一种领域本体驱动的单株木建模方法技术

本发明专利技术公开了一种领域本体驱动的单株木建模方法，它属于本体方法与植物建模交叉领域。其特征在于：首先获取描述植物形态结构特征及生境领域概念术语及生长规律，采用本体工具protégé建立植物领域概念本体库，采用语义网开发工具Jena建立植物生长规则本体库；然后采用参数化单树建模方法，建立植物不同生长发育阶段的三维形态结构模型库；之后，根据植物形态结构特征或生境、生长阶段、物候期描述，利用本体推理，获得植物的形态结构特征参数，采用参数化单树建模方法建立逼真、形象的三维形态结构模型。利用本发明专利技术，拥有少量植物学知识用户能够建立符合植物学特征的模型；或植物学家用少量的时间建立出逼真、形象的三维模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业信息化的核心技术虚拟植物建模领域和本体建模方法、
，尤其涉及采用本体表示植物领域概念术语，更特别是本体知识库约束下的几何建模，解决知识库驱动下的树木自动化建模，旨在解决植物建模的易操作性、科学性和逼真性的技术问题。
技术介绍
随着计算机技术、虚拟现实技术和科学计算可视化和计算机硬件技术(特别是图形显示技术)的快速发展，其应用领域不断扩宽。目前面向植物(森林、作物、花草)建模与可视化的研究工作已引起众多学者、组织、企业的广泛关注，并投入了大量的研究经费和人力资源。然而树木是复杂自然环境的重要组成部分，其生长发育受到诸多环境因素(如光、温、土壤、水分以及其它植物个体)的影响与控制，几何形态极其多样、生长过程高度复杂。要对其进行三维几何形态真实感建模，并使其模型符合植物学和植物生理生态学原理、知识规则， 对所涉及的植物学知识的处理与引用便成为植物几何真实感模型构建的一个关键复杂问题，它需要计算机领域、农学、植物学家、数学家协同来完成。但直到目前大多数工作仍然处于学术研究与探讨阶段。现有植物几何建模方法，或没有融入足够的植物学知识，只注重虚拟植物的视觉效果，将所建模型应用于游戏、景观设计等对植物学知识要求不高的领域，或将植物学知识融入软件开发过程，注重所建模型的生物学机理和生理生态学依据，将所建模型应用于农业、林业等对植物模型科学性要求更高的领域。后者必然提高了植物建模软件的复杂度，也降低了支撑软件的易用性。要求所建虚拟植物不仅有足够的真实感、又能忠于植物学机理和生理生态学原理，同时保证所开发的建模软件具有易学易用，对植物学知识的处理与引用正成为智能化虚拟植物系统设计与开发需要解决的关键技术。知识库系统是近年来发展起来的一门新兴学科，受到人们的广泛关注。知识库系统是指利用人类所认识的现有知识进行推理、联想、学习和问题求解的智能计算机信息系统。知识库系统的研究内容包括知识的表示、存储、组织管理、维护、更新和查询，及知识推理和问题求解等。知识库系统是知识处理的基础，在基于知识的应用系统中起着大厦基石的作用。知识表示问题是知识库系统构建的基础和关键，本体(ontology)作为一种知识表示方法，以其良好的共享性、重用性，被广泛用于知识库系统的构建。本体知识库系统，正是利用本体的优势，构建连贯、完整、无冗余的知识库，并在此基础上实现知识的推理应用，从而解决领域问题。本体已在农业、生态学、土壤适宜性评价研究、决策等领域的知识服务中获得应用。Protege是美国斯坦福大学医学院医学信息研究小组开发的本体编辑器。它提供了一个基于知识本体的图形化和交互式的设计开发环境。Prot6g6界面分别支持Classes、 Slots,Forms.Instances,Queries的编辑。它的结构容易扩展，Prot6g6以OWL插件的形式支持OWL格式的本体，OffL插件以Java开发，用Jena开发包支持OWL文档的读取。Prot6g6 可支持多种格式的本体文件的输入编辑和编辑后的输出，类的(Cone印t)的编辑是分层的， 有具体和抽象类。