技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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
[0009] 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。
[0010] 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：
[0011] S10：获取目标造林树种的形态结构特征参数，采用单树建模工具软件建立该树种不同生长阶段的精细三维模型；
[0012] S11：根据造林技术规程或要求中规定的该树种种植密度和种植点配置原则，在拟造林地的三维数字地形基础上，把该树种三维模型放置于三维数字地形上，形成不同生长阶段、不同分布密度的三维林分场景；
[0013] S12：采用
计算机图形学中的
光线跟踪算法计算出不同种植密度的林分群体冠层在不同生长阶段的透光率和日平均透光率；
[0014] S13：根据该树种对光照的要求和营林目的，分析不同生长阶段林分的透光率是否合理；若合理，则输出种植密度、种植点配置方式、行距、株距和行向；若不合理，则反复优化调整种植点配置方式和分布密度，重复步骤S11、S12和S13，直至合理。
[0015] 在本发明一
实施例中，所述步骤S10中建立树种精细三维模型包括以下步骤：
[0016] S101：通过野外调查、测量和森林调查数据，分析提取目标造林树种不同生长阶段的形态结构特征参数、枝干系统拓扑结构信息和
叶片几何信息；
[0017] S102：根据所述叶片几何信息，建立叶片的精细三维模型，以多边形形式表示；
[0018] S103：根据所述树种的形态结构特征参数和枝干系统拓扑结构信息，采用单树建模工具软件，建立树木三维枝干系统，并把叶片精细三维模型挂接到枝干系统上，形成精细的三维形态结构模型；
[0019] S104：根据该树种不同生长阶段的形态结构特征，建立不同生长阶段的精细三维模型。
[0020] 在本发明一实施例中，所述步骤S11中所述的三维林分场景的构建包括以下步骤：
[0021] S111：获取拟造林区域的数字高程模型，形成三维数字地形景观；
[0022] S112：根据造林技术规程中规定的林种、立地条件、树种所对应的初始造林密度的约束条件进行种植点配置，计算每棵树模型在三维数字地形中的平面地理坐标，即为
水平（X、Y）坐标；
[0023] S113：根据每棵树模型的平面地理坐标，从数字高程模型中检索出该点的海拔高程，从而得到每棵树模型的分布坐标，即三维坐标（X、Y、Z），然后把模型放置于三维数字地形景观中的相应位置，形成三维林分场景景观。
[0024] 在本发明一实施例中，所述步骤S112中种植点配置方式包括正方形配置、长方形配置、品字形配置、正三角形配置、群状配置、随机的自然配置，即通过设置行距、株距和行向来实现。
[0025] 在本发明一实施例中，所述步骤S13中林分透光率的计算包括以下步骤：
[0026] S131：根据拟造林地的地理位置，并假设天气晴朗条件下，采用太阳的天文参数计算算法，得出不同时刻的太阳高度角、方位角和冠顶辐射强度；
[0027] S132：确定林分分析的范围，进而确定包含林分场景的最小四边形，并得出该四边形的长X米和宽Y米；
[0028] S133：设定栅格长宽均为m米，一共有（x/m）*（y/m）个栅格，获得每一个栅格的中心坐标，将其作为光线的投放原点，方向为原光线方向的反方向；
[0029] S134：计算光线与三维林分场景中各叶枝的面片相交情况；若相交，则此条光线与叶枝的面片求交结束，将光线对应的栅格
颜色设为灰色；否则，将光线对应的栅格颜色设为白色；
[0030] S135：所有光线求交计算完成后，统计白色栅格的个数n，由步骤S132可知每个栅2 2 2
格的面积为m平方米，那么光斑区域的面积为n*m 平方米，因此光斑率S=（n*m ）/(x*y)，即得出某个时刻某个林分场景的透光率；
[0031] S136：计算日尺度内的平均透光率。
[0032] 在本发明一实施例中，所述步骤S132中林分分析范围是以林分外围树木主干的中心位置为参考范围。
[0033] 在本发明一实施例中，所述步骤S136中日尺度内的平均透光率计算过程为，白天每隔一定时间计算一次，然后把一天内各模拟时刻的模拟值进行平均得到日平均透光率。
[0034] 本发明利用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；在精细单株木模型的基础上，构建林分场景，可定量分析和对比不同密度林分的透光率，提高造林密度确定的科学合理性。
[0035] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关
附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0036] 图1是本发明一具体实施例的流程示意图。
[0037] 图2是本发明林分场景透光率的计算
流程图。
具体实施方式
