻林木模型树冠分枝交叉重叠消除:

步骤2.1)相邻林木树冠分枝交叉重叠判断:

根据调查数据获取林木的位置坐标(x,y,z)布设林木模型，对林木四个方向分别判断相邻木的树冠部分有无交叉重叠情况。在林木三维模型构建部分已经定义了林木四个方向冠形曲线与分枝匹配点分布方法，在此基础上对相邻林木的相邻位置树冠的冠形曲线判断二者相交情况，并将交叉重叠部分所包含的分枝匹配点记录。

交叉部分冠形曲线与分枝匹配点记录可以根据针叶树冠形特点与林分中常见的相邻木冠形曲线相交分为相邻木上下冠形曲线分别相交(如图8a所示)、一株树上下冠形曲线与另一株树上冠形曲线相交(如图8b所示)两种情况。

两种情况下可以求解冠形曲线交点：

步骤a)当第一树和第二树的上下冠形分别相交时，根据以下公式可求得相交点的高度h_up和h_down。

式中，f1_up(x1)为第一树的上冠形曲线方程，x1为上冠形相交时第一树的水平距离，f2_up(dis-x1)为第二树的上冠形曲线方程，dis为第一树与第二树的距离，f1_down(x2)为第一树的下冠形曲线，x2为下冠形相交点与第一树的水平距离，f2_down(dis-x2)为第二树的下冠形曲线方程。

步骤b)当第一树的上冠型与第二树的上下冠形相交时，根据以下公式可求得相交点的高度h_up和高度h_down。

式中，f1_up(x1)为第一树的上冠形曲线方程，x1为上冠形相交点与第一树的水平距离，f2_up(dis-x1)为第二树的上冠形曲线方程，dis为第一树与第二树的距离，x2为下冠形相交点与第一树的水平距离，f2_down(dis-x2)为第二树的下冠形曲线方程。

至此将相邻木冠形曲线相交部分交点获取，将上下交点带入冠形曲线可以获得交叉部分曲线，记录该部分曲线以及所包含分枝匹配点，如冠幅所在分枝在交叉部分曲线范围内，则记录冠幅匹配点。

步骤2.2)分枝调整消除相邻木树冠交叉重叠:

上部分进行了相邻林木树冠分枝交叉重叠情况的判断，在判定为存在交叉重叠的情况下，对交叉重叠部分的分枝按照两株树空间竞争比例交替删除分枝模型，实现消除两株树树冠模型交叉重叠。

如图9所示，林木分枝调整过程流程步骤：林木分枝调整方法为通过空间竞争比获得对两株树分别删减分枝数量，实现步骤为：

1.在判定为存在树冠交叉重叠情况时，计算林木的空间竞争比。相邻木空间竞争表现在水平与垂直两个方向，水平方向竞争主要是分枝间存在直接的生存空间挤压竞争，可以通过相邻木冠幅长度的比表示；垂直方向空间竞争主要表现在相邻木高度差造成的光照遮挡竞争，可以通过相邻木树高加相对高度(树高h加林木垂直位置坐标值z)的比值表示，水平方向竞争比(ch)与垂直方向的竞争比(cv)表示为：

2.按照水平方向竞争、垂直方向竞争影响相同的情况，分别乘0.5后做相加处理获得相邻木空间竞争比ct:ct＝0.5*ch+0.5*cv。

3.将交叉重叠的分枝按照两株树的空间竞争比逐个删减分枝匹配点消除分枝交叉造成的树冠交叉重叠，模拟林木自然整枝情况。

4.当存在冠幅交叉时为了保证构建三维模型符合真实测量数据，调整空间竞争比小的林木冠幅所在分枝仰角与方位角，实现冠幅交叉情况消除。

如图7所示，相邻林木树冠交叉重叠判断方法流程步骤:

是否存在树冠交叉重叠情况的判断方法为通过相邻木的相对距离与相邻方向冠幅和之间的长度对比。冠幅为整株树分枝最长处，当两株树相邻时，如果冠幅和小于相对距离，则相邻木树冠最长处相加任不能达到两株树的相对距离长度，则不存在树冠交叉重叠，反之交叉重叠情况存在。实现步骤为：

1.计算相邻木间相对距离，对两株相邻林木的位置坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，在不考虑相对高度的情况下计算水平方向位置(x1,y1)与(x2,y2)的相对距离lp为：

2.计算相邻木相邻方向冠幅(cr1与cr2)的和，相邻木冠幅之和lc为：lc＝cr1+cr2，。

3.当lp<lc时，相邻木最长分枝长度之和大于两株树的距离，相邻木存在树冠交叉重叠情况，反之不存在树冠交叉重叠。

4.将相邻位置的冠形曲线交叉重叠部分记录，并将交叉重叠部分冠形曲线范围内分枝匹配点记录。

比较相对距离与冠幅和，冠幅和大时存在树冠交叉重叠情况，相对距离大时不存在树冠交叉重叠情况。

至此完成枝干分离可控林木三维模型构建以及调整分枝模型消除相邻林木树冠交叉重叠情况的全部过程。

实施例2：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8a、图8b、图9、图10、图11a、图11b、图12a、图12b、图13、图14a及图14b所示，一种解决林分中针叶树三维模型树冠分枝交叉重叠的方法(江西亚林中心山下林场杉木消除树冠交叉重叠问题三维建模实例)，含有以下步骤：

