林木多样性模型及生长模拟
作者简介:马载阳(1994-),男,硕士生,研究方向为计算机可视化模拟技术。E-mail: zy_ma327@126.com
收稿日期: 2018-02-09
要求修回日期: 2018-07-12
网络出版日期: 2018-10-17
基金资助
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFYBB2017SZ005)
国家重点研发计划(2017YFD0600905)
Diversity Model and Growth Simulation of Tree
Received date: 2018-02-09
Request revised date: 2018-07-12
Online published: 2018-10-17
Supported by
Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund, No.CAFYBB2017SZ005
National Key Research and Development Program, No.2017YFD0600905.
Copyright
林木生存环境复杂多变,导致林木形态千差万别,为了准确描述林木的形态多样性特征,提出了一种基于模型分解的林木生长模拟方法。首先构建多样性林木三维模型,使用林木形态的实际测量数据,基于B样条函数约束树干、树冠形态,依据削度方程模拟树干直径的变化趋势,利用Direct3D实现林木形态的三维建模;其次,按林木形态特征进行林木模型分解,将林木模型分为9个子模型;最后,使用场景节点按照拓扑结构关系对子模型进行动态组织,基于胸径、树高、枝下高、冠高和冠幅生长模型,使用多核CPU多线程并行的计算方式,获得各年龄阶段林木东、南、西、北方向形态参数,从而对子模型生长状态进行控制,实现林木不同方向生长变化的可视化模拟。结果表明:该方法可将林木三维模型与生长模型紧密结合起来,林木各方向的枝下高、冠高和冠幅严格按照生长模型进行生长,可有效模拟出林木各方向生长状态的多样性;三维场景渲染帧率(FPS)保持在25以上,平均FPS可以达到50,实现林木生长的方向异质性模拟。
马载阳 , 张怀清 , 李永亮 , 杨廷栋 , 彭文娥 , 李思佳 . 林木多样性模型及生长模拟[J]. 地球信息科学学报, 2018 , 20(10) : 1422 -1531 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2018.180101
The living environment of trees is complex and changeable, resulting in different morphologies of trees. In order to depict the diversity and complexity of tree morphology, a simulation method of tree growth based on model decomposition was proposed. Firstly, we built diversified 3D tree models. The actual data of trees were measured, and used to fit tree trunk and crown shape curves based on the B spline function. Using the taper equation, the trend of trunk diameter was simulated. Meanwhile Direct3D API was used to realize the 3D tree morphology modeling. Secondly, the tree model was decomposed into 9 sub-models on the basic of the tree morphological characteristics. Finally, according to the topology relationship, sub-models were organized dynamically by linking scene nodes. Growth models of DBH, tree height, under branch height, crown height and crown width were used to calculate the tree morphological parameters by multithread parallel technology on multi-core processor, which represented the crown morphology in the cardinal directions at different age stages. And sub-models were controlled to realize the growth simulation of forest tree. The result shows that the method combines the 3D tree models with tree growth models closely. Meanwhile the under branch heights, crown heights, crown widths of trees in different directions grow accurately by growth models driving. The growth states in each direction of forest trees is simulated. The FPS of 3D rendering is always more than 25 and the average FPS is around 50 during trees growth. The direction heterogeneity of tree growth is simulated.
