多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的虛植物冠層光合有效輻射分布模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)和植物學(xué)等領(lǐng)域，具體涉及一種多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的虛植 物冠層光合有效福射分布模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光合有效福射(PhotosyntheticActive Radiation,PAR)是太陽(yáng)福射光譜中能夠 被綠色植物葉綠素吸收、轉(zhuǎn)化為物質(zhì)積累的那部分福射，其福射波長(zhǎng)介于380nm-710nm之 間，約占太陽(yáng)總能量的40%。自太陽(yáng)入射于植物冠層的PAR可分為太陽(yáng)直射PAR、天空散射 PAR及葉片多次散射PAR，其中太陽(yáng)直射及天空散射PAR是冠層內(nèi)PAR的主要組成部分。植物 葉片在PAR波段具有高吸收率、低反射及透射率的特點(diǎn)，因而植物冠層內(nèi)的葉片多次散射輻 射較小。植物葉器官多次散射輻射占冠層總輻射的比例小于10%，植物冠層PAR分布模擬時(shí) 常忽略植物冠層的多次散射輻射效應(yīng)。PAR是植物光合作用的基礎(chǔ)，植物冠層PAR截獲及三 維分布測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、林業(yè)經(jīng)營(yíng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前植物冠層光合有效輻射三維分布測(cè)量方法主要有三種:地面實(shí)測(cè)法、數(shù)學(xué)模 型法、三維模型模擬法。地面實(shí)測(cè)法采用光合有效輻射觀測(cè)設(shè)備（如SunScaruAccuPAR、 SunFleck、TRAC、光合有效輻射計(jì)(光量子計(jì))等測(cè)量冠頂及冠層內(nèi)多個(gè)位置瞬時(shí)或持續(xù)光 合有效輻射值，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算植物冠層PAR三維分布，實(shí)地測(cè)量法由于受各種實(shí)測(cè)客觀 條件的限制，其測(cè)量空間分辨率和時(shí)間分辨率不高，因此該方法通常僅可在樣地尺度或冠 層各高度區(qū)間尺度實(shí)現(xiàn)植物冠層PAR三維分布測(cè)量。數(shù)學(xué)模型法則建立在經(jīng)典的輻射傳輸 模型基礎(chǔ)上描述植物冠層內(nèi)PAR分布規(guī)律，如比爾定律、一維模型等，由于數(shù)學(xué)模型法通常 對(duì)植物冠層內(nèi)PAR三維分布規(guī)律及樹木冠層三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度簡(jiǎn)化，因此其PAR三維分布模 擬精度不高。近年來(lái)，隨著虛擬植物技術(shù)研究的不斷深入，高逼真度虛擬植物幾何模型及虛 擬植被場(chǎng)景建模成為可能，虛擬植物技術(shù)可真實(shí)再現(xiàn)植物冠層三維結(jié)構(gòu)，采用光線跟蹤法 或輻射度方法可模擬跟蹤太陽(yáng)光線在植物冠層內(nèi)的反射、吸收及透射全過程，因而其可精 確計(jì)算冠層內(nèi)任意三維位置的PAR分布量。與其它兩種方法相比，三維模型模擬法具有計(jì)算 結(jié)果精度高、可重復(fù)多次使用、可模擬多種植被冠層特征、投入小、產(chǎn)出大等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 常見的虛擬植物冠層PAR三維分布模擬以光線跟蹤法和輻射度方法為主。輻射度 方法基于熱輻射工程中的能量傳遞和守恒理論，其通過求解輻射系統(tǒng)方程，計(jì)算虛擬植物 冠層內(nèi)每個(gè)三角面片的輻射分布情況。輻射度方法可完整模擬PAR與植物冠層之間交互的 反射、透射、吸收和多重散射全過程，但其需對(duì)形狀因子及線性方程組進(jìn)行解算，因此存在 計(jì)算量巨大、計(jì)算效率低、無(wú)法支持大場(chǎng)景、高復(fù)雜度場(chǎng)景等缺點(diǎn)。