專利名稱：一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法。
背景技術：
植物對光照資源的競爭是植物群落生長仿真和森林景觀模擬中的難點?？焖佾@取較為準確的樹木光照影響區(qū)域，對真實地模擬樹木的生長過程和森林群落的繁殖發(fā)展過程
都具有重要意義。在現(xiàn)有的森林生長仿真中，一般采用FON模型，也就是植物影響圈模型，來獲取樹木光照影響區(qū)域。FON模型是描述植物生長資源的一種方法，用一個影響圈來描述植物對資源的需求范圍。但由于植物生長的緯度不同，其光照的陰影往往不是標準的圓形區(qū)域，緯度越高，陰影區(qū)域會呈現(xiàn)為越扁的橢圓。利用FON模型獲取的樹木光照影響區(qū)域只使用簡單的圓形表示是不夠精確，不能體現(xiàn)生長在不同緯度地區(qū)的樹木光照影響區(qū)域的真實情況。為了體現(xiàn)生長在不同緯度地區(qū)的樹木光照影響區(qū)域也不同的問題，需要根據(jù)地理學和天文學的相關知識，并引入樹木生長地的地理位置信息來獲取樹木的光照影響區(qū)域。通常情況下，樹木的光照影響區(qū)域可表示為不同緯度地區(qū)、不同時刻下太陽照射到地面形成的陰影的綜合影響區(qū)域。因此，如何精確生成虛擬樹木的實時陰影是獲取樹木光照影響區(qū)域的第一步。從1977年Siadow volume算法被提出以來，Shadow volume算法是常用的一種生成實時、精確陰影的方法。Shadow volume算法的基本原理是根據(jù)光源和遮蔽物的位置關系計算出場景中會產生陰影的區(qū)域(shadow volume)，然后對所有物體進行檢測，以確定其會不會受陰影的影響。Shadow Volume算法是像素精確的，因而不會出現(xiàn)走樣現(xiàn)象，能夠生成精確的陰影效果；但是該算法的復雜度和模型的幾何復雜度成正比。對于由成千上萬的復雜三維樹木模型構成的大規(guī)模的森林仿真場景來說，Shadow volume算法顯然是不適用的。然而，大規(guī)模、大尺度的森林動態(tài)生長仿真是森林經營和決策管理中一個有效輔助工具。實現(xiàn)一種既快速、又準確的像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，對于大規(guī)模、大尺度的森林動態(tài)生長仿真具有重要的意義。

發(fā)明內容
為了克服已有樹木光照影響區(qū)域獲取方法復雜度較高、速度較慢、無法用于大規(guī)模和大尺度的森林動態(tài)生長仿真的不足，本發(fā)明提供一種有效降低復雜度、提高速度、適用于大規(guī)模和大尺度的森林動態(tài)生長仿真的像素化虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，所述獲取方法包括以下步驟(1)根據(jù)樹木的幾何形狀特征提取樹木結構類型，并建立樹木架構庫，其中，典型樹木結構類型包括球形、錐形、圓柱形和寬展開形；(2)通過虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息自動確定樹木結構類型；(3)建立虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息與所述確定的樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)之間的映射關系，形成用于生成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型；(4)根據(jù)虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)和設定的時間間隔生成光照影響區(qū)域計算的時間序列，并利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算所述時間序列中各個時間點的太陽高度角；(5)利用等價計算三維模型生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子，并以所述光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域。進一步，所述步驟(1)中，提取的樹木結構類型與幾何形狀特征的關系如下對于球形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑為0或在接近于0的較小閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)使得不同高度處的樹冠直徑的變化規(guī)律與一個球體的緯度圈直徑的差值不超過設定的偏差率；對于錐形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑接近于0或在接近于0的較小閾值范圍內，樹冠的底部直徑大于0 ；樹冠的枝條增長系數(shù)小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值變化在設定的閾值范圍內；對于圓柱形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑相等或者其差值在一個較小的閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)為1，或者樹冠的枝條增長系數(shù)的值在接近于1的較小閾值范圍內變化；對于寬展開形，需要滿足以下兩個條件樹冠的中心直徑大于樹冠的頂部直徑，且樹冠的中心直徑大于樹冠的底部直徑；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值在大于1和小于1的情況下，分別在設定的閾值范圍內變化。