步骤1.数据采集:

在江西省亚林中心山下林场选择一块20m*20m共有56株杉木的样地用常规的测树方法对选择的样地进行每木检尺，测量其胸径、树高、冠高、东西南北四方向冠幅，枝下高，利用全站仪测量样地杉木的相对位置坐标(x,y,z)。样地内林木相对位置分布如图10所示。

步骤2.枝干分离可控杉木三维模型构建:

以样地内编号1的杉木为例单木测量数据如表1所示：

表1样地内编号1杉木测量数据

杉木冠形指数α取值范围为(1≤α≤2)根据调查数据可以计算求得该树在东西南北四个方向上的冠形曲线为：

杉木一级分枝生长分布特点为每隔5cm左右生长一轮分枝，且一年生长3～5轮；杉木分枝生长属于轮生，一级分枝方位角接近均匀的分布在四个方向；一级枝的分枝仰角分布在30°～90°之间，从最低处到最高处仰角呈减小趋势，且大部分集中在70°～80°之间。根据调查数据以及杉木分枝生长规律构建杉木分枝匹配点如图11a及图11a所示。

在此基础上将构建好的主干与分枝模型加载获得枝干分离可控杉木三维模型如图12a及图12a所示。

步骤3.相邻杉木树冠分枝交叉重叠判断:

对样地内杉木相对位置进行计算有不存在树冠交叉重叠与存在交叉重叠两种情况：

不存在树冠交叉重叠的情况如编号为第二树与第十一树的两株相邻木，两株杉木第二树南侧与第十一树北侧相邻，两株树相对位置分别为(4250.152，70207.057，-5.376)与(4250.612，70204.545，-4.545)，第二树南冠幅长度1.65m，第十一树北冠幅长度0.8m。将数据代入距离公式计算可知二者间距为2.55m，二者相邻方向冠幅长度和为2.45m，间距大于冠幅和，所以不存在树冠交叉重叠情况。

存在树冠交叉重叠的情况如第一杉木10、第二杉木13，第一杉木10南与第二杉木13北相邻，两株树的位置分别为(4252.617，70207.551，-4.304)与(4252.891，70204.877，-3.589)，第一杉木10南冠幅长度为1.7m，树13北冠幅长度1.7m。数据代入距离公式计算可得两株树间距2.69m，相邻方向冠幅长度和为3.4m，冠幅和大于间距，则判定第一杉木10与第二杉木13之间存在树冠分枝交叉重叠情况。进一步计算第一杉木10的南冠形曲线与第二杉木13的北冠形曲线，两株树测量数值如表2所示。

表2样地内编号第一杉木10、第二杉木13测量数据

第一杉木10南冠形曲线为：

式中x为树冠宽度；此处为了计算简便，在杉木冠型指数取值范围(1≤α≤2)内，上下冠形曲线都选择冠形指数为2，由此构成幂函数冠形曲线的2次方项x²。

树13北冠形曲线为：

hup＝21-2.2x²上冠形曲线

hdown＝5.2+3.2x²下冠形曲线。

式中x为树冠宽度；此处为了计算简便，在杉木冠型指数取值范围(1≤α≤2)内，上下冠形曲线都选择冠形指数为2，由此构成幂函数冠形曲线的2次方项x²。

两株树相邻方向冠形曲线如图13所示。

可见两株树符合上下冠形曲线分别相交情况，因此计算交点上冠形曲线交点高h_up为16.33m，下冠形曲线高h_down为11.49m。绿色点标注记录两株树上下交点之间的分枝匹配点红色点标注记录冠幅所在分枝匹配点。

步骤4.分枝调整消除相邻木树冠交叉重叠:

通过树高、位置相对高度以及冠幅长度数据计算空间竞争比，第一杉木10与第二杉木13之间的空间竞争比ct＝0.94，所以调整分枝时接近1:1比例删减分枝模型，且由于第二杉木13空间竞争比较大，保留冠幅所在分枝不动调节第一杉木10冠幅所在分枝方位角、仰角，进行树冠交叉重叠消除模拟(图14a)，按照已有方法模拟相邻杉木(图14b)。

从两种方法模拟结果图可以看出，相比于已有的建模方法，使用消除林木三维模型树冠分枝交叉重叠方法构建的杉木三维模型模拟结果更接近林分中的情况，在树冠交叉重叠部分对于分枝自然整枝以及形态结构特点的表现更加真实，更加符合林木生长规律。可以进一步提高林分中树木三维模拟的精度以及还原度，满足样地、林分乃至更大范围林木的模拟展现效果。

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。