[0038] 如图1所示，本发明提供一种基于三维虚拟植物的造林密度优化分析方法，包括以下步骤：
[0039] S10：获取目标造林树种的形态结构特征参数，采用单树建模工具软件建立该树种不同生长阶段的精细三维模型；
[0040] S11：根据造林技术规程或要求中规定的该树种种植密度和种植点配置原则，在拟造林地的三维数字地形基础上，把该树种三维模型放置于三维数字地形上，形成不同生长阶段、不同分布密度的三维林分场景；
[0041] S12：采用计算机图形学中的
光线跟踪算法计算出不同种植密度的林分群体冠层在不同生长阶段的透光率和日平均透光率；
[0042] S13：根据该树种对光照的要求和营林目的，分析不同生长阶段林分的透光率是否合理；若合理，则输出种植密度、种植点配置方式、行距、株距和行向；若不合理，则反复优化调整种植点配置方式和分布密度，重复步骤S11、S12和S13，直至合理。
[0043] 优选的，所述步骤S10中建立树种精细三维模型包括以下步骤：
[0044] S101：通过野外调查、测量和森林调查数据，分析提取目标造林树种不同生长阶段的形态结构特征参数、枝干系统拓扑结构信息和叶片几何信息；
[0045] S102：根据所述叶片几何信息，建立叶片的精细三维模型，以多边形形式表示；
[0046] S103：根据所述树种的形态结构特征参数和枝干系统拓扑结构信息，采用单树建模工具软件，建立树木三维枝干系统，并把叶片精细三维模型按一定的角度和分布密度挂接到枝干系统上，形成精细的三维形态结构模型；
[0047] S104：根据该树种不同生长阶段的形态结构特征，建立不同生长阶段的精细三维模型。
[0048] 所述步骤S11中所述的三维林分场景的构建包括以下步骤：
[0049] S111：获取拟造林区域的数字高程模型，形成三维数字地形景观；
[0050] S112：根据造林技术规程中规定的林种、立地条件、树种所对应的初始造林密度的约束条件进行种植点配置，计算每棵树模型在三维数字地形中的平面地理坐标，即为水平（X、Y）坐标；
[0051] S113：根据每棵树模型的平面地理坐标，从数字高程模型中检索出该点的海拔高程，从而得到每棵树模型的分布坐标，即三维坐标（X、Y、Z），然后把模型放置于三维数字地形景观中的相应位置，形成三维林分场景景观。
[0052] 所述步骤S112中种植点配置方式包括正方形配置、长方形配置、品字形配置、正三角形配置、群状配置、随机的自然配置，即通过设置行距、株距和行向来实现。
[0053] 所述步骤S13中林分透光率的计算包括以下步骤：
[0054] S131：根据拟造林地的地理位置，并假设天气晴朗条件下，采用太阳的天文参数计算算法，得出不同时刻的太阳高度角、方位角和冠顶辐射强度；
[0055] S132：确定林分分析的范围，进而确定包含林分场景的最小四边形，并得出该四边形的长X米和宽Y米；
[0056] S133：设定栅格长宽均为m米，一共有（x/m）*（y/m）个栅格，获得每一个栅格的中心坐标，将其作为光线的投放原点，方向为原光线方向的反方向；
[0057] S134：计算光线与三维林分场景中各叶枝的面片相交情况；若相交，则此条光线与叶枝的面片求交结束，将光线对应的栅格颜色设为灰色；否则，将光线对应的栅格颜色设为白色；
[0058] S135：所有光线求交计算完成后，统计白色栅格的个数n，由步骤S132可知每个栅2 2 2
格的面积为m平方米，那么光斑区域的面积为n*m 平方米，因此光斑率S=（n*m ）/(x*y)，即得出某个时刻某个林分场景的透光率；
[0059] S136：计算日尺度内的平均透光率。
[0060] 所述步骤S132中林分分析范围是以林分外围树木主干的中心位置为参考范围。
[0061] 所述步骤S136中日尺度内的平均透光率计算过程为，白天每隔一定时间（如1小时）计算一次，然后把一天内各模拟时刻的模拟值进行平均得到日平均透光率。
[0062] 下面为了让一般技术人员更好地理解本发明，对上述三维林分场景的建立及种植密度优化分析过程做简单介绍：
[0063] （1）树种精细三维模型构建
[0064] 本实施例以红花木莲为例，说明树种精细三维模型的构建过程。1）通过野外调查、测量和森林调查数据，分析提取3年生、5年生、7年生和9年生的红花木莲的形态结构特征参数、分枝系统拓扑结构信息和叶片几何信息；2）根据叶片的几何信息，采用3ds MAX这类几何造系统建立叶精细三维模型，转为三角格网的Mesh格式文件，根据叶片的分布规律，同时形成叶簇的Mesh文件；3）采用ParaTree交互式单树建模工具软件，根据红花木莲枝干系统的拓扑和几何信息，建立枝干系统，挂接叶和叶簇的精细三维模型，形成红花木莲的精细三维模型；4）根据红花木莲的不同生长阶段的形态结构特征，形成相应用的精细三维模型，模型的几何参数如表1所示。
[0065] 表1 不同生长阶段的红花木莲模型参数表
[0066]
[0067] （2）三维林分场景构建