再進一步，所述步驟O)中，所述幾何形狀特征信息包括樹木的樹高、樹冠的頂部直徑、樹冠的底部直徑、樹冠的中心直徑和樹冠的枝條增長系數(shù)；所述的自動確定樹木結構類型是根據(jù)樹木結構類型與提取的幾何形狀特征的關系進行自動判斷。更進一步，所述步驟(3)中，球形、錐形、圓柱形、寬展開形四種樹木結構類型的等價計算三維模型的幾何特征參數(shù)包括 球形結構的幾何特征參數(shù)包括球體半徑為r，樹根至球心的高度為1 ； 錐形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓錐底部半徑為r; 圓柱形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓柱底部半徑為r ； 寬展開形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠中心至樹根高lm，頂部半徑rt，底部半徑rd，中部半徑rm。所述步驟(4)中，獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點的太陽高度角的過程為首先，獲取虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)信息，并按照設定的時間間隔形成光照影響區(qū)域計算的時間序列，即按照生長仿真的時間參數(shù)給定的起始時間，累加設定的時間間隔，依次形成光照影響區(qū)域計算的時間序列的各個時間點，直至生長仿真的時間參數(shù)給定的結束時間；其次，利用虛擬樹木生長仿真的地理位置的經度和緯度信息，獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點的太陽高度角；太陽光照在地球上的直射點的地理緯度為太陽赤緯，以S表示；虛擬樹木生長仿真所在位置的地理緯度用識表示，地方時以t表示，虛擬樹木生長仿真所在位置的太陽的高度角表示為:sinh=sin(psind+sin(pcosdcost·，一年內任何一天的赤緯角δ有如下關系sin δ = 0. 39795Χ cos
，式中，N為日數(shù)，自1月1日開始計算；所述步驟(5)中，獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域的過程為首先，利用等價計算三維模型生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子的特征數(shù)據(jù)，所述的特征數(shù)據(jù)可以是光照影子的表達式或特征點坐標；當太陽的高度角為h，時角為t時，四種樹木結構類型的生成光照影子特征數(shù)據(jù)的具體方法如下球形結構類型的虛擬樹木的光照影子用橢圓表示，當太陽高度角h、時角t的下投
射到z = 0平面的光照影子的表達式為
2 2(x + lco^tltgh) + (y-Isintltgh) = ι
(r/sinh)^r^錐形結構類型的虛擬樹木的光照影子用三角形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = 0平面的光照影子的特征點坐標為A(-lt*cost/tgh, lt*sint/tgh,0)B (-Lbo氺cos (t-k), Lbo氺sin (t-k), 0)C (-Lbo氺cos (t+k), Lbo氺sin (t+k), 0)圓柱形結構類型的虛擬樹木的光照影子用四邊形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = O平面的光照影子的特征點坐標為A(-Lao^cos(t_kl), Lao*sin (t_kl),0)B (-Lao氺cos (t+kl), Lao氺sin (t+kl), 0)C (-Ldo氺cos (t+k2), Ldo氺sin (t+k2), 0)
D(_Ldo*cos(t_k2)，Ldo*sin (t_k2)，0)寬展開形結構類型的虛擬樹木的光照影子用六邊形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = O平面的光照影子的特征點坐標為A(-Lao^cos(t_kl), Lao*sin (t_kl),0)B (-Lao氺cos (t+kl), Lao氺sin (t+kl), 0)C (-Ldo氺cos (t+k2), Ldo氺sin (t+k2), 0)D (-Ldo氺cos (t~k2), Ldo氺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為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域，具體過程如下
