一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法技术

一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法，属于合轴分枝树木形态结构建模及三维可视化模拟技术领域。通过分析合轴分枝树木的特征，确定合轴分枝树木的相关形态、枝系结构参数，采用迭代函数系统(Iterated Function System，IFS)分形算法，构建合轴分枝树木形态结构模型及其三维可视化模拟算法，实现合轴分枝树木形态结构的三维可视化模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法
本专利技术涉及一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法，属于合轴分枝树木形态结构建模及三维可视化模拟
这种算法将应用于合轴分枝树木三维可视化模拟。
技术介绍
树木可视化模拟技术的发展不仅为树木形态结构与生长的研究提供了便利的途径，同时也对林业的管理和决策产生至关重要的作用，具有广泛的实用价值。上世纪70年代以来，树木形态结构和功能模拟方面建立了大量模型，但是由于树木种类繁多、几何形态与结构复杂等原因，大部分树木可视化模型都集中在单轴分枝树种，合轴分枝树种作为常见树种，在树种类型中占有很大的比例，但是合轴分枝树木与单轴分枝树木的形态结构特征差异明显，形态结构相对更加复杂，目前对树木枝系结构的分析都是从单轴分枝树木的形态结构考虑，缺乏合轴分枝树木的形态结构三维建模方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足,本专利技术提供一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法。一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法,通过分析合轴分枝树木的特征，确定合轴分枝树木的相关形态、枝系结构参数，采用迭代函数系统(IteratedFunctionSystem，IFS)分形算法，构建合轴分枝树木形态结构模型及其三维可视化模拟算法，实现合轴分枝树木形态结构的三维可视化模拟。一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法,含有以下步骤；步骤1，合轴分枝树木形态结构参数确定；步骤2，确定冠型模型及其参数；步骤3，确定IFS因子与形态结构参数关系；步骤4，确定合轴分枝树木形态结构模型；步骤5，主干及枝系结构绘制；步骤6，合轴分枝树木三维可视化模拟。本专利技术的优点利用了合轴分枝树木特征，通过获取合轴分枝树木的主要形态结构参数，提出一种适应于合轴分枝树种木形态特征的三维可视化模拟方法。利用这种方法可以实现对合轴分枝类型的树木形态结构的三维建模与可视化模拟。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专利技术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专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定，如图其中：图1为本专利技术的合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟技术流程图；图2为本专利技术的合轴分枝形态示意图；图3为本专利技术的合轴分枝形态结构参数示意图；图4为本专利技术的IFS因子与合轴分枝形态结构参数关系图；图5为本专利技术的合轴分枝树木IFS迭代过程图；图6为本专利技术的合轴分枝树木模型绘制过程图；图7为本专利技术的合轴分枝树木枝长示意图；图8为本专利技术的树冠计算过程流程图；图9a为本专利技术的槐树形态结构三维可视化模拟图；图9b为本专利技术的槐树形态结构三维可视化模拟图。下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。具体实施方式显然，本领域技术人员基于本专利技术的宗旨所做的许多修改和变化属于本专利技术的保护范围。