[发明专利]一种使用近景普通数码相机的快速单木建模方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种森林资源信息真实三维可视化表达方法，特别是一种近景普通数码相机快速建立单木三维模型的方法。

二、技术背景

我国现行的森林资源信息的管理和处理，大都采用二维的数据信息，现实世界表达的逼真程度低，及在理解上带来极大不便。森林资源信息三维可视化弥补了二维信息的不足，它带给人们以全新的理解方式，从抽象的、定性的理解转变为具体的、视觉感官生动的理解。能为用户提供视觉上的感受，让用户对森林资源信息具有感性认识，更使得决策者对森林资源现状和规划设计有了更为生动、客观和理性的了解和认识，从而拓宽了森林资源管理人员的视角。

近年来，虚拟森林场景的可视化研究正成为生态学、树木学、森林经济学等领域的研究热点，其对森林经营管理、决策，森林景观设计和森林教学方面都有重要意义。在三维森林场景建立过程中，大量的树木模型成为整个场景的主题部分，它使得森林场景更加具有真实感。然而树木本身种类繁多，形状不规则，结构复杂，因此对其进行建模和绘制难度较大，且不能很好的模仿树木的动态变化，例如树木的生长变化、树木遭受病虫害变化、树木受到火灾变化等。因此探索优化的建模方式构造树木模型已经成为实现数字化森林的现实要求。

以往的三维树木建模的方法通常采用一些商用软件中集成的建模方法或是简单的贴图方法，也有科研机构应用模拟仿真的方法建立自动生成的树木仿真模型，但上述种种技术都有其明显的缺点和不足：

①单木的精确模型建模难度很大，即便是自动生成的仿真模型，在面对变化莫测的自然环境，仍然难以实现与现实树木形态结构的一致；

②精确建模的成本较高，使用较专业化，非专业人员难以胜任；

③实测时行动缓慢，周期长。

因此，怎样提高单木三维模型建模精度，降低成本，提高效率成为本领域科技人员急待解决的问题。

三、发明内容

为了克服现有的单木三维模型在建模过程中不可避免的缺陷，在提高建模精度和工作效率的同时降低成本，本发明的目的是提供一种近景普通数码相机测量单木建模方法，它在建模精度提高的情况下，显著减少了内外业的工作量，提高了效率，降低了成本，克服了现有技术存在的缺点。

本发明的目的是这样实现的：以普通数码相机为工具，通过对单株树木的环绕摄影，利用在被测树木周围放置人工标志建立相对控制的方法，通过现有的自检校解析法得到树木模型各点的空间坐标，同时利用影像获得树木的纹理信息。将上述得到的树木空间坐标以及树木纹理信息，通过构造几何图元函数进行建模，得到单木形态结构的三维模型。通过纹理映射将树木纹理信息与单木三维形态结构模型结合，得到真实感的的单木三维模型。

建立相对控制的方法如下：

以某一适当的间距在被测量的树木四周布置人工标志点，引入距离相对控制，建立误差方程。设两个标志点i和j的距离为S_i，j，从而形成条件方程式：

S²_i，j＝(Xi-Xj)²+(Yi-Yj)²+(Zi-Zj)²

自检校解析法如下：

首先建立共线方程，其次对人工标志点坐标引入条件方程式：

Gx≡X_G-X＝0

Gy≡Y_G-Y＝0

Gz≡Z_G-Z＝0

其中X_G、Y_G、Z_G表示人工标志点的地面坐标，X、Y、Z表示测定的坐标，由于在条件方程式中，对X、Y、Z三个坐标分别列出条件式，所以用本方法结算时，所使用的控制点并非一定要具有三个坐标值。通过条件方程的线性化，计算所有树木形态结构的各点坐标。

构造几何图元函数法如下：

借助OpenGL内置的几何分形算法，建立若干组相连的以单木三维坐标点为三角形顶点的三角网格，经过平滑处理后形成逼真的单木形态结构三维模型。其中，设以n作为以1开始的整数，N作为指定的全部顶点数，绘制一组相连的三角形，对于奇数点n，顶点n，n+1和n+2定义了第n个三角形；对于偶数n，顶点n+1，n和n+2定义了第n个三角形，总共绘制N-2个三角形。

纹理映射法如下：

纹理映射就是把表现物体表面细节的影像通过定义纹理、控制纹理、设置映射方式以及指定纹理坐标的过程粘贴到树木三维模型的表面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：