第一步，獲取以計算機顯示屏像素為單位的可視化窗口的大小，即可視化窗口的長(height)、寬(width)；初始化對應于窗口大小的兩個數(shù)組shadow[height] [width]、PFD[height] [width]，分別用于存儲獲取的光照影響區(qū)域及各像素有效光照強度的總和；第二步，通過循環(huán)依次獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點光照影子的特征數(shù)據(jù)，在可視化窗口中生成該時間點下的光照影子；第三步，讀取可視化窗口內所有的像素信息，并依次判斷每個像素點是否在該時間點下的光照影子內；如果某個像素點在該光照影子內，則數(shù)組shadow中與該像素點位置對應下標的數(shù)組元素的值被置為1，并在PFD數(shù)組對應下標的數(shù)組元素中累加有效光照強度信息；當太陽高度角h時，有效的光照強度PFDLat可以表示為PFDLat = PFD。*sinh* (I-Shade)公式 1其中，PDF0為植物所能接收到的最強光照強度，即赤道地區(qū)正午時間沒有任何遮擋時的光照強度，PDF0的取值為PDFtl = 2000 μ Hi0CtaT2s-1 ；shade為遮蔭率因子；而對于高大植物本身來說，shade = 0 ；當某個像素點被包含在多個時間點的光照影子內時，該像素點對于每個光照影子的有效光照強度PFDw可根據(jù)公式1計算得到，并將每個光照影子下該像素點的有效光照強度累加之和存儲在PFD數(shù)組對應下標的數(shù)組元素中；進一步，所述以光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域的過程還包括第四步，根據(jù)數(shù)組PFD內存儲的光照強度總和，清空可視化窗口，循環(huán)讀取數(shù)組shadow的值，若值為1，則為可視化窗口在該下標位置對應的像素著色；循環(huán)結束后，在計算機屏幕的可視化窗口中獲得了以顏色深淺表示的像素化光照影響區(qū)域，光照強度總和越小的像素點可視化時顏色越深。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在(1)利用樹木生長仿真所在地理位置的緯度信息和光照時長信息生成光照影響區(qū)域，解決了傳統(tǒng)FON模型用標準的圓形表示樹木的光照影響區(qū)域時導致的不精確問題，能體現(xiàn)生長在不同緯度地區(qū)的樹木光照影響區(qū)域的真實情況，針對生長在不同緯度地區(qū)的樹木獲得不同形狀的樹木光照影響區(qū)域。(2)通過對樹木結構類型的自動識別，采用相應的等價計算模型進行光照影響區(qū)域的計算，實現(xiàn)了大規(guī)模、大尺度的森林動態(tài)生長仿真中樹木光照影響區(qū)域的快速獲取，避免了精確計算中所需計算時間過長的問題，對于大規(guī)模、大尺度的森林動態(tài)生長過程的快速仿真具有重要意義。


圖1是本發(fā)明虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取的原理框圖。圖2是本發(fā)明虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法的流程圖。圖3是本發(fā)明典型樹木結構類型的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。5 參照圖1 圖3，一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，所述獲取方法包括以下步驟(1)根據(jù)樹木的幾何形狀特征提取樹木結構類型，并建立樹木架構庫，其中，典型樹木結構類型包括球形、錐形、圓柱形和寬展開形；(2)通過虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息自動確定樹木結構類型；(3)建立虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息與所述確定的樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)之間的映射關系，形成用于生成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型；(4)根據(jù)虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)和設定的時間間隔生成光照影響區(qū)域計算的時間序列，并利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算所述時間序列中各個時間點的太陽高度角；(5)利用等價計算三維模型生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子，并以所述光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域。如圖2所示，本發(fā)明一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法包括如下步驟(1)參看圖1，本發(fā)明了建立樹木架構庫1，其中，典型樹木結構類型包括球形、錐形、圓柱形和寬展開形。