实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9a、图9b所示，一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法,通过分析合轴分枝树木的特征，确定合轴分枝树木的相关形态、枝系结构参数，采用迭代函数系统IFS分形算法，建立合轴分枝树木形态结构特征参数与IFS因子的关系，构建合轴分枝树木形态结构模型及其三维可视化模拟的具体算法，实现合轴分枝树木形态结构的三维可视化模拟，技术流程如下图1所示：步骤1.合轴分枝树木形态分枝模式可以被看作是物种生物学、分类学的一个重要特征。根据树木分枝的组成和外部形态特点，可将常见树木的分枝模式归结为两类：单轴分枝与合轴分枝。合轴分枝树木没有明显的主干，其主干由许多腋芽发育而成的侧枝联合组成。以这种方式分枝的植物，具有弯曲的主轴，整个地上部分呈开张状态，主干没有明显的顶端优势。分枝植物顶芽发育一定时间后就会死亡或生长缓慢，或分化成花芽，或成为卷须等变态器官，而位于顶芽下面的侧芽就取而代之，代替原来的主轴继续发育，不断生长形成强的侧枝连接在原来的主轴上。然后生长一段时间后，这种侧枝上的顶芽停止发育，又由它下面的侧芽来代替，如此更迭，就形成了弯曲的主轴。常见树种如槐树，榆树等。图2为合轴分枝形态示意图。步骤2.合轴分枝树木形态结构参数决定树木分枝格局的关键因素包括树干的分枝方式、分枝个数、分枝角度、分枝长度以及树冠形状。合轴树木的树冠呈开张状态，根据合轴分枝树木分枝结构特点，将描述合轴分枝树木的分枝结构指标分为两类：一类为形态指标，描述树木的整体形态特点，包括树高，路径长度，冠高，冠幅，冠型指数等；另一类为结构指标，体现了树木枝系的几何结构特征，包括分枝仰角，枝径比，枝长比，分枝级数，分枝率等。以枝径的大小为划分标准，将合轴树木的分枝分为主枝与次枝分别进行统计分析上述形态结构指标(各参数如图3所示)。树冠决定了树木的整体轮廓，以树冠纵断面作为研究对象，将树冠的横断面看作圆形，即认为冠型曲线以树干为对称轴对称，以枝下高、树高、冠高和冠幅为自变量，利用一般幂函数的形式建立冠形曲线函数，冠型曲线公式如下：其中b1为上冠形指数，a1为与b1相关的参数，H为树高值，Hc为冠高值，x表示沿冠幅方向的数值，其取值范围为x≤0.5Cr，Cr为冠幅值。通过上述的分析，将合轴分枝树木的形态结构参数汇总如表1所示。表1合轴分枝形态结构建模参数步骤3.基于IFS算法的合轴分枝树木形态结构模型迭代函数系统IFS可以看作是初始图形经过一系列变换映射，即对初始图形单元进行一定原则的旋转，缩放，平移等基本操作，最后形成的图形集合。IFS方法的关键步骤即为仿射变换，通常可以用一系列的仿射变换来表示IFS。定义三维空间中的仿射变换为ω:R3→R3。表示成如下形式：其中X为三维欧氏空间的一个点集，ωn是由N个仿射变换组成的一组仿射变换。Bn为位移矩阵，An实际上是一个复合变换矩阵，它包含了基本的仿射变换(旋转变换、缩放变换等)，这里表示的是绕Y轴与Z轴旋转的两个旋转矩阵与一个缩放矩阵的乘积。an，bn，cn，dn，en，fn，gn，hn，in为仿射变换矩阵元素；Un，Vn，Wn为平移矩阵元素合轴分枝树木其形态结构局部与整体相似，遵循自相似规律。宏观上树木形态结构可以看作为分层结构，由树木主干、分枝和树叶构成。即主干生长分生产生第一层分枝，再在第一层分枝的基础上分生第二层分枝，如此一层一层分生下去，直至最后一层为树叶，树木形态体现出一定的分形的自相似特征。用IFS方法对树木进行建模时，描述并建立IFS因子与合轴分枝形态结构参数的关系，可以使所建立的树木模型更加符合实际树木本身的结构特点。考虑IFS算法本身的特点并结合合轴分枝树木形态参数的实际意义，给出了IFS因子与形态参数间的对应关系(图4)。应用分枝级数来控制IFS的迭代次数；分枝个数确定IFS仿射变换的个数；枝长、分枝角度确定IFS的位移矩阵及旋转矩阵，枝长比确定IFS的缩放矩阵。(1)IFS旋转矩阵与分枝角度分枝的仰角确定IFS旋转矩阵中绕Y轴的旋转矩阵，绕Z轴的旋转矩阵由方位角决定。(2)IFS位移矩阵与父枝枝长对单轴分枝树木而言，枝下高确定IFS中的位移矩阵，而合轴分枝树木每一分枝的着枝点都在其父枝的枝端，根据这样的分枝特点，可确定建立合轴分枝树木模型时IFS位移矩阵中的位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法，其特征在于含有以下步骤；步骤1，合轴分枝树木形态结构参数确定；步骤2，确定冠型模型及其参数；步骤3，确定IFS因子与形态结构参数关系；步骤4，确定合轴分枝树木形态结构模型；步骤5，主干及枝系结构绘制；步骤6，合轴分枝树木三维可视化模拟。

