[發明專利]一種基于B樣條曲線的樹冠三維形態模擬方法

有效

• 申請號: 201710671803.3
• 申請日: 2017-08-08
• 公開（公告）號: CN107452066B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 張懷清;馬載陽;李永亮;楊廷棟
• 申請（專利權）人: 中國林業科學研究院資源信息研究所
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 毛燕生

一種基于B樣條曲線的樹冠三維形態模擬方法屬于樹木形態結構三維可視化模擬技術領域。提出了以樹冠形態數據為基礎，擬合樹冠縱斷面和橫斷面B樣條曲線，構建約束控制樹冠三維形態的包絡網格模型以及樹枝密度控制方法。本發明可以更好地反映冠形的局部特性，能夠很好地模擬出復雜樹冠的外形，控制局部樹枝長短的差異，實現對樹木冠形準確、逼真的三維可視化模擬，使構建的三維樹木模型更加符合自然特征。

技術領域

本發明涉及一種基于B樣條曲線的樹冠三維形態模擬方法，屬于樹木形態結構三維可視化模擬技術領域。

背景技術

樹木三維可視化模擬是林業數字化、信息化的基礎，目前已經有了較多的研究成果與技術創新，可以基于相關的技術與方法，依據不同樹種的特點，實現符合樹木總體特征的三維可視化模型構建。當前專家學者基于主要的樹冠形態特征參數，使用冠形曲線模擬樹冠的三維形態結構，模擬結果可以反映出樹冠主要的形態特征。但是，樹木的形態結構不僅由樹種決定，還會受到生長環境等外部因素的影響。處于森林中的樹木，面對復雜的生長環境和來自周圍林木的競爭壓力，其樹冠的形態結構也是各不相同的，例如林木樹冠會呈現出不同程度的偏冠現象。使用當前技術方法構建的樹木模型，在形態上普遍具有相似性，無法反映出局部冠形的不同，也不能靈活地控制樹枝密度的差異。為了模擬樹木在森林中的真實樹冠形態，表現自然界中同一樹種在不同生長環境下外形的差異，克服當前樹木可視化模擬中同一樹種冠形特征相似的問題，需要一種可以控制樹冠外形并真實模擬樹冠形態局部差異性變化的方法。B樣條曲線是由一組可以通過參數控制的曲線段構成的光滑曲線，具有良好的局部性，能夠很好地逼近具有復雜形狀的圖形邊界。

發明內容

為了克服現有技術的不足,涉及到計算機圖形圖像學中的B樣條曲線擬合計算與繪制技術和樹木三維建模中的樹冠形態約束與控制技術,為了克服同一樹種具有相似的樹冠外形特征的問題，實現更為逼真的樹冠三維形態模擬，再現樹木在自然界中的真實生長狀態。

一種基于B樣條曲線的樹冠三維形態模擬方法，包括構建樹冠包絡網格模型，樹枝密度控制，具體有以下步驟：

一、構建樹冠包絡網格模型

樹冠包絡網格模型主要由縱向和橫向的B樣條曲線構成，其中縱向曲線共有8條，分別位于樹冠東、東南、南、西南、西、西北、北、東北方向；橫向曲線的條數等于測量樹冠形態數據時的分層數N；

步驟1、計算東、南、西、北的縱向B樣條曲線

東、南、西、北四個方向的縱向B樣條曲線以實際測量數據為依據；其中，樹木的樹高為H；樹木的枝下高為Hb；對樹冠按高度h進行分層，分層數為N，N＝(H-Hb)/h，N按向上取整數；樹冠各層在東、南、西、北四個方向上的最大樹冠半徑為Cr_i；對應高度為H_i，i∈[1,N]；

將測量的樹冠形態數據作為型值點DataPt_i，型值點個數為N+2，坐標為(0,Hb)、(0,H)和(X_i,Y_i)；

X_i＝Cr_i，Y_i＝H_i，i∈[1,N]

使用型值點進行B樣條的反算，求取N+2個控制點CtrlPt_i(x_i,y_i)，利用求得的控制點CtrlPt_i擬合B樣條曲線；計算得到，東、南、西、北四個方向上，B樣條曲線上點的坐標分別為(eX,eY)、(sX,sY)、(wX,wY)、(nX,nY)；

步驟2、計算各層橫向B樣條曲線