樹木結構類型可以分為典型、非典型兩類；典型的樹木結構類型可以有球形、錐形、圓柱形、寬展開形等，分別如圖3(a)、(b)、(c)和(d)所示。球形、錐形、圓柱形、寬展開形四種樹木結構類型與幾何形狀特征的關系如下對于球形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑為0或在接近于0的較小閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)使得不同高度處的樹冠直徑的變化規(guī)律與一個球體的緯度圈直徑的差值不超過設定的偏差率；對于錐形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑接近于0或在接近于0的較小閾值范圍內，樹冠的底部直徑大于0 ；樹冠的枝條增長系數(shù)小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值變化在設定的閾值范圍內；對于圓柱形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑相等或者其差值在一個較小的閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)為1，或者樹冠的枝條增長系數(shù)的值在接近于1的較小閾值范圍內變化；對于寬展開形，需要滿足以下兩個條件樹冠的中心直徑大于樹冠的頂部直徑，且樹冠的中心直徑大于樹冠的底部直徑；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值在大于1和小于1的情況下，分別在設定的閾值范圍內變化。(2)通過虛擬樹木生長仿真的三維模型2的幾何形狀特征信息自動確定樹木結構類型。虛擬樹木生長仿真的三維模型2的幾何形狀特征信息包括樹木的樹高、樹冠的頂部直徑、樹冠的底部直徑、樹冠的中心直徑和樹冠的枝條增長系數(shù)等參數(shù)。進行樹木結構類型自動判斷時，根據(jù)步驟(1)中的球形、錐形、圓柱形、寬展開形四種樹木結構類型與幾何形狀特征的關系，判斷是否滿足其中的一種情況。如果是，則該虛擬樹木生長仿真的三維模型
92為這種情況對應的典型的樹木結構類型；否則，為非典型的樹木結構類型。(3)根據(jù)樹木結構類型的判斷結果，建立虛擬樹木生長仿真的三維模型2的幾何形狀特征信息與所述確定的樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)之間的映射關系，形成用于生成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型5。—個較長時間周期內的太陽光照影響區(qū)域，體現(xiàn)的是一個整體情況。因此，可以根據(jù)植物整體形狀結構來近似地快速繪制光照影響區(qū)域。本發(fā)明針對常見的樹木形態(tài)結構類型建立了虛擬樹木生長仿真的三維模型2中幾何形狀特征信息與樹木架構庫1中的典型樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)的映射，形成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型5 ；對于非典型的樹木結構類型，將虛擬樹木生長仿真的三維模型2作為等價計算三維模型5 ；為了得到可以用于獲取樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型5，需要建立虛擬樹木生長仿真的三維模型2中幾何形狀特征信息與典型樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)的映射關系。對于球形、錐形、圓柱形、寬展開形等典型樹木結構類型，本發(fā)明通過定義對應的幾何特征參數(shù)來表達樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型5，一般可以根據(jù)樹木的樹高、樹冠的頂部直徑、樹冠的底部直徑、樹冠的中心直徑、樹冠的枝條增長系數(shù)等幾何形狀特征信息計算得到等價計算三維模型5的幾何特征參數(shù)的數(shù)值。樹木架構庫1中的球形、錐形、圓柱形、寬展開形四種樹木結構類型的等價計算三維模型5的幾何特征參數(shù)包括 球形結構的幾何特征參數(shù)包括球體半徑為r，樹根至球心的高度為1 ； 錐形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓錐底部半徑為r; 圓柱形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓柱底部半徑為r ； 寬展開形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠中心至樹根高lm，頂部半徑rt，底部半徑rd，中部半徑rm。(4)根據(jù)虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)和設定的時間間隔生成光照影響區(qū)域計算的時間序列，并利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算所述時間序列中各個時間點的太陽4的高度角。