[发明专利]基于三维虚拟植物的造林密度优化分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及现代农业技术领域，尤其是一种基于三维虚拟植物的造林密度优化分析方法。

背景技术

光照是绿色植物进行光合作用的能量来源，是绿色植物生长过程必不可少的因子之一。造林密度的大小直接通过影响林分的透光性和对光照的截获量而最终影响林分成林的早晚、林木的竞争态势、生长率高低、群体结构、光能利用率，而不同林分的透光率也反映出不同的造林密度。不同种植密度的林分，其内部的光线分布是不同的。这不仅影响上层林对光照的利用，同时影响林下植被的生长状况。合理的种植密度可以促进林分良好群体结构的形成，使整个林分充分利用空间和光照能量，获取较好的造林经济效益和生态效益。

目前造林密度大多根据现有人工林造林密度的实践经验、林木营养空间计算公式或林分密度管理图等工具加以粗放确定。国家《造林技术规程》中已规定中国主要树种在不同营林目的、不同立地条件下的造林密度。目前确定造林密度带有较大的主观性，还未对造林密度的科学合理性进行充分定量分析。传统树种初植密度主要根据不同林种和营林目的，通过长期的森林调查和不同密度的对比实验来确定的，这种方法花费时间长，带有较大的主观性、缺乏定量分析依据等不足。

三维虚拟植物是应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况。广泛认为它是数字农业的基础，可为植物生命系统和农业生产过程的数字化表示、生长建模、过程模拟、可视化分析、成果共享及集成应用提供信息服务和技术支撑（赵春江等，2010）。虚拟植物已被认为是研究植物冠层光辐射分布的有力工具（Iio et al. 2011）。三维虚拟植物模型可以精确定量地表示植株拓扑结构和器官的几何形状和位置关系。植物各器官可以分成足够小的三维空间表面元，从而可以计算每个面元上光的反射、面元间的传播和受截获过程。因此，综合利用三维虚拟植物和光辐射传输过程可计算林分的透光率，定量分析科学合理的造林密度是可行的。

目前，具有一定影响力的虚拟植物系统软件有：SpeedTree、Bionatics公司的虚拟植物系列产品、Xfrog、OnyxTree、LMS 以及主要用于学术研究的AMAP系列模块和L-Studio等。国内主要软件有GreenLab、OntoPlant等。

ParaTree交互式单树建模工具软件是由福建省空间信息工程研究中心自主开发的虚拟植物（OntoPlant）系列软件产品之一。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，还可形象地模拟枝条修剪过程。

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。形成的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）模型整型修剪。用户可通过约束规则、交互拾取某枝条（或枝段）和采用曲面约束的整型修剪三种方式对模型进行整型修剪。（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。

VisForest是由福建省空间信息工程研究中心自主开发的虚拟植物（OntoPlant）系列软件产品之一。该软件系统是利用虚拟现实技术开发而成的三维虚拟森林场景的浏览器，与数字高程模型和遥感影像数据结合，实现森林景观的可视化表达和再现。系统可用于辅助森林资源经营管理、景观规划、园林规划、军事仿真以及植物学、生态学教研、宣教等领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于三维虚拟植物的造林密度优化分析方法，能够为造林设计提供定量分析工具，为农业技术推广提供直观、形象的辅助工具，促进林区可持续经营和丰产、增收。

本发明采用以下方案实现：一种基于三维虚拟植物的造林密度优化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：