Tab. 1 Growth models of Chinese fir表1 杉木生长模型表 |
编号 | 模型名称 | 模型 |
---|---|---|
1 | 胸径生长模型 | |
2 | 树高胸径曲线模型 | |
3 | 枝下高生长模型 | |
4 | 冠高生长模型 | |
5 | 冠幅生长模型 |
注:D为胸径;RS为相对植距;RD为相对优势度;H为树高;Hb为枝下高;Hc为冠高;C为冠幅;Age为林木年龄;Pv是在林木某一个方向的垂直空间结构,与周围林木的树高有关;Ph是在林木某一个方向的水平空间结构,与周围林木的方位角和水平距离有关;SI是地位指数,反映地形、气候、土壤等综合情况 |
Fig. 1 Coordinate system of trunk shape data图1 干形数据坐标系 |
Fig. 2 Construction of tree trunks图2 构建树干圆台 |
Fig. 3 The model of truck图3 主干模型 |
Tab. 2 The fitting data points of the longitudinal crown shape curve表2 纵向冠形曲线拟合型值点 |
型值点 | X坐标 | Y坐标 |
---|---|---|
1 | 0 | 东向/南向-枝下高 |
2 | 东向/南向-冠幅 | 东向/南向-冠高 |
3 | 0 | 树高 |
4 | 西向/北向-冠幅 | 西向/北向-冠高 |
5 | 0 | 西向/北向-枝下高 |
Fig. 4 The models of branches and leaves图4 树枝、叶模型 |
Fig. 5 Diagram of shape parameters and model decomposition图5 林木形态参数和模型分解示意图 |
Fig. 6 Base points diagram of sub-models图6 子模型原点示意图 |
Tab. 3 ID table of tree sub-models表3 林木子模型编号表 |
子模型 | 编号 |
---|---|
树干 | 00 |
东面树冠(冠高以上) | 10 |
东面树冠(冠高以下) | 11 |
南面树冠(冠高以上) | 20 |
南面树冠(冠高以下) | 21 |
西面树冠(冠高以上) | 30 |
西面树冠(冠高以下) | 31 |
北面树冠(冠高以上) | 40 |
北面树冠(冠高以下) | 41 |
Tab. 4 Attribute table of tree sub-models表4 林木子模型属性表 |
属性 | 变量类型 | 变量名 | 所属子模型编号 |
---|---|---|---|
编号 | int | ID | 00、10、11、20、21、30、31、40、41 |
年龄 | int | Age | 00、10、11、20、21、30、31、40、41 |
名称 | string | Name | 00、10、11、20、21、30、31、40、41 |
树高 | float | Height | 00、10、20、30、40 |
胸径 | float | DBH | 00 |
枝下高 | float | UBH | 11、21、31、41 |
冠高 | float | CH | 10、11、20、21、30、31、40、41 |
冠幅 | float | CW | 10、11、20、21、30、31、40、41 |
Fig. 7 Growth calculation process of sub-models图7 子模型生长量计算过程 |
Fig. 8 Schematic diagram of SubTreeNode class structure图8 SubTreeNode类结构示意图 |
Fig.9 Tree model structure diagram图9 林木模型结构图 |
Tab. 5 Initial values of SubTreeNode class member variables表5 SubTreeNode类成员变量初始值 |
成员变量 | 树干 | 东面树冠上部 | 东面树冠下部 |
---|---|---|---|
编号id | 00 | 10 | 11 |
高度height | Height1 | Height1-CH1 | CH1-UBH1 |
宽度width | DBH1 | CW1 | CW1 |
方位角azimuth | α | α+90° | α+90° |
位置position | (x,0,y) | (x,Height1,y) | (x,CH1,y) |
注:位置坐标使用OGRE构建三维场景的世界坐标系 |
Tab. 6 Values of SubTreeNode class member variables in age2表6 年龄age2时的SubTreeNode类成员变量 |
成员变量 | 树干 | 东面树冠上部 | 东面树冠下部 |
---|---|---|---|
编号id | 00 | 10 | 11 |
高度height | Height2 | Height2-CH2 | CH2-UBH2 |
宽度width | DBH2 | CW2 | CW2 |
方位角azimuth | α | α+90° | α+90° |
位置position | (x,0,y) | (x,Height2,y) | (x,CH2,y) |
Tab. 7 Data statistics of forest sample plot表7 样地数据统计 |
林木数量/株 | 年龄/年 | 平均胸径/cm | 平均树高/m | 平均枝下高/m | 平均冠高/m | 平均冠幅/m |
---|---|---|---|---|---|---|
196 | 9 | 11.2 | 8.3 | 2.5 | 2.9 | 1.8 |
Tab. 8 The values of forest tree morphological parameters表8 林木形态参数 |
形态参数 | 10 a | 15 a | 20 a | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
东 | 南 | 西 | 北 | 东 | 南 | 西 | 北 | 东 | 南 | 西 | 北 | |||
胸径/cm | 14.75 | 19.89 | 22.97 | |||||||||||
树高/m | 12.44 | 15.18 | 16.71 | |||||||||||
枝下高/m | 3.39 | 3.31 | 3.47 | 3.51 | 5.67 | 5.63 | 5.67 | 5.71 | 7.97 | 7.97 | 8.01 | 8.01 | ||
冠高/m | 4.04 | 3.95 | 4.12 | 4.16 | 6.73 | 6.68 | 6.73 | 6.77 | 9.43 | 9.43 | 9.47 | 9.47 | ||
冠幅/m | 1.54 | 1.41 | 1.75 | 1.62 | 1.73 | 1.60 | 1.94 | 1.81 | 1.91 | 1.78 | 2.12 | 1.99 |
Fig. 10 Growth state of trees图10 林木生长状态 |
The authors have declared that no competing interests exist.
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