具體方法如下首先，獲取虛擬樹木生長仿真的地理位置和時間參數(shù)信息，按照設定的時間間隔形成光照影響區(qū)域計算的時間序列。按照生長仿真的時間參數(shù)給定的起始時間，累加設定的時間間隔，依次形成光照影響區(qū)域計算的時間序列的各個時間點，直至生長仿真的時間參數(shù)給定的結束時間。其次，利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算所述時間序列中各個時間點太陽4的高度角。一年中，由于季節(jié)變換，太陽4的光照直射點在南北回歸線之間變化。對于地球上的某個地點，每天不同時刻太陽4的高度角也在變化。為了更加準確地表示樹木的光照影響區(qū)域，需要綜合計算一年中的每一天不同時刻的太陽4的光照射到地面形成的光照影子6，從而獲取表示一個時間周期的平均光照影響區(qū)域。傳統(tǒng)的FON光照影響圈模型不是通過投影得到，而本發(fā)明根據(jù)實時的太陽光照位置進行投影計算，得到結果將更加符合實際。太陽4的光照在地球上的直射點的地理緯度稱為太陽赤緯，以δ表示。觀測地地理緯度用φ表示，地方時(時角)以t表示，觀測地的太陽4的高度角計算公式可以表示為sinh=sin(psind+sin(pcosdcost。因δ赤緯值日變化很小，一年內任何一天的赤緯角δ有如下關系sinS =0. 39795 X cos
，式中N為日數(shù)，自1月1日開始計算，例如1月1日，N取1 ;1月2日，N取2 ;1月3日，N取3，依此類推。(5)利用等價計算三維模型5生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子6，并以所述光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域7。如果直接利用虛擬樹木生長仿真的三維模型2計算精確的光照影子3，由于虛擬樹木生長仿真的三維模型2的幾何數(shù)據(jù)量非常大，其計算過程耗時較多，而利用等價計算三維模型5進行計算將快很多。具體方法如下首先，利用等價計算三維模型5生成虛擬樹木生長仿真的三維模型2在所述時間序列中各個時間點和對應和太陽4的高度角情況下的光照影子6。當太陽4的高度角為h，時角為t時，樹木架構庫1中的四種典型樹木結構類型的光照影子6的快速計算的具體方法為參看圖3(a)，對于球形結構，在三維坐標系下，當球體在太陽高度角h、時角t的條件下投射到ζ = 0平面時，生成一個二維平面上的橢圓形。因此，需確定生成的橢圓形的長、短軸及中心坐標。已知球心T(0，0，1)，所以點T在ζ = 0平面上對應的點P的坐標為(-lcOSt/tgh，lSint/tgh，0)，即橢圓的中心坐標。球體半徑為r，入射光線與ζ = 0平面成h度角，所以球體在Y軸方向保持不變，即橢圓短軸b = 2r ；而X軸方向由半徑r變?yōu)閞/sinh,即橢圓長軸a = 2r/sinh0因此，球形結構類型的虛擬樹木的光照影子用橢圓表示，當
太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = 0平面的光照影子的表達式為
2 2(x + /cosf"g/;) + (y-Isintltgh) = ^
(r/sinh)^r^同理可得，參看圖3(b)，錐形結構類型的虛擬樹木的光照影子用三角形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = 0平面的光照影子的特征點坐標為A(-lt*cost/tgh, lt*sint/tgh,0)B (-Lbo氺cos (t-k), Lbo氺sin (t-k), 0)C(-Lbo^cos(t+k), Lbo^sin (t+k),0)參看圖3(c)，圓柱形結構類型的虛擬樹木的光照影子用四邊形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = O平面的光照影子的特征點坐標為A(-Lao^cos(t-kl), Lao*sin (t_kl),0)B (-Lao氺cos (t+kl), Lao氺sin (t+kl), 0)C (-Ldo^cos (t+k2), Ldo氺sin (t+k2), 0)D (-Ldo氺cos (t~k2), Ldo氺sin (t~k2), 0)參看圖3 (d)，寬展開形結構類型的虛擬樹木的光照影子用六邊形表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ = O平面的光照影子的特征點坐標為A(-Lao^cos(t-kl), Lao*sin (t_kl),0)
