074] 進(jìn)一步的，在本實施例中，在步驟S1中，建立虛擬植被場景包括以下步驟：
[0075] 步驟SI 21:加載數(shù)字地面模型、道路及河流矢量圖以形成地形、道路、河流等地形 要素三維模型；
[0076] 步驟S122:從自然分布、均勾分布、隨機分布及聚集分布等樹木分布模式中選擇一 種作為虛擬植被場景樹木分布模式；
[0077]步驟S123:確定虛擬植被場景特征參數(shù)，如林分密度、樣地大小、樹木種類、樹木數(shù) 里寺；
[0078]步驟S124:結(jié)合樹木分布模式、虛擬植被場景特征參數(shù)和單株植物精細(xì)三維模型 庫將單株植物三維模型按照虛擬植被場景構(gòu)建方案逐一種植在地形上。
[0079] 進(jìn)一步的，在本實施例中，在步驟S2中，采用天文參數(shù)法計算冠頂輻射強度包括以 下步驟:步驟S211:根據(jù)樣地地理位置，采用太陽天文參數(shù)計算公式得出太陽幾何參數(shù)，即 太陽高度角和太陽方位角；
[0080] 步驟S212:根據(jù)太陽幾何參數(shù)、樣地氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層 頂和大氣層中的計算公式，計算各時刻冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度；
[0081] 步驟S213:各時刻冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度分別乘以比例系 數(shù)，得出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。
[0082] 進(jìn)一步的，在本實施例中，在步驟S2中，采用儀器法測量植被冠頂光合有效輻射強 度值，其主要指將植物冠層光合有效輻射觀測設(shè)備置于冠頂，通過瞬時或持續(xù)觀測測量植 被冠頂光合有效輻射強度值，當(dāng)采用持續(xù)觀測模式時，其冠頂光合有效輻射強度為觀測時 間段內(nèi)各時刻觀測值的平均值；植物冠層光合有效輻射觀測設(shè)備主要包括SunScan、 八(^此41?、3111^16(^31^(：、光合有效輻射計(光量子計)及自主研究設(shè)備等，采用上述設(shè)備通 ?？赏瑫r得到太陽直射PAR和天空散射PAR參數(shù)值。
[0083] 進(jìn)一步的，在本實施例中，在步驟S3中，虛擬植被場景單株樹木幾何模型、場景及 地形三個尺度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建步驟如下：
[0084]以單株樹木幾何模型、場景及地形三個尺度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型為Kdtree為例，分別將 單樹幾何模型、地形及虛擬植被場景包圍盒作為Kdtree根節(jié)點，采用中分平面分割法確定 初始分割平面;基于分割平面把根節(jié)點細(xì)分為左子節(jié)點、右子節(jié)點，然后判斷兩子節(jié)點是否 滿足構(gòu)建終止條件，即節(jié)點深度是否大于設(shè)定閾值、節(jié)點的基本對象數(shù)是否小于設(shè)定閾值 及節(jié)點光線遍歷總代價是否大于其作為葉節(jié)點的光線遍歷總代價，若滿足，則生成Kdtree 葉節(jié)點，否則，采用中分平面分割法確定子節(jié)點初始分割平面并繼續(xù)對Kdtree內(nèi)部子節(jié)點 進(jìn)行細(xì)分，直到所有節(jié)點不需再細(xì)分為止，最終生成一個完整的Kdtree;節(jié)點最大深度閾值 根據(jù)場景對象總數(shù)自適應(yīng)計算獲得。
[0085] 進(jìn)一步的，在本實施例中，針葉簇單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建流程和單株樹木幾何模型、場 景及地形中三角面片數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建流程一致，但針葉簇單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建需分兩個 步驟分別完成，三角面片數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建以三角面片中心點為基礎(chǔ)，而針葉簇單元數(shù)據(jù) 則以針葉簇單元中心點為基礎(chǔ)構(gòu)建，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最小尺度單元為針葉簇。
[0086] 進(jìn)一步的，在本實施例中，步驟S4中的太陽直射光線矢量平面創(chuàng)建步驟如下：
[0087] 步驟S411:根據(jù)樣地地理位置和時間，采用太陽天文參數(shù)計算公式得出太陽幾何 參數(shù)，即太陽高度角和太陽方位角；
[0088]步驟S412:設(shè)太陽光源三維位置距樣地最近的邊界一定距離，其三維坐標(biāo)可表示 為?(不由太陽高度角和方位角計算太陽入射方向光線單位矢量 基于和單位向量(〇，1，〇)計算太陽直射光線投射平面局部 坐標(biāo)系及相應(yīng)的正交基向、Γ(κ，ζ,)、?'(υ,.,ζ;,)，并得到太陽直射光 線投影水平面;步驟S413:將虛擬植物場景最小軸對齊包圍盒八個頂點沿太陽入射方向反 方向平行投影至太陽直射光線投影水平面，得到8個投影點，其最小包圍長方形即為太陽直 射光線投射平面;假設(shè)太陽直射光線投射平面水平和垂直方向太陽直射光線投射數(shù)量分別 為Hdi^s和Vdres，依據(jù)太陽直射光線投放密度將太陽直射光線投放平面均勾剖分成一系列均 勻格網(wǎng)，以每個格網(wǎng)中心點作為太陽直射光線投射起點，為為投射光線單位矢 量，形成光線方程，從而得到太陽直射光線矢量集合。