光線跟蹤算法是一種以 物理光學(xué)原理為基礎(chǔ)模擬現(xiàn)實(shí)世界中光線傳播的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)算法，該算法具有原理 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、真實(shí)感圖形繪制及精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用光線跟蹤算法可模擬PAR與植物冠 層之間的反射、透射和多次散射過程。盡管光線跟蹤算法無(wú)需對(duì)大型線性方程組進(jìn)行解算， 但該方法也存在計(jì)算量巨大的不足，其計(jì)算量主要用于光線與場(chǎng)景面片求交判斷及遞歸。 傳統(tǒng)光線跟蹤算法開展光線跟蹤模擬時(shí)其光線與場(chǎng)景要素求交判斷需對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所有三角 面片求交計(jì)算，因此計(jì)算效率很低。目前常見的四種光線跟蹤加速方法有四種:①.提高光 線與場(chǎng)景基本單元的求交計(jì)算效率。傳統(tǒng)光線跟蹤算法有90%以上的計(jì)算時(shí)間均用于光線 與三角面片、包圍盒、球體等場(chǎng)景最小單元的求交計(jì)算，因此光線與場(chǎng)景最小單元求交算法 的優(yōu)劣會(huì)極大地影響光線跟蹤計(jì)算性能;②.減少光線計(jì)算數(shù)量。光線跟蹤計(jì)算的復(fù)雜度不 僅與場(chǎng)景復(fù)雜度、三角面片數(shù)目關(guān)系密切，其還與參與光線跟蹤計(jì)算的光線數(shù)量密切相關(guān)， 而減少光線跟蹤數(shù)量則可能導(dǎo)致模擬精度降低;③.減少光線與場(chǎng)景基本單元相交計(jì)算次 數(shù)。光線跟蹤計(jì)算時(shí)根據(jù)場(chǎng)景基本單元的空間相關(guān)性，采用層次包圍盒(Bounding Volume Hierarchies，BVH)、Kdtree、八叉樹(Octree)及均勾網(wǎng)格等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織三維場(chǎng)景可快速 判斷與光線相交的場(chǎng)景對(duì)象，從而避免與無(wú)交場(chǎng)景基本單元求交判斷，減少光線與包圍盒、 三角面片的相交計(jì)算次數(shù)，從而大幅提升光線跟蹤計(jì)算效率。④.并行加速。光線跟蹤計(jì)算 時(shí)其每條光線的計(jì)算過程相似，因此使用CHJ和GPU的并行處理能力可大幅提高光線跟蹤模 擬效率?，F(xiàn)有的光線跟蹤加速方案中，鑒于光線與場(chǎng)景基本單元求交算法已較為完善及成 熟，而減少光線計(jì)算數(shù)量的方法則會(huì)一定程度上降低光線跟蹤模擬效果，因此目前光線跟 蹤加速方案以采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織三維場(chǎng)景，以及采取并行和GPU技術(shù)提高光線跟蹤效率較 為常見。
[0005] 傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)手段開展光線跟蹤加速模擬的方法已廣泛應(yīng)用于游戲、動(dòng)畫、 電影、地形及普通場(chǎng)景中，但較少有研究提及采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開展虛擬植被場(chǎng)景下光線跟蹤 加速模擬，同時(shí)虛擬植被場(chǎng)景與傳統(tǒng)場(chǎng)景差異顯著，因此需根據(jù)虛擬植被場(chǎng)景的特點(diǎn)有針 對(duì)性設(shè)計(jì)其加速方案，以提高虛擬植被場(chǎng)景下光線跟蹤效率。目前尚未有文獻(xiàn)涉及采用多 級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開展虛擬植被場(chǎng)景下PAR模擬計(jì)算加速的報(bào)道，尤其針對(duì)復(fù)雜地形區(qū)虛擬植被 冠層PAR三維分布模擬的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的植物冠層光合有效輻射三維分 布模擬加速方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的虛擬植物冠層 光合有效輻射三維分布模擬加速方法，按照如下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0008] 步驟si:獲取典型單株植物結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和樣地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，采用虛擬單株植物 建模軟件建立高逼真度、自然生長(zhǎng)的單株植物精細(xì)三維模型;獲取目標(biāo)區(qū)域DEM、TIN及地形 數(shù)據(jù)，并基于植被場(chǎng)景構(gòu)建軟件建立虛擬植被場(chǎng)景；