Prot6g6已集成了 Racer推理机，可以根据使用者的需求进行定制。随着的越来越完善，尤其在上个世纪90年代后期，Prot6g6开放了源代码，这个工具被世界上的越来越多的个人和研究组织所采用。它能协助知识工程师和领域专家完成知识管理任务。知识本体开发人员通过树型控制可以直接管理知识本体的操作。Prot6g6的知识模型是基于框架(Frame)的，兼容于 OKBC (Open Knowledge Base Connectivity)协议。 其结构的顶层包含类、属性、属性的约束、实例的概念。Jena是惠普公司推出的开源语义网开发包，其所包含的内容广泛，包括本体解析、本体查询、持久化存储、本体推理等语义网开发的基本功能，而且提供了一个对于RDF/ RDFS、OWL、SPARQL的操作环境和部分本体知识推理功能。其推理机制是一种CLISP配合本体领域产生式规则的前向推理系统。将本体公理和规则与Jena推理机绑定，推理机就能根据本体模型中已有的三元组得出额外的三元组，完成本体推理功能。Jena中包含的推理机种类繁多，包括传递推理机、RDFS规则推理机、OffL-Lite推理机、DAML micro推理机以及通用规则推理机(Generic rule reasoner)，其中通用规则推理机基于用户指定的IF……THEN……形式的规则来进行推理，方便灵活。其规则推理利用基于RETE算法的模式匹配方法通过对组成规则的模式的匹配来得到满足规则的元组， 进而得到推理结果。这种推理主要用来发现在大量事实中蕴涵的知识，表现本体库中可推理的部分知识。Jena的可扩展性强，不仅可以利用自己的推理机，而且还可以挂接外部推理机。 Jena在本体模型和实现了 DIG接口(描述逻辑推理接口)的外置推理机间提供一个透明网关，通过这样一种机制，就可以添加外置推理机了。DIG接口是一个逐渐发展形成的标准， 它通过基于HTTP协议的接口来提供对描述逻辑推理机的访问，从而完成一个分布式的推理过程。现在已经支持的DIG接口推理机有tracer、！^aCT和Pellet。ParaTree是福建省空间信息工程研究中心开发的交互式单树建模工具软件。它是一款面向专业用户和普通用户使用的全参数化单树几何建模工具。系统可参数化、交互式地定制不同树种、年龄、物候阶段、形态结构的真实感单株植物三维模型，还可形象地模拟风吹树动和枝条修剪等过程。主要功能有(1)单株木建模。用户可根据特定植物的形态结构特征，通过交互地设置、调整主干(树高、胸径、半径变化、分节数、树干纹理等)、枝条(着枝角度、各节枝条的起始半径、半径变化、枝条长度等)和叶(叶的大小、分布频率、叶距、叶序、纹理等)的参数， 形成满足用户需求的模型。形成植物三维模型具有较强的真实感，同时符合植物的形态结构特征。(2)修剪模拟。用户可通过约束规则和交互拾取某枝条(或枝段)两种方式进行修改。(3)物候变化和生长过程模拟。用户可通过编辑树叶纹理对植物的宏观物候现象，如抽枝、开花、坐果、果实成熟等进行模拟或仿真。也可根据特定植物的生长发育特点，通过改变其所处的生长阶段，来模拟植物生长发育过程，形象表达植物生长发育。(4)可视化交互。 系统能够提供友好的人机交互界面，树木参数调整通过“即见即所得”的方式进行。功能包括模型查看、渲染模式切换、背景设置、单株基本参数设置等。用户可以通过鼠标和键盘实现模型的平移、旋转、缩放等浏览方式，可以采用不同的天空、地面纹理渲染三维可视区域背景以及查看树木的拓扑形态和几何形态统计数据。