一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法

摘要

一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，包括以下步骤：(1)根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库；(2)通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；(3)形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；(4)生成光照影响区域计算的时间序列，利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算各个时间点的太阳高度角；(5)利用等价计算三维模型生成虚拟树木各个时间点的光照影子，以像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域。本发明提供一种有效降低复杂度、提高速度、适用于大规模和大尺度的森林动态生长仿真的像素化虚拟树木光照影响区域获取方法。

主权项

1.一种像素化的虚拟树木光照影响区域获取方法，其特征在于：所述获取方法包括以下步骤：（1）根据树木的几何形状特征提取树木结构类型，并建立树木架构库，其中，典型树木结构类型包括球形、锥形、圆柱形和宽展开形；所述步骤（1）中，提取的树木结构类型与几何形状特征的关系如下：对于球形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径为0或在接近于0的较小阈值范围内；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数使得不同高度处的树冠直径的变化规律与一个球体的纬度圈直径的差值不超过设定的偏差率；对于锥形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径接近于0或在接近于0的较小阈值范围内，树冠的底部直径大于0；树冠的枝条增长系数小于1，且树冠的枝条增长系数的值变化在设定的阈值范围内；对于圆柱形结构，需要满足以下两个条件：树冠的顶部直径和树冠的底部直径相等或者其差值在一个较小的阈值范围内；树冠的枝条增长系数为1，或者树冠的枝条增长系数的值在接近于1的较小阈值范围内变化；对于宽展开形，需要满足以下两个条件：树冠的中心直径大于树冠的顶部直径，且树冠的中心直径大于树冠的底部直径；树冠的枝条增长系数先大于1后小于1，且树冠的枝条增长系数的值在大于1和小于1的情况下，分别在设定的阈值范围内变化；（2）通过虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息自动确定树木结构类型；所述步骤（2）中，所述几何形状特征信息包括树木的树高、树冠的顶部直径、树冠的底部直径、树冠的中心直径和树冠的枝条增长系数；所述的自动确定树木结构类型是根据树木结构类型与提取的几何形状特征的关系进行自动判断；（3）建立虚拟树木生长仿真的三维模型的几何形状特征信息与所述确定的树木结构类型的几何形状特征参数之间的映射关系，形成用于生成树木光照影响区域的等价计算三维模型；所述步骤（3）中，球形、锥形、圆柱形、宽展开形四种树木结构类型的等价计算三维模型的几何特征参数包括：●球形结构的几何特征参数包括：球体半径为r，树根至球心的高度为l；●锥形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆锥底部半径为r；●圆柱形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠高lt-ld，圆柱底部半径为r；●宽展开形结构的几何特征参数包括：树高lt，树干高ld，树冠中心至树根高lm，顶部半径rt，底部半径rd，中部半径rm；（4）根据虚拟树木生长仿真的时间参数和设定的时间间隔生成光照影响区域计算的时间序列，并利用虚拟树木生长仿真的地理位置信息计算所述时间序列中各个时间点的太阳高度角；所述步骤（4）中，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角的过程为：首先，获取虚拟树木生长仿真的时间参数信息，并按照设定的时间间隔形成光照影响区域计算的时间序列，即按照生长仿真的时间参数给定的起始时间，累加设定的时间间隔，依次形成光照影响区域计算的时间序列的各个时间点，直至生长仿真的时间参数给定的结束时间；其次，利用虚拟树木生长仿真的地理位置的经度和纬度信息，获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点的太阳高度角；太阳光照在地球上的直射点的地理纬度为太阳赤纬，以δ表示；虚拟树木生长仿真所在位置的地理纬度用表示，地方时以t表示，虚拟树木生长仿真所在位置的太阳的高度角表示为：一年内任何一天的赤纬角δ有如下关系：sinδ=0.39795×cos[0.98563(N-173)]，式中，N为日数，自1月1日开始计算；（5）利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子，并以所述光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域；所述步骤（5）中，获取像素化的虚拟树木的光照影响区域的过程为：首先，利用等价计算三维模型生成虚拟树木在所述时间序列中各个时间点的光照影子的特征数据，所述的特征数据可以是光照影子的表达式或特征点坐标；当太阳的高度角为h，时角为t时，四种树木结构类型的生成光照影子特征数据的具体方法如下：球形结构类型的虚拟树木的光照影子用椭圆表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z=0平面的光照影子的表达式为：$\frac{{(x+l\cos t/\mathrm{tgh})}^2}{{(r/\sinh )}^2}+\frac{{(y-l\sin t/\mathrm{tgh})}^2}{r^2}=1$锥形结构类型的虚拟树木的光照影子用三角形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z=0平面的光照影子的特征点坐标为：A(-lt*cost/tgh,lt*sint/tgh,0)B(-Lbo*cos(t-k),Lbo*sin(t-k),0)C(-Lbo*cos(t+k),Lbo*sin(t+k),0)圆柱形结构类型的虚拟树木的光照影子用四边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z=0平面的光照影子的特征点坐标为：A(-Lao*cos(t-k1),Lao*sin(t-k1),0)B(-Lao*cos(t+k1),Lao*sin(t+k1),0)C(-Ldo*cos(t+k2),Ldo*sin(t+k2),0)D(-Ldo*cos(t-k2),Ldo*sin(t-k2),0)宽展开形结构类型的虚拟树木的光照影子用六边形表示，当太阳高度角h、时角t的下投射到z=0平面的光照影子的特征点坐标为：A(-Lao*cos(t-k1),Lao*sin(t-k1),0)B(-Lao*cos(t+k1),Lao*sin(t+k1),0)C(-Ldo*cos(t+k2),Ldo*sin(t+k2),0)D(-Ldo*cos(t-k2),Ldo*sin(t-k2),0)E(-Lfo*cos(t+k3),Lfo*sin(t+k3),0)F(-Lfo*cos(t-k3),Lfo*sin(t-k3),0)其次，以光照影子的各像素为基本单元进行叠加计算获取像素化的虚拟树木的光照影响区域，具体过程如下：第一步，获取以计算机显示屏像素为单位的可视化窗口的大小，即可视化窗口的长（height）、宽（width）；初始化对应于窗口大小的两个数组shadow[height][width]、PFD[height][width]，分别用于存储获取的光照影响区域及各像素有效光照强度的总和；第二步，通过循环依次获取光照影响区域计算的时间序列中各个时间点光照影子的特征数据，在可视化窗口中生成该时间点下的光照影子；第三步，读取可视化窗口内所有的像素信息，并依次判断每个像素点是否在该时间点下的光照影子内；如果某个像素点在该光照影子内，则数组shadow中与该像素点位置对应下标的数组元素的值被置为1，并在PFD数组对应下标的数组元素中累加有效光照强度信息；当太阳高度角h时，有效的光照强度PFD_Lat可以表示为：PFD_Lat=PFD₀*sinh*(1-shade)            公式1其中，PFD₀为植物所能接收到的最强光照强度，即赤道地区正午时间没有任何遮挡时的光照强度，PFD₀的取值为PFD₀=2000μmod*m^-2s^-1；shade为遮荫率因子；而对于高大植物本身来说，shade=0；当某个像素点被包含在多个时间点的光照影子内时，该像素点对于每个光照影子的有效光照强度PFD_Lat可根据公式1计算得到，并将每个光照影子下该像素点的有效光照强度累加之和存储在PFD数组对应下标的数组元素中。