[0009] 步驟S2:根據(jù)樣地地理位置和氣候條件，采用天文參數(shù)計(jì)算算法，計(jì)算得出不同時(shí) 刻的冠頂輻射強(qiáng)度，或采用測(cè)量?jī)x器實(shí)地、實(shí)時(shí)收集植被冠頂光合有效輻射強(qiáng)度值；
[0010]步驟S3:對(duì)所述虛擬植被場(chǎng)景中除針葉簇單元之外的其它場(chǎng)景要素三角面片化或 結(jié)構(gòu)化，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別針對(duì)單株樹木的幾何模型、場(chǎng)景及地形中所包含的三角面片及 針葉簇單元構(gòu)建三級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟S4:創(chuàng)建太陽(yáng)直射光線矢量平面，采用光線跟蹤算法依次跟蹤所述太陽(yáng)直射 光線矢量平面上各光線矢量，并對(duì)單株樹木的幾何模型、場(chǎng)景及地形對(duì)應(yīng)的三級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 分別進(jìn)行遍歷；當(dāng)光線與三角面片有交時(shí)，將吸收的太陽(yáng)直射PAR賦予相交的三角面片，采 用蒙特卡洛算法分別模擬太陽(yáng)直射PAR及天空散射PAR與三角面片反射、透射及吸收的全過 程，且均基于單株樹木的幾何模型、場(chǎng)景及地形三級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別遍歷以判斷反射、透射光 線是否與三角面片相交；
[0012] 步驟S5:確定天穹剖分分辨率，采用龜殼算法依次對(duì)場(chǎng)景內(nèi)各三角面片循環(huán)，分別 在各三角面片所在水平面單位半球形成光線矢量集合，依次循環(huán)光線集合每條光線，并對(duì) 單株樹木的幾何模型、場(chǎng)景及地形三級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷，標(biāo)記與面片有交的光線，統(tǒng)計(jì)各 三角面片天空可見率，結(jié)合冠頂天空散射PAR和三角面片天空可見率計(jì)算各三角面片天空 散射PAR;
[0013] 步驟S6:場(chǎng)景內(nèi)各三角面片太陽(yáng)直射PAR和天空散射PAR總和即為該三角面片光合 有效輻射總值。
[0014] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S1中，所述單株植物精細(xì)三維模型按照如下步 驟建立：
[0015] 步驟S111:以所述典型單株植物結(jié)構(gòu)特征參數(shù)為基礎(chǔ)提煉植物冠型特征參數(shù)、枝 干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和葉幾何信息；
[0016] 步驟S112:根據(jù)所述葉幾何信息，采用NURBS、Mesh曲面或標(biāo)準(zhǔn)幾何體及其組合建 立葉或針葉簇精細(xì)三維模型；
[0017] 步驟S113:根據(jù)所述植物冠型特征參數(shù)以及所述枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，基于所 述虛擬單株植物建模軟件，建立植物枝干系統(tǒng)三維模型，并把所述葉或針葉簇精細(xì)三維模 型按預(yù)設(shè)角度和分布密度掛接到枝干系統(tǒng)上，形成所述單株植物精細(xì)三維模型；
[0018] 所述典型單株植物結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括:單株植物葉器官特征參數(shù)以及植物主體形 態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù);所述單株植物葉器官特征參數(shù)包括:葉片傾角分布、方位角分布、展布面積、針 葉簇中針葉束數(shù)量、針葉束長(zhǎng)度、針葉束與針葉簇夾角、針葉束葉序、針葉束形狀以及針葉 束朝向；所述植物主體形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:樹高、冠幅，主干分節(jié)數(shù)、分節(jié)長(zhǎng)度、樹干半徑變 化、初始分枝角度等主干參數(shù)、枝條層數(shù)序號(hào)、分枝長(zhǎng)度、枝條基徑、枝條直徑變化、初始分 枝角度、角度變化、枝條分段數(shù)、枝條分布密度、下一枝條層數(shù)序號(hào)以及葉片分布范圍；
