一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法
【專利摘要】一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法，步驟如下：獲取樹木形態(tài)圖像tImage；建立樹木形態(tài)模型tModel；計(jì)算一級分枝枝長Ln；構(gòu)建IFS分形矩陣Wn；實(shí)現(xiàn)三維樹木分形本發(fā)明由于建立了IFS分形的樹木形態(tài)反饋機(jī)制，并且樹木形態(tài)模型涵蓋了林業(yè)上經(jīng)常使用的樹木生長模型（包括樹高生長模型、冠幅生長模型、冠高生長模型、冠長率模型），同時(shí)加入了冠形指數(shù)變化模型。因此可以通過這些模型實(shí)現(xiàn)對IFS分形矩陣參數(shù)的控制，使其分形生長完全適應(yīng)于表示樹木實(shí)際生長的模型曲線。以下是IFS分形方法在改進(jìn)前后對樹高、冠幅生長模擬的圖形比較。對于各一級枝長的生長、冠長率生長、冠形指數(shù)的變化等也具有類似的差異。
【專利說明】一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項(xiàng)發(fā)明屬于電子信息【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]樹木三維可視化模擬成為森林模擬的重要技術(shù)手段。分形幾何技術(shù)作為可視化的重要基礎(chǔ)得到長足發(fā)展。分形幾何理論中迭代函數(shù)系統(tǒng)(Iterated Function System, IFS)在樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)模擬中被廣泛應(yīng)用。在利用IFS分形方法進(jìn)行樹木三維可視化模擬中，其分形矩陣決定了所模擬的樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化。然而，傳統(tǒng)的IFS分形方法的主要缺陷之一，就是其分形矩陣一旦確定，所生成的樹木結(jié)構(gòu)變化不再改變，其形態(tài)變化也不再改變。這一特性使其分形的樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)難以符合模擬對像實(shí)際生長著的情況。這不但嚴(yán)重影響了樹木可視化的模擬效果，也影響到以樹木形態(tài)特征為競爭因子的樹木生長的模擬。從而嚴(yán)重制約了 IFS分形方法在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，構(gòu)造適應(yīng)于樹木形態(tài)模型并適應(yīng)其形態(tài)變化的IFS分形方法成為本項(xiàng)發(fā)明的焦點(diǎn)。
[0003]在本項(xiàng)發(fā)明中，利用了樹木形態(tài)模型，以及獲取樹木形態(tài)圖像的激光掃描等現(xiàn)有技術(shù)。而發(fā)明的核心是提出一種適應(yīng)于樹木形態(tài)特征及其形態(tài)變化的IFS分形矩陣參數(shù)的計(jì)算方法。利用這種算法可以實(shí)現(xiàn)對單軸分枝類型的樹木的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其生長變化的三維模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]以真實(shí)的樹木形態(tài)(此處指樹木的整體輪廓)圖像為依據(jù)，建立IFS分形矩陣，使其分形迭代所生成的樹木形態(tài)以及形態(tài)變化符合真實(shí)樹木的形態(tài)和形態(tài)變化。以克服傳統(tǒng)IFS分形算法所模擬的樹木即不能滿足樹木形態(tài)特征，也不能滿足樹木形態(tài)生長變化的缺陷。本項(xiàng)發(fā)明將給出IFS的改進(jìn)算法。
[0005]一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法，步驟如下:
[0006](I)獲取樹木形態(tài)圖像tlmage ；
[0007](2)建立樹木形態(tài)模型tModel，；
[0008](3)計(jì)算一級分枝枝長Ln ；
[0009](4)構(gòu)建IFS分形矩陣Wn ；
[0010](5)實(shí)現(xiàn)三維樹木分形iC。
[0011]所述步驟(I)中，獲取樹木形態(tài)圖像tlmage，獲取樹木形態(tài)圖像的目的是為了以樹木形態(tài)圖像為基礎(chǔ)來匹配樹木形態(tài)模型。獲取樹木形態(tài)圖像的方法，采用地面三維激光掃描、單張攝影照片的逆投影變化、立體像對等三種方法獲得樹木形態(tài)圖像；所述三維激光掃描方法，即樹木圖像來自于FARO LS120地面激光掃描系統(tǒng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，由三維點(diǎn)陣處理平臺Ge0magicl2以平行投影方式顯示正視圖像，通過點(diǎn)坐標(biāo)記錄樹高Z值和樹根Z值來計(jì)算樹高；然后拉框選擇樹木對像，并保存樹木二維正視圖tlmage。[0012]所述步驟(2)中，建立樹木形態(tài)模型tModel，即以公式(I)為樹木形態(tài)模型，編制樹木形態(tài)圖像與樹木形態(tài)模型曲線的匹配算法，將樹木的外形用模型曲線來刻畫，其樹木的上下冠形分別對應(yīng)于兩個(gè)冪函數(shù)方程，模型曲線的匹配采用目視匹配的方法，即首先輸入樹高數(shù)值，然后由鼠標(biāo)選擇圖像中的樹高位置、樹根位置、冠高位置、枝下高位置，最后通過調(diào)整上冠幅指數(shù)、下冠形指數(shù)兩個(gè)參數(shù)，使模型曲線適合于樹木圖像的冠形，此時(shí)在模型表示欄得到兩個(gè)冪函數(shù)方程，即描述樹木上下冠幅形態(tài)的模型；