[0089]進(jìn)一步的，在本實施例中，在步驟S4中的采用光線跟蹤算法模擬虛擬植物冠層太 陽直射PAR步驟如下：
[0090]步驟S421:依次循環(huán)太陽直射光線矢量平面上各光線矢量，將各光線矢量逐一投 射至虛擬植物場景，當(dāng)各光線矢量均已投影跟蹤結(jié)束時，虛擬植物冠層太陽直射PAR模擬結(jié) 束；
[0091]步驟S422:采用光線矢量平面上各光線矢量依次分別對場景、單樹及地形三級場 景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷，判斷光線與場景級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點最小軸對齊 包圍盒是否相交，如不相交，則判斷光線與地形級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否相交，如不相交，則結(jié)束此 條光線矢量跟蹤，返回步驟421，如相交，則求解交點，采用蒙特卡洛算法模擬太陽直射PAR 與相交的三角面片反射、透射及吸收的全過程；當(dāng)光線矢量與場景級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點相 交時，確定相交的內(nèi)部節(jié)點；
[0092]步驟S423:開始對相交的內(nèi)部節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遍歷，判斷光線與內(nèi)部節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)單樹幾何模型是否相交，如不相交，則判斷光線與地形級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點是否相交，如 不相交，則結(jié)束此條光線矢量跟蹤，返回步驟421，如相交，則求解交點，采用蒙特卡洛算法 模擬太陽直射PAR與相交的三角面片反射、透射及吸收的全過程；
[0093]步驟S424:當(dāng)光線與節(jié)點內(nèi)單樹幾何模型三角面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相交時，確 定相交的單樹幾何模型;開始對相交的單樹幾何模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遍歷，判斷光線與單樹幾何 模型中三角面片或針葉簇單元是否相交，并找出最近的三角面片或針葉簇，采用蒙特卡洛 算法模擬太陽直射PAR與相交的三角面片反射、透射及吸收的全過程。
[0094]步驟S425:確定蒙特卡洛采樣頻率參數(shù)，采用隨機函數(shù)確定太陽直射PAR與相交的 三角面片交互時的光線傳播類型，如反射、透射或吸收，如光線傳播類型為吸收則將該太陽 直射PAR能量賦予相交的三角面片，否則采用隨機采樣法確定光線下一步傳播方向，同時計 算其傳播能量;根據(jù)光線傳播方向及相交的三角面片建立光線傳播方程，依次判斷光線與 場景及單樹兩級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點是否相交，如不相交，則返回步驟S421繼續(xù)循環(huán)，直至循 環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的采用頻率參數(shù)閾值;如相交則進(jìn)一步確定其相交的三角面片，并根據(jù)冠 層要素吸收率函數(shù)計算冠層要素 PAR吸收量，當(dāng)光線能量小于設(shè)定的閾值，或者光線與冠層 要素交互的次數(shù)大于設(shè)定的閾值時，返回步驟S421繼續(xù)循環(huán)，直至循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的采 用頻率參數(shù)閾值。
[0095]步驟S426:返回步驟S421直至每條光線矢量均已跟蹤，若存在最近相交的三角面 片或針葉簇，則返回步驟S422繼續(xù)循環(huán)；
[0096] 進(jìn)一步的，在本實施例中，步驟5中的天空可見率計算步驟如下：
[0097] 步驟S511:對虛擬植被場景中所有三角面片及針葉簇循環(huán)，分別以每個三角面片 或針葉簇中心點為半球中心點創(chuàng)建一單位上半球(半球直徑為1)，將半球空間在天頂角及 方位角方向分別等分為Μη和Nv個區(qū)間，形成Μη X Nv個均勻、相等大小的立體角網(wǎng)格，沿半球 中心點及各立體角網(wǎng)格中心線建立各三角面片及針葉簇光線矢量集合；
[0098] 步驟S512:依次循環(huán)各三角面片及針葉簇光線矢量集合，采用光線矢量集合中各 光線矢量對虛擬植被場景三角面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷，當(dāng)光線矢量集合循環(huán)跟蹤 結(jié)束時跳至步驟S516;
[0099] 步驟S513:判斷光線與虛擬植被場景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點最小軸對齊包圍盒是否相 交，如不相交則結(jié)束此條光線矢量跟蹤，并返回步驟S512;當(dāng)光線矢量與虛擬植被場景三角 面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部節(jié)點相交時，確定相交的內(nèi)部節(jié)點；