采用层次结构图形象表示植物形态结构的拓扑结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于领域本体知识驱动下的植物自动化建模的方法，其特征在于，包括以下的实现步骤步骤10 从植物种质资源描述规范或数据标准或森林资源规划设计调查主要技术规定或文献获取植物形态结构、生境、生理生态的概念术语，建立一个面向植物形态结构特征描述及其环境影响因子描述的领域概念本体库；步骤11 通过实地测量、拍摄、图像分析和森林资源一类、二类调查数据中，获取植物形态结构特征参数、纹理及环境因子，基于概念本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种领域本体驱动的单株木建模方法，其特征在于，包括以下步骤实现：步骤１０：从植物种质资源描述规范或数据标准或森林资源规划设计调查主要技术规定或文献获取植物形态结构、生境、生理生态的概念术语，建立一个面向植物形态结构特征描述及其环境影响因子描述的领域概念本体库；步骤１１：通过实地测量、拍摄、图像分析和森林资源一类、二类调查数据中，获取植物形态结构特征参数、纹理及环境因子，基于概念本体库，建立植物形态结构特征本体实例库；步骤１２：获取植物形态结构生长发育规律，建立其规则本体库；步骤１３：根据植物形态结构特征参数及生长规律，采用交互式单树建模工具，建立植物不同生长发育阶段的三维形态结构模型库；步骤１４：根据植物形态结构特征或生境、生长阶段、物候期描述，采用本体描述逻辑推理和规则推理，得出该植物形态结构特征参数；步骤１５：基于不同生长阶段的三维形态结构模型库和特定植物形态结构特征参数，采用参数化单树建模工具建立该植物的形态结构三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种领域本体驱动的单株木建模方法，其特征在于，包括以下步骤实现步骤10 从植物种质资源描述规范或数据标准或森林资源规划设计调查主要技术规定或文献获取植物形态结构、生境、生理生态的概念术语，建立一个面向植物形态结构特征描述及其环境影响因子描述的领域概念本体库；步骤11 通过实地测量、拍摄、图像分析和森林资源一类、二类调查数据中，获取植物形态结构特征参数、纹理及环境因子，基于概念本体库，建立植物形态结构特征本体实例库；步骤12 获取植物形态结构生长发育规律，建立其规则本体库；步骤13 根据植物形态结构特征参数及生长规律，采用交互式单树建模工具，建立植物不同生长发育阶段的三维形态结构模型库；步骤14 根据植物形态结构特征或生境、生长阶段、物候期描述，采用本体描述逻辑推理和规则推理，得出该植物形态结构特征参数；步骤15 基于不同生长阶段的三维形态结构模型库和特定植物形态结构特征参数，采用参数化单树建模工具建立该植物的形态结构三维模型。2.根据权利要求1所述的领域本体驱动的单株木建模方法，其特征在于步骤10和步骤11所述的领域概念本体库和特征本体实例库，采用prot6g6本体建模工具建立领域本体库，并用Racer推理引擎进行逻辑一致性检验，采用OffL本体描述语言表示领域本体。3.根据权利要求1所述的领域本体驱动的单株木建模方法，其特征在于步骤12的规则本体的形式化表达遵循Jena的规则语法结构；每一条Jena规则都是由一系列主体项 terms (前提)、头部项hterms (结论)、可选规则名和可选推理方向定义而成，每个项都是一个三元组或者是Builtin (内置原语)的调用，其中内置原语(builtin primitive)是一种能够被规则调用的程序原语(procedural primitives)，它们由注册器(registry)中的Java对象来执行。4.根据权利要求1所述的领域本体驱动的单株木建模方法，其特征在于所述步骤13 的植物形态结构三维建模采用ParaTree交互式单树建模工具软件，具体步骤如下步骤131 通过野...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈崇成，唐丽玉，池子文，申忠伟，谢小华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：35