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)分形算法的樹木形態(tài)模擬方法，其特征在于，所述方法的步驟如下: (O獲取樹木形態(tài)圖像tImage ； (2)建立樹木形態(tài)模型tModel，； (3)計(jì)算一級分枝枝長Ln； (4)構(gòu)建IFS分形矩陣Wn； (5)實(shí)現(xiàn)三維樹木分形Rf
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(1)中，獲取樹木形態(tài)圖像tlmage,獲取樹木形態(tài)圖像的目的是為了以樹木形態(tài)圖像為基礎(chǔ)來匹配樹木形態(tài)模型。獲取樹木形態(tài)圖像的方法，采用地面三維激光掃描、單張攝影照片的逆投影變化、立體像對等三種方法獲得樹木形態(tài)圖像；所述三維激光掃描方法，即樹木圖像來自于FARO LS120地面激光掃描系統(tǒng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，由三維點(diǎn)陣處理平臺Ge0magicl2以平行投影方式顯示正視圖像,通過點(diǎn)坐標(biāo)記錄樹高Z值和樹根Z值來計(jì)算樹高；然后拉框選擇樹木對像,并保存樹木二維正視圖tlmage。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(2)中，建立樹木形態(tài)模型tModel，即以公式(I)為樹木形態(tài)模型，編制樹木形態(tài)圖像與樹木形態(tài)模型曲線的匹配算法，將樹木的外形用模型曲線來刻畫，其樹木的上下冠形分別對應(yīng)于兩個(gè)冪函數(shù)方程，模型曲線的匹配采用目視匹配的方法，即首先輸入樹高數(shù)值，然后由鼠標(biāo)選擇圖像中的樹高位置、樹根位置、冠高位置、枝下高位置，最后通過調(diào)整上冠幅指數(shù)、下冠形指數(shù)兩個(gè)參數(shù)，使模型曲線適合于樹木圖像的冠形，此時(shí)在模型表示欄得到兩個(gè)冪函數(shù)方程，即描述樹木上下冠幅形態(tài)的模型；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(3)中，所述計(jì)算一級分枝長度Ln，樹木一級分枝的長度與其父枝即樹木主干長度的比值是構(gòu)成IFS分形參數(shù)的重要依據(jù)，每個(gè)一級分枝長度在不同的生長階段都受到所在生長階段冠形的限制，以下給出適應(yīng)于一級分枝著枝點(diǎn)位置即枝下距和分枝仰角的分枝長度計(jì)算方法，單軸分枝的一級分枝方程用線性模型表示即認(rèn)為是直枝，彎枝可用非線性曲線表示；直枝表示為y=ax+b，b為分枝枝下距，a=tg(r)，r為分枝仰角，樹木冠形曲線上部冠形為yzH-ap-bi，下部冠形為y=Hb+a2x~b2，求解一級分枝與冠形曲線的交點(diǎn)，方法采用割線迭代法，其交點(diǎn)與著枝點(diǎn)位置的距離即為一級分枝的枝長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，構(gòu)建IFS分形矩陣Wn，IFS分形矩陣由(2)式表示，其中，sn為收縮因子，由于在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的收縮比例相同，收縮矩陣退化為收縮因子；其后為以X為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)4角，為分枝仰角，和以Z為軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)a?角，產(chǎn)生分枝方位角的旋轉(zhuǎn)矩陣；以及在平面坐標(biāo)原點(diǎn)，初始樹高為1?的初始矩陣和一級分枝著枝點(diǎn)位置bn矩陣，產(chǎn)生平移矩陣，取Sn的數(shù)值分別為每個(gè)一級分枝長度與樹高的比值，沿樹高方向的生長為仰角rn=0的一級分枝的生長，只是著枝點(diǎn)位置為樹高，式中η代表不同的一級分枝，二級以上的分枝仍然使用(2)式進(jìn)行迭代，迭代次數(shù)等于該樹種的總分枝級數(shù)，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(5)中，實(shí)現(xiàn)三維樹木分形#/,對于靜態(tài)樹木，(2)式給出初始樹高為tv —級分枝個(gè)數(shù)為n，著枝點(diǎn)位置為bn，方位角為an，仰角為rn的一次迭代，其中s?的數(shù)值來源于每個(gè)分枝長度與Iitl的比值，取樹高方向的分枝仰角rn=0，即為第一次迭代^生成一級分枝，其冠形符合冠形圖像tlmage和冠形模型曲線，二級分枝由(2)式進(jìn)行第二次迭代 <生成，只是迭代對像為每個(gè)一級分枝，由此迭代M次，即樹種的總分枝級數(shù)，即可。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:對于樹木生長的模擬，以獲取每個(gè)時(shí)期的樹冠圖像tlmageN為依據(jù)，利用樹高生長模型、冠幅生長模型、冠長率生長模型、以及由tlmageN為依據(jù)的冠形指數(shù)變化模型，得到每個(gè)時(shí)刻樹木一級分枝即頂枝的生長量，只是樹聞方向的分枝生長Sn等于樹聞生長量與生長前樹聞的比值,其它分枝的生長量由該分枝與生長前后冠形曲線的交點(diǎn)決定，其Sn等于分枝生長量與生長前的分枝長度的比值，二級以上分枝的Sn與一級分枝相同。
【文檔編號】G06T11/00GK103679773SQ201310752559
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】劉閩, 張懷清, 鞠洪波, 陳永富, 蔣嫻 申請人:中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所