【技术特征摘要】
1.一种合轴分枝树木形态结构三维可视化模拟方法，其特征在于含有以下步骤；步骤1，合轴分枝树木形态结构参数确定；步骤2，确定冠形模型及其参数；步骤3，确定IFS因子与形态结构参数关系；步骤4，确定合轴分枝树木形态结构模型；步骤5，主干及枝系结构绘制；步骤6，合轴分枝树木三维可视化模拟；具体步骤如下:步骤1.合轴分枝树木形态结构参数确定；根据树木分枝的组成和外部形态特点，将常见树木的分枝模式归结为两类：单轴分枝与合轴分枝；合轴分枝树木没有明显的主干，其主干由许多腋芽发育而成的侧枝联合组成；以这种方式分枝的植物，具有弯曲的主轴，整个地上部分呈开张状态，主干没有明显的顶端优势；分枝植物顶芽发育一定时间后就会死亡或生长缓慢，或分化成花芽，或成为卷须变态器官，而位于顶芽下面的侧芽就取而代之，代替原来的主轴继续发育，不断生长形成强的侧枝连接在原来的主轴上；然后生长一段时间后，这种侧枝上的顶芽停止发育，又由它下面的侧芽来代替，如此更迭，就形成了弯曲的主轴；步骤2.确定冠形模型及其参数；决定树木分枝格局的关键因素包括树干的分枝方式、分枝个数、分枝角度、分枝长度以及树冠形状；合轴树木的树冠呈开张状态，根据合轴分枝树木分枝结构特点，将描述合轴分枝树木的分枝结构指标分为两类：一类为形态指标，描述树木的整体形态特点，包括树高，路径长度，冠高，冠幅，冠形指数；另一类为结构指标，体现了树木枝系的几何结构特征，包括分枝仰角，枝径比，枝长比，分枝级数，分枝率；以枝径的大小为划分标准，将合轴树木的分枝分为主枝与次枝分别进行统计分析上述形态结构指标；树冠决定了树木的整体轮廓，以树冠纵断面作为研究对象，将树冠的横断面看作圆形，即认为冠形曲线以树干为纵轴对称，以树高、冠高和冠幅为自变量，利用一般幂函数的形式建立冠形曲线函数，冠形曲线公式如下：其中b1为上冠形指数，a1为与b1相关的参数，H为树高值，Hc为冠高值，x表示沿冠幅方向的数值，其取值范围为x≤0.5Cr，Cr为冠幅值；步骤3.确定IFS因子与形态结构参数关系；迭代函数系统IFS可以看作是初始图形经过一系列仿射变换，即对初始图形单元进行一定原则的旋转，缩放，平移基本操作，最后形成的图形集合；IFS方法的关键步骤即为仿射变换，用一系列的仿射变换来表示IFS；定义三维空间中的仿射变换为ω:R3→R3；表示成如下形式：其中X为三维欧氏空间的一个点集，ωn是由N个仿射变换组成的一组仿射变换；Bn为位移矩阵，An实际上是一个复合变换矩阵，它包含了基本的仿射变换,即旋转变换和缩放变换，这里表示的是绕Y轴与Z轴旋转的两个旋转矩阵与一个缩放矩阵的乘积；an，bn，cn，dn，en，fn，gn，hn，in为仿射变换矩阵元素un，vn，wn为平移矩阵元素；合轴分枝树木其形态结构局部与整体相似，遵循自相似规律；宏观上树木形态结构可以看作为分层结构，由树木主干、分枝和树叶构成；即主干生长分生产生第一层分枝，再在第一层分枝的基础上分生第二层分枝，如此一层一层分生下去，直至最后一层为树叶，树木形态体现出一定的分形的自相似特征；IFS因子与形态参数间的对应关系；应用分枝级数来控制IFS的迭代次数；分枝个数确定IFS仿射变换的个数；枝长、分枝角度确定IFS的位移矩阵及旋转矩阵，枝长比确定IFS的缩放矩阵；(1)IFS旋转矩阵与分枝角度；分枝的仰角确定IFS旋转矩阵中绕Y轴的旋转矩阵，绕Z轴的旋转矩阵由方位角决定；(2)IFS位移矩阵与父枝枝长；对单轴分枝树木而言，枝下高确定IFS中的位移矩阵，而合轴分枝树木每一分枝的着枝点都在其父枝的枝端，根据这样的分枝特点，确定建立合轴分枝树木模型时IFS位移矩阵中的位移值是所建分枝的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怀清，刘闽，白静，蒋娴，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院资源信息研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11