B (-Lao氺cos (t+kl), Lao氺sin (t+kl), 0)C (-Ldo^cos (t+k2), Ldo氺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，以像素為基本單元疊加計算時間序列中各時間的光照影子，獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域7 ；通過樹木遮蔭率、空氣透明度等參數(shù)計算虛擬樹木生長仿真時間序列中各個時間點的光照影子和有效光照強度，并使用顏色深淺的方式表示光照影響區(qū)域7可視化中的光照強度。以光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域7的具體方法如下第一步，獲取以計算機顯示屏像素為單位的可視化窗口的大小，即可視化窗口的長(height)、寬(width)；初始化對應于窗口大小的兩個數(shù)組shadow[height] [width]、PFD[height] [width]，分別用于存儲獲取的光照影響區(qū)域及各像素有效光照強度的總和；第二步，通過循環(huán)依次獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點光照影子的特征數(shù)據(jù)，在可視化窗口中生成該時間點下的光照影子；第三步，讀取可視化窗口內所有的像素信息，并依次判斷每個像素點是否在該時間點下的光照影子內；如果某個像素點在該光照影子內，則數(shù)組shadow中與該像素點位置對應下標的數(shù)組元素的值被置為1，并在PFD數(shù)組對應下標的數(shù)組元素中累加有效光照強度信息；當時太陽高度角h時，有效的光照強度PFDm可以表示為PFDLat = PFD。*sinh* (I-Shade)公式 1其中，PDF0為植物所能接收到的最強光照強度，即赤道地區(qū)正午時間沒有任何遮擋時的光照強度，PDF0的取值為PDFtl = 2000 μ Hi0CtaT2s-1 ；shade為遮蔭率因子；而對于高大植物本身來說，shade = O ；當某個像素點被包含在多個時間點的光照影子內時，該像素點對于每個光照影子的有效光照強度PFDw可根據(jù)公式1計算得到，并將每個光照影子下該像素點的有效光照強度累加之和存儲在PFD數(shù)組對應下標的數(shù)組元素中；上述過程為一個循環(huán)疊加的過程，每次循環(huán)都重新生成當前時間點下的光照影子及有效光照強度。當這個疊加計算過程結束，數(shù)組shadow [height] [width], PFD [heigh][width]就分別存儲了這個時間周期內的光照影響區(qū)域和有效光照強度PFDlat的總和。第四步，根據(jù)數(shù)組PFD內存儲的光照強度總和，清空可視化窗口，循環(huán)讀取數(shù)組shadow的值，若值為1，則為可視化窗口在該下標位置對應的像素著色；循環(huán)結束后，在計算機屏幕的可視化窗口中獲得了以顏色深淺表示的像素化光照影響區(qū)域7，光照強度總和越小的像素點可視化時顏色越深。對于某一個時間周期內的光照影響區(qū)域7來說，像素點的光照影子重疊次數(shù)越多，該像素點對應的區(qū)域能吸收到的光照就越少，可視化表示時該像素點的顏色就越深。
權利要求
1.一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述獲取方法包括以下步驟(1)根據(jù)樹木的幾何形狀特征提取樹木結構類型，并建立樹木架構庫，其中，典型樹木結構類型包括球形、錐形、圓柱形和寬展開形；(2)通過虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息自動確定樹木結構類型；(3)建立虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息與所述確定的樹木結構類型的幾何形狀特征參數(shù)之間的映射關系，形成用于生成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型；(4)根據(jù)虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)和設定的時間間隔生成光照影響區(qū)域計算的時間序列，并利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算所述時間序列中各個時間點的太陽高度角；(5)利用等價計算三維模型生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子，并以所述光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域。
2.如權利要求1所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述步驟(1)中，提取的樹木結構類型與幾何形狀特征的關系如下對于球形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑為0或在接近于0的較小閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)使得不同高度處的樹冠直徑的變化規(guī)律與一個球體的緯度圈直徑的差值不超過設定的偏差率；對于錐形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑接近于0或在接近于0的較小閾值范圍內，樹冠的底部直徑大于0 ；樹冠的枝條增長系數(shù)小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值變化在設定的閾值范圍內；對于圓柱形結構，需要滿足以下兩個條件樹冠的頂部直徑和樹冠的底部直徑相等或者其差值在一個較小的閾值范圍內；樹冠的枝條增長系數(shù)為1，或者樹冠的枝條增長系數(shù)的值在接近于1的較小閾值范圍內變化；對于寬展開形，需要滿足以下兩個條件樹冠的中心直徑大于樹冠的頂部直徑，且樹冠的中心直徑大于樹冠的底部直徑；樹冠的枝條增長系數(shù)先大于1后小于1，且樹冠的枝條增長系數(shù)的值在大于1和小于1的情況下，分別在設定的閾值范圍內變化。