[0100] 步驟S514:開始對相交的內(nèi)部節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遍歷，判斷光線與節(jié)點內(nèi)單樹幾何模 型三角面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否相交，如不相交則返回步驟S513;當(dāng)光線與節(jié)點內(nèi)單樹 幾何模型三角面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相交時，確定相交的單樹幾何模型；
[0101] 步驟S515:開始對相交的單樹幾何模型三角面片及針葉簇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)遍歷，判斷光 線與單樹幾何模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中三角面片及針葉簇是否相交，如相交則將該光線矢量記為與 場景三角面片相交，返回步驟S512;
[0102] 步驟S516:統(tǒng)計每個三角面片及針葉簇光線矢量集合中與場景三角面片及針葉簇 不相交的光線數(shù)量，該數(shù)量與光線矢量集合中光線數(shù)量的比值即為該三角面片或針葉簇的 天空可見率。
[0103] 進(jìn)一步的，在本實施例中，虛擬植被場景內(nèi)三角面片天空散射PAR為虛擬植物冠頂 天空散射PAR與該三角面片天空可見率的乘積；
[0104] 為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步了解本發(fā)明所提出的一種基于多層數(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，下面結(jié)合具體實例進(jìn)行說明。
[0105] 如圖1所示，以一個闊葉林樣地為例，開展三層數(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，其具體步驟如下：
[0106] 1、虛擬植被場景構(gòu)建。
[0107] 1)根據(jù)植物幾何參數(shù)化建模所需的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，通過野外實測數(shù)據(jù)和 經(jīng)典文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，獲取自然生長形冠型的形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)和樣地調(diào)查數(shù)據(jù)庫，主要包括 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、針葉束長度、針葉束與針葉簇 夾角、針葉束葉序、針葉束形狀、針葉束朝向等葉片幾何建模及分枝特征參數(shù)，表1為闊葉林 典型葉器官參數(shù)表，主體形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括樹高、冠幅，主干分節(jié)數(shù)、分節(jié)長度、樹干半 徑變化、初始分枝角度等主干參數(shù)，以及枝條層數(shù)序號、分枝長度、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、葉片分布范 圍等枝條參數(shù)，并形成典型統(tǒng)計值，表2為闊葉林樹種主要特征參數(shù)表。
[0108] 表1
[0109]
[0112] 2)葉器官建模。采用XFrog建模軟件和葉器官統(tǒng)計值建立闊葉樹葉器官幾何模型。 采用3dx MAX軟件或者自編程序，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)幾何體，通過組合、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等手段建立云杉林 針葉簇幾何模型。依據(jù)樹木主干、分枝分布規(guī)律，采用XFrog建模軟件建立單株植物枝干精 細(xì)幾何模型，根據(jù)葉器官分布規(guī)律將葉器官幾何模型掛接于枝干系統(tǒng)，調(diào)整單樹幾何模型 形態(tài)，形成高逼真度、自然生長的單株植物精細(xì)三維模型；
[0113] 3)虛擬植被場景構(gòu)建。在VisForest軟件中創(chuàng)建水平地形面，根據(jù)樣地調(diào)查數(shù)據(jù) 庫，將各單株樹木幾何模型按照其實際生長位置種植在地形上，形成虛擬闊葉林植被場景；
[0114] 2、虛擬植被場景冠頂太陽直射和天空散射PAR計算。
[0115] 設(shè)定闊葉林樣地經(jīng)煒度為：北煒58° 16' 39〃，東經(jīng)27° 2(T 30〃，假設(shè)PAR模擬日期為 2014年3月20日，觀測時間為正午12:00,根據(jù)天文參數(shù)計算方法，虛擬闊葉林樣地冠頂太陽 直射和天空散射PAR值分別為：1.956、663.73μπιο l*m_2*s一1。
[0116] 3、單樹幾何模型、地形及虛擬植被場景三級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建。
[0117]