[发明专利]一种基于广义参数化建模的树木模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及植物建模和绘制技术，尤其涉及一种基于广义参数化建模的树木模拟方法。

背景技术

植物种类繁多，形态各异，结构复杂，人们对植物形态结构，内部机理的探知从未停止，而用图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式。因此，随着计算机技术的发展，研究人员提出了多种植物可视化模拟的理论和方法，为植物可视化模拟开辟了广阔的道路。

植物可视化模拟，主要是树木模型的可视化，包括树木建模与树木绘制，这是可视化的两个不同阶段，但两者有着共同的目标——真实地表现树木。以下分别对树木建模与树木绘制进行介绍。

一、树木建模

树木建模是通过构造一个简单模型来反映真实世界中的树木并能模拟树木的生长、发展及变化的过程。

常见的几种树木建模方法主要包括：各种改进的L-系统、分形、基于图像的建模、粒子系统、基于参数控制的建模。然而，在以上建模方法中，大部分只注重植物的几何形态、造型等，很少结合植物学知识，因此，不能模拟树木的生长和发展过程，在农林业的研究和应用中受到较大的限制。而以上方法的这种局限推动了结构功能模型的发展，如Amap模型(自动机模型)和GreenLab模型(功能结构模型)等，这些模型既考虑了植物的形态结构，又考虑了植物的生理生态机理，能较好的体现植物生长的真实规律，能模拟植物的生长过程，并能对植物的生长状况进行预测。

Amap模型是一种不同于L-系统的虚拟植物模型，综合了植物学家提出的植物构造学方面的知识，采用有限自动机来控制植物的轴生长过程，从而模拟生长过程中的拓扑结构变化，该技术又被称为“参考轴技术”或“随机过程方法”。

GreenLab模型是在Amap模型的基础上进行了改进与扩充，GreenLab模型采用了双尺度自动机来模拟植物的形态发生过程，并且GreenLab模型形成了较完整的反映植物器官间生物量分配的功能模型体系。双尺度自动机中设置了两个层次的状态——宏状态和微状态，宏状态代表不同的生长单元，微状态代表叶元，宏状态是由微状态组合而成的。双尺度自动机模型通过这两种状态的组合和循环模拟植物的生长过程，生成植物的拓扑结构。相比于Amap模型中的自动机模型，双尺度自动机的表达形式和状态参数往往更为简洁，也更利于描述与生长周期有关的植物生长特点。GreenLab模型在双尺度自动机形态发生模型的基础上，依据器官的源-汇理论来模拟植物各器官的生物量分配，并由生物量分配推算出植物器官大小随时间的变化。

GreenLab功能模型的模拟流程如图1所示，GreenLab模型通过一系列数学公式迭代来模拟植物的结构与功能反馈，相较其它模型，GreenLab模型在体现生物机理性以及模型复杂度方面具有明显优势，主要有以下优点：1)用宏状态和微状态分别表示植物的生长单元和叶元，符合植物周期性生长的特性。并且采用半马尔可夫链来描述各状态之间的关系，能更加真实地模拟植物形态结构的差异变化以及植物的生长。2)GreenLab模型对植物形态结构以及生长规律进行了大量的简化，根据各个器官生理年龄的不同将各个器官或枝条进行分类，同一类的器官或枝条采用相同的生长参数，从而大大简化了植物生长参数，并且这些生长参数采用统计拟合的方法获得，能与实测数据较好的结合。3)GreenLab模型具有较为简洁的形态发生描述形式，并建立了完整的模拟生物量分配和器官大小变化的功能模型，可以较为真实地模拟植物的生长，目前已大量应用到植物生长模拟中。

但是，GreenLab模型目前仍有许多不完善之处，还未包含考虑各种环境因素的系统模型，也未进一步考虑植物体内的生理过程，这都有待今后研究者的完善与改进。并且因为树木的几何复杂性，对树木的测量以及GreenLab参数拟合等都有较大的困难，目前将GreenLab应用于树木的研究还比较困难。

二、树木绘制

树木的几何模型只是树木可视化的基础，要实现树木的可视化还需要使用合适的算法将树木模型绘制出来。树木绘制就是利用计算机图形学技术处理树木三维几何结构，生成逼真图像的过程。

随着树木建模方法的不断丰富和完善，人们对树木的绘制技术越来越重视，针对树木结构复杂、数据量庞大等特点，人们提出了较多的绘制算法，按照绘制元素的不同主要归为三类：1)基于几何的绘制方法；2)基于图像的绘制方法；3)体绘制方法。