3.如權利要求1所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述步驟O)中，所述幾何形狀特征信息包括樹木的樹高、樹冠的頂部直徑、樹冠的底部直徑、樹冠的中心直徑和樹冠的枝條增長系數(shù)；所述的自動確定樹木結構類型是根據(jù)樹木結構類型與提取的幾何形狀特征的關系進行自動判斷；
4.如權利要求1所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述步驟(3)中，球形、錐形、圓柱形、寬展開形四種樹木結構類型的等價計算三維模型的幾何特征參數(shù)包括 球形結構的幾何特征參數(shù)包括球體半徑為r，樹根至球心的高度為1 ； 錐形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓錐底部半徑為 圓柱形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠高lt-ld，圓柱底部半徑為r ； 寬展開形結構的幾何特征參數(shù)包括樹高lt，樹干高ld，樹冠中心至樹根高lm，頂部半徑rt，底部半徑rd，中部半徑rm ；
5.如權利要求1所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述步驟中，獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點的太陽高度角的過程為首先，獲取虛擬樹木生長仿真的時間參數(shù)信息，并按照設定的時間間隔形成光照影響區(qū)域計算的時間序列，即按照生長仿真的時間參數(shù)給定的起始時間，累加設定的時間間隔，依次形成光照影響區(qū)域計算的時間序列的各個時間點，直至生長仿真的時間參數(shù)給定的結束時間；其次，利用虛擬樹木生長仿真的地理位置的經度和緯度信息，獲取光照影響區(qū)域計算的時間序列中各個時間點的太陽高度角；太陽光照在地球上的直射點的地理緯度為太陽赤緯，以δ表示；虛擬樹木生長仿真所在位置的地理緯度用識表示，地方時以t表示，虛擬樹木生長仿真所在位置的太陽的高度角表示為"^/^^^(^^(^+^+WI^COMCOW;—年內任何一天的赤緯角δ有如下關系sin δ = 0.39795Χ cos
，式中，N為日數(shù)，自1月1日開始計算。
6.如權利要求1所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述步驟(5)中，獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域的過程為首先，利用等價計算三維模型生成虛擬樹木在所述時間序列中各個時間點的光照影子的特征數(shù)據(jù)，所述的特征數(shù)據(jù)可以是光照影子的表達式或特征點坐標；當太陽的高度角為h，時角為t時，四種樹木結構類型的生成光照影子特征數(shù)據(jù)的具體方法如下球形結構類型的虛擬樹木的光照影子用橢圓表示，當太陽高度角h、時角t的下投射到ζ=0平面的光照影子的表達式為
7.如權利要求6所述的一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，其特征在于所述以光照影子的各像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域的過程還包括第四步，根據(jù)數(shù)組PFD內存儲的光照強度總和，清空可視化窗口，循環(huán)讀取數(shù)組shadow的值，若值為1，則為可視化窗口在該下標位置對應的像素著色；循環(huán)結束后，在計算機屏幕的可視化窗口中獲得了以顏色深淺表示的像素化光照影響區(qū)域，光照強度總和越小的像素點可視化時顏色越深。
全文摘要
一種像素化的虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法，包括以下步驟(1)根據(jù)樹木的幾何形狀特征提取樹木結構類型，并建立樹木架構庫；(2)通過虛擬樹木生長仿真的三維模型的幾何形狀特征信息自動確定樹木結構類型；(3)形成用于生成樹木光照影響區(qū)域的等價計算三維模型；(4)生成光照影響區(qū)域計算的時間序列，利用虛擬樹木生長仿真的地理位置信息計算各個時間點的太陽高度角；(5)利用等價計算三維模型生成虛擬樹木各個時間點的光照影子，以像素為基本單元進行疊加計算獲取像素化的虛擬樹木的光照影響區(qū)域。本發(fā)明提供一種有效降低復雜度、提高速度、適用于大規(guī)模和大尺度的森林動態(tài)生長仿真的像素化虛擬樹木光照影響區(qū)域獲取方法。
文檔編號G06T15/60GK102568027SQ20111044660
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權日2011年12月28日
發(fā)明者范菁, 董天陽 申請人:浙江工業(yè)大學