[0019] 所述樣地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)包括:胸徑、植被高度、枝下高、冠幅以及植被主干地理坐標(biāo)；
[0020] 所述虛擬單株植物建模軟件包括：xfrog、ParaTree、SpeedTree、AMAP以及L-System。
[0021] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S1中，按照如下步驟建立所述虛擬植被場(chǎng)景：
[0022] 步驟S121:加載數(shù)字地面模型、道路以及河流矢量圖以形成地形、道路以及河流地 形要素三維模型；
[0023] 步驟S122:從自然分布、均勻分布、隨機(jī)分布及聚集分布中選擇一種作為虛擬植被 場(chǎng)景的樹木分布模式；
[0024]步驟S123:確定虛擬植被場(chǎng)景特征參數(shù)，包括:林分密度、樣地大小、樹木種類以及 樹木數(shù)量；
[0025] 步驟S124:結(jié)合所述樹木分布模式、所述虛擬植被場(chǎng)景特征參數(shù)以及所述單株植 物精細(xì)三維模型將單株植物三維模型按照虛擬植被場(chǎng)景構(gòu)建方案逐一種植在地形上。
[0026] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，，在所述步驟S2中，采用所述天文參數(shù)法計(jì)算算法，計(jì)算得 出不同時(shí)刻的冠頂輻射強(qiáng)度包括以下步驟：
[0027] 步驟S211:根據(jù)所述樣地地理位置，采用太陽(yáng)天文參數(shù)計(jì)算公式得出太陽(yáng)幾何參 數(shù)，包括:太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角；
[0028] 步驟S212:根據(jù)所述太陽(yáng)幾何參數(shù)、所述樣地氣候條件和地形條件，通過計(jì)算太陽(yáng) 光能在大氣層頂和大氣層中的強(qiáng)度，獲取各時(shí)刻冠頂太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度和天空散射輻射強(qiáng) 度；
[0029] 步驟S213:將獲取的各時(shí)刻冠頂太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度和天空散射輻射強(qiáng)度分別乘以 對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，獲取冠頂太陽(yáng)直射PAR和天空散射PAR。
[0030] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S2中，采用測(cè)量?jī)x器實(shí)地、實(shí)時(shí)收集植被冠頂光 合有效輻射強(qiáng)度值，具體實(shí)施步驟包括:將植物冠層光合有效輻射觀測(cè)設(shè)備置于冠頂，通過 瞬時(shí)或持續(xù)觀測(cè)測(cè)量所述植被冠頂光合有效輻射強(qiáng)度值；當(dāng)采用持續(xù)觀測(cè)模式時(shí)，所述植 被冠頂光合有效輻射強(qiáng)度為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)各時(shí)刻觀測(cè)值的平均值;所述植物冠層光合有效 輻射觀測(cè)設(shè)備包括:SunScan、A CCuPAR、SunFleck、TRAC以及光合有效輻射計(jì)，且采用上述設(shè) 備能同時(shí)得到太陽(yáng)直射PAR和天空散射PAR參數(shù)值。
[0031] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，其特征在于，在所述步驟S3中，
[0032] 所述虛擬植被場(chǎng)景單株樹木幾何模型、場(chǎng)景及地形三個(gè)尺度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建步驟如 下：
[0033]步驟S311:選擇Kdtree作為所述單株樹木幾何模型、場(chǎng)景及地形三個(gè)尺度數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)類型，分別將