[0068] 本实施例采用VisForest森林场景可视化软件，造林地位置中心点以东经117度61分，北纬24度12分为例，株距和行距均为4米，密度为625株/公顷，行向为南北走向，计算每株木模型的地表空间坐标（X、Y、Z），然后把7年生的模型放置于相应的地理位置，形成7年生的红花木莲三维林分场景。同理，建立以4米为行距，分别以2米和6米为株距，种植密度分别为1250株/公顷和417株/公顷的7年生红花木莲三维林分场景；建立以4米为株距，以2米、4米和6米为行距，种植密度分别为1250株/公顷、625株/公顷和417株/公顷的多种不同生长阶段的红花木莲三维林分场景。
[0069] （3）林分场景透光率计算
[0070] 以上述所构建三维林分场景为基础、以2012年9月23日为模拟时段，假设天气晴朗，模拟时间点从早晨8：00至傍晚17：00，时间间隔1小时，共模拟10次，分别计算各时刻太阳高度角、方位角和透光率。透光率的计算流程如图2所示，具体过程为：1）根据拟造林地的地理位置（中心点以东经117度61分，北纬24度12分），并假设天气晴朗条件下，采用太阳的天文参数计算算法，计算得出不同时刻的太阳高度、方位角和冠顶辐射强度；2）确定林分分析的范围，从而确定包含林分场景的最小四边形，并得出该四边形的长（X米）和宽（Y米）；3）设定栅格长宽均为m米，一共有（x/m）*（y/m）个栅格，获得每一个栅格的中心坐标，将其作为光线的投放原点，方向为原光线方向的反方向；4）计算光线与三维林分场景中各（叶、枝）面片相交情况；若相交，则此条光线与面片求交结束，将光线对应的栅格颜色设为灰色；否则，将光线对应的栅格颜色设为白色；5）所有光线求交计算完成后，统计白色栅2 2
格的个数n，每个栅格的面积为m平方米，那么光斑区域的面积为n*m 平方米。因此光斑
2
率S=（n*m）/(x*y)，即得出某个时刻某个林分场景的透光率；6）计算一天内10次透光率的平均值，得出日平均透光率。
[0071] （4）不同种植密度林分场景透光率分析
[0072] 1）不同株、行距的林分场景透光率分析
[0073] 对于由同一树龄树木组成的三维林分场景，在不同的株距、行距条件下其透光率是不同的。以7年生红花木莲为例，以4米为行距，分别以2米、4米和6米为株距，种植密度分别为1250株/公顷、625株/公顷和417株/公顷，分析不同株距情况下的林分透光率，模拟结果如表2所示。同样以7年生红花木莲为例，以4米为株距，以2米、4米和6米为行距，种植密度分别为1250株/公顷、625株/公顷和417株/公顷，分析不同行距情况下的林分透光率，模拟结果如表3所示。透光模拟时均采用2012年9月23日各整点时刻。
[0074] 表2 同一行距、不同株距条件下林分场景内的透光率数值表
[0075]
[0076] 从表2可以看出在同一行距、不同株距的条件下，林分场景在一天内的瞬时透光率基本都是先增大后减小，在正午时刻最大，往早晚方向依次递减。在行距均为4米的条件下，当株距为2米时，即种植密度为1250株/公顷，场景内的平均透光率为0.112；当株距为4米时，即种植密度为625株/公顷，场景的平均透光率增至0.323，增加了0.311；将株距增大为6米时，即种植密度为417株/公顷，则场景内的平均透光率为0.5，相比株距为4米时仅增大0.189。
[0077] 表3 同一株距、不同行距条件下林分场景内的透光率数值表
[0078]
[0079] 从表3可以看出，在同一株距、不同行距条件下，场景内的瞬时透光率基本上都是先增大后减小，在株距均为4米条件下，当行距为2米时，即种植密度为1250株/公顷，场景内平均透光率为0.133；当株距为4米时，即种植密度为625株/公顷，场景的平均透光率增至0.323，增加了0.190；将行距增大为6米时，即种植密度为417株/公顷，则场景内平均透光率为0.474，相比4米时增加了0.151；由此也可推出随着行距的增大，场景内平均透过率也随着增大，且增幅也呈递减趋势。
[0080] 2）同一种植密度不同生长阶段林分场景透光率分析
[0081] 对于同一种树木，其不同生长阶段的形态结构不同。随着树龄的增长，其冠幅、冠长以及叶片数量等呈依次增长趋势，因此，同一株距、行距、不同树龄的树木所组成的林分场景内的透光率是不相同的。以4米为株距和行距，即种植密度均为625株/公顷，建立不同年龄段的红花木莲三维林分场景，分别模拟分析其透光情况，模拟结果见表4所示，透光模拟时均采用2012年9月23日的各整点时刻。
[0082] 表4 不同生长阶段林分场景的透光率数值表
[0083]
[0084] 在同一株距、行距条件下，对于任意一种年龄段的树木所组成的林分场景来说，正午的太阳高度角最高，阴影面积相对于其它时刻最小，光斑率最大，因此一天内的瞬时透光率在正午时分最高，往早晚方向依次递减；此外，在同一株距、行距条件下，随着林分上层树木年龄的增长，其冠幅、冠长以及叶片数量等也随之逐渐增加，导致林分冠层遮挡面积逐渐增大。
[0085] 红花木莲是喜光植物，目前可作为生态林树种。生长在日照少，年平均气温为13℃的地区。上述几种分布模式中，7年生的红花木莲模型冠幅较大，郁闭度较高。根据上述计算的透光率，株距4米，行距2米，种质密度为1250株/公顷时，林分对光的利用率较高。
[0086] 上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
