一種虛擬棗樹生長(zhǎng)的可視化模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法。所述方法包括：采集棗樹靜態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行棗樹形態(tài)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析；構(gòu)建棗樹生長(zhǎng)模型，包括棗樹的單季(一年)生長(zhǎng)模型與棗樹樹體結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)建虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模型：利用自主優(yōu)化的新型L系統(tǒng)建模法和龜形解釋法展示棗樹生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。本發(fā)明采用的新型L系統(tǒng)建模方法具有存儲(chǔ)空間少，計(jì)算速度快和效率高的特點(diǎn)。本發(fā)明所述方法可以為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供技術(shù)支持，并對(duì)棗樹優(yōu)良株型的選擇與剪枝具有指導(dǎo)意義。
【專利說明】一種虛擬棗樹生長(zhǎng)的可視化模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖像處理及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具體涉及一種虛擬棗樹生長(zhǎng)的可視 化模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬植物作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的有機(jī)體，是指將植物生長(zhǎng)信息進(jìn) 行重構(gòu)以便采用直觀的可視化方式在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行模擬。為此，虛擬植物在其實(shí)現(xiàn)過 程中離不開虛擬植物模型的構(gòu)建。
[0003] 1968年，美國生物學(xué)家Lindenmayer第一次提出了形式化的表達(dá)植物分枝狀況的 系統(tǒng)一"字符串重寫系統(tǒng)"，習(xí)慣稱之為L(zhǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)植物的形態(tài)與生長(zhǎng)進(jìn)行了形式化的 描述，開始只著重于植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即植物的各個(gè)器官之間的相鄰關(guān)系，后來把字符串系 統(tǒng)的各個(gè)符號(hào)用幾何圖形加以表示，形成了現(xiàn)在被人們廣為重視的L系統(tǒng)。繼Lindenmayer 提出L系統(tǒng)后，加拿大學(xué)者Prusinkiewicz等為了能夠描述植物的生長(zhǎng)過程，對(duì)L系統(tǒng)進(jìn)行 了擴(kuò)展，提出了能夠與周圍環(huán)境交互的系統(tǒng)開放L系統(tǒng)和能夠模擬植物生長(zhǎng)的隨機(jī)性的隨 機(jī)L系統(tǒng)。澳大利亞的研宄機(jī)構(gòu)CentreforPlantArchitectureInformatics基于L系 統(tǒng)建模方法開發(fā)了虛擬植物軟件，模擬棉花、大豆、玉米等農(nóng)作物以及植物根系的生長(zhǎng)病蟲 害對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。加拿大Calgary大學(xué)基于L系統(tǒng)建模方法和利用少量植物學(xué)的知識(shí) 開發(fā)出的CPEG、L-Studio、VirtualLaboratory能再現(xiàn)滅絕的樹種，成功地應(yīng)用于輔助景觀 設(shè)計(jì)和植物學(xué)教學(xué)。
[0004] 虛擬植物生長(zhǎng)模擬的研宄在國內(nèi)起步較晚，研宄的機(jī)構(gòu)也很少，其主要的研宄機(jī) 構(gòu)有兩個(gè)：一個(gè)是中國科學(xué)院自動(dòng)化技術(shù)研宄所與法國CIRAD公司的AMP實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合合作 的研發(fā)機(jī)構(gòu)，另外一個(gè)是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。中科院自動(dòng)化所中法實(shí)驗(yàn)室從1997年開始進(jìn) 行了虛擬植物生長(zhǎng)的合作研宄。其研宄的基礎(chǔ)主要是基于AMAP公司虛擬植物生長(zhǎng)的方法， 系統(tǒng)采用了參考軸技術(shù)和雙尺度自動(dòng)機(jī)模型。
