[發明專利]一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優化方法

有效

• 申請號: 201510030735.3
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104620879B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 王浩宇;康孟珍;華凈;王飛躍
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: A01G7/06
• 分類號: A01G7/06;A01G17/00
• 代理公司: 北京瀚仁知識產權代理事務所(普通合伙)11482
• 代理人: 宋寶庫

技術領域

本發明屬于計算機技術、電子信息技術領域，具體涉及一種通過模擬、分析光在樹木冠層內的分布差異性從而為樹木的修剪優化方案提供定量化指導的方法。

背景技術

在樹木生長周期中，需要人工對其精心修護。如果粗放管理或放任不管，往往會造成外圍枝條密擠，內膛光禿，結果部位外移的現象。合理地進行整形修剪可以控制樹勢，改善樹冠的通風條件，調節樹上與樹下的平衡關系，促進花芽形成，增加結果部位，避免大小年現象，延長樹體的結果年限。更為重要的是通過剪枝能有效地改善冠層內的光照條件，達到穩產、高產、優質的目的。因為光是植物光合作用重要的資源，同時冠層內光照條件不但會引起環境溫度變化從而間接影響果實產量和品質，而且也與樹木的病蟲害(比如紫斑、裂果等現象)有直接關聯，影響樹木的生長發育。因此，合理地修剪可使樹形緊湊，枝條分布均勻，結構合理，對于樹木的生長發育及其經濟效益具有舉足輕重的作用。

虛擬植物是近二十年來發展的較為迅速的研究熱點之一。植物建模和可視化技術相結合使得人們可以直觀的在計算機的數字世界中觀察、認識?真實世界的植物。虛擬植物的生成有兩種方式，可以通過基于植物生長規律的能夠體現植物周期性動態生長的動態建模獲取，比較有代表性的有法國de?Reffye研究員提出的GreenLab模型、美國Lindenmayer提出的L系統；或者通過植物靜態模型獲得，常見的有三維數字掃描儀獲取點云數據重建樹木結構、基于圖像的樹木建模、基于手工交互的建模。這種虛擬植物技術已在農林業科研、計算機游戲設計、三維電影制作等領域有著成功的應用。

目前樹木修剪的方法有自然開心形、自然半圓形、圓錐形等等，都是靠經驗來對樹木進行修剪的，未考慮修剪的結果與冠層內的光環境之間的聯系，不能夠對修剪的結果進行定量的評估。另外，樹木修剪需要大量的人工實驗和昂貴的實驗成本，且修剪后的樹木具有不可恢復性的特點。樹木的生長往往需要較長的周期，枝條的修剪對樹木未來的生長態勢的影響不能夠直接快速的體現出來。因此對于這種具有空間地域性、時間動態變化慢的復雜生命體而言，使用虛擬植物的手段可以在計算機上開展多次修剪的虛擬實驗，降低實驗成本，對修剪的結果有快速直觀的了解和定量的評估。

發明內容

為了實現上述目的，本發明提出了一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優化方法，可以對修剪的結果有快速直觀的了解和定量的評估。

本發明提出的一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優化方法，包括以?下步驟：

步驟1，獲取具有三維形態結構的樹木模型；

步驟2，構建樹木冠層：根據給定的種植密度和地理位置放置樹木模型，形成一個樹木群體；

步驟3，建立光環境：建立樹木冠層內的光的傳播環境；

步驟4，模擬不同的剪枝方案進行剪枝，計算剪枝后樹木冠層除樹枝外其他部分的光強之和E，E的大小和剪枝方案的優劣成正比。

其中，步驟4中模擬剪枝方案的方法為，錄入樹木枝條的修剪類型；樹木冠層中每一根樹枝均任選一種修剪類型，生成一項修剪方案；所有不同的修剪方案組成方案集。

其中，步驟4中采用序優化算法從方案集中選出優化的方案。

采用序優化算法從方案集中選出優化的方案的方法包括以下步驟：

步驟41，從剪枝的方案集中隨機選出N個設計作為待選擇方案；

步驟42，定義G為足夠好子集，其大小為g；S為選出方案的集合即選擇子集，其大小為s，足夠好子集G和選擇子集S的交集至少有k個元素相匹配；設定g和k的值；

步驟43，采用粗略模型評估實現方案集中各方案依照光強之和E的大小排序；

步驟44，構建OPC曲線，計算滿足置信概率概率為Pr{|G∩S|≥k}≥0.95的s值；

步驟45，選擇前s個光強之和E最大的方案為最優方案。

所述粗略模型評估是光強之和E為最大作為目標值的。

所述光強之和E的計算方法為：定義樹木冠層中每個葉子、節間、花朵、果實、芽均為一個采光單元，所有采光單元與樹枝構成了整個樹木冠層；通過光子映射的方法估算各個采光單元上的光強E_L；將E_L通過公式?轉換為冠層內各個采光單元截取的絕對光強E_B，其中為相對光強中的最大值，τ_max和τ_min分別為樹木冠層內外的最大絕對光強和最小絕對光強；光強之和E為其中n為采光單元的個數。