[0005] 從目前主要虛擬植物模型的研宄與開發(fā)可以看出，到目前為止以植物為對(duì)象的建 模方法遠(yuǎn)未完善，形態(tài)發(fā)育仿真模型與生態(tài)生理仿真模型的集中研宄工作還很少。單純的 分形方法在實(shí)現(xiàn)各種植物構(gòu)造模型方面能力有限，且缺少與生態(tài)生理模型的接口方式，以 形式化語言的L系統(tǒng)方法，以自動(dòng)機(jī)為主的隨機(jī)過程方法等均表現(xiàn)了各自的優(yōu)越性。從理 論上講，L系統(tǒng)為植物生長(zhǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及幾何形態(tài)建模提供了一個(gè)很好的理論體系，如何根 據(jù)已知的植物學(xué)知識(shí)歸納抽象出有關(guān)植物生長(zhǎng)的語言描述規(guī)則并不是一件簡(jiǎn)單的工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種虛擬植物生長(zhǎng)的展示方法，能夠可靠、高 效、快速地展示出虛擬棗樹的生長(zhǎng)過程。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] 一種虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，按照以下步驟進(jìn)行：
[0009] S1、采集棗樹靜態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行棗樹形態(tài)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析；
[0010] S2、構(gòu)建棗樹生長(zhǎng)模型，包括棗樹的單季生長(zhǎng)模型與棗樹樹體結(jié)構(gòu)模型；
[0011] S3、構(gòu)建虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模型：利用自主優(yōu)化的新型L系統(tǒng)建模法和龜形解 釋法展示棗樹生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。
[0012] 進(jìn)一步地，Sl所述的棗樹靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：
[0013] 樹形觀測(cè)值，用于確定棗樹的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并確定枝干直徑的縮減系數(shù)；樹形觀測(cè)值 包括：樹高、主干高度、主干直徑、分枝角度、分枝節(jié)數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度、節(jié)間直徑；
[0014] 棗吊生長(zhǎng)觀測(cè)值，用于建立生長(zhǎng)天數(shù)與棗吊長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系；棗吊生長(zhǎng)觀測(cè) 值包括：棗吊著生角度、棗吊長(zhǎng)度和直徑。
[0015] 進(jìn)一步地，Sl所述對(duì)賽樹形態(tài)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析包括：
[0016] 對(duì)樹形觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出枝干的節(jié)數(shù)及單節(jié)長(zhǎng)度，枝干的直徑與分枝級(jí) 數(shù)和長(zhǎng)度的關(guān)系，以及枝干的彎曲變化規(guī)律；
[0017] 對(duì)棗吊生長(zhǎng)觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析，通過畫樣本數(shù)據(jù)離散點(diǎn)圖，得出棗吊長(zhǎng)度隨時(shí)間的 變化規(guī)律。
[0018] 進(jìn)一步地，S2所述棗樹的單季生長(zhǎng)模型用棗吊生長(zhǎng)模型表示，采用Logistic生長(zhǎng) 曲線模型，其公式表示為：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 51、 采集棗樹靜態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行棗樹形態(tài)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析； 52、 構(gòu)建棗樹生長(zhǎng)模型，包括棗樹的單季生長(zhǎng)模型與棗樹樹體結(jié)構(gòu)模型； 53、 構(gòu)建虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模型：利用自主優(yōu)化的新型L系統(tǒng)建模法和龜形解釋法 展示棗樹生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)三維模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，Sl所述的棗樹 靜態(tài)數(shù)據(jù)包括： 樹形觀測(cè)值，用于確定棗樹的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并確定枝干直徑的縮減系數(shù)；樹形觀測(cè)值包 括：樹高、主干高度、主干直徑、分枝角度、分枝節(jié)數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度、節(jié)間直徑； 棗吊生長(zhǎng)觀測(cè)值，用于建立生長(zhǎng)天數(shù)與棗吊長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系；棗吊生長(zhǎng)觀測(cè)值包 括：棗吊著生角度、棗吊長(zhǎng)度和直徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，Sl所述對(duì)棗樹 形態(tài)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析包括： 對(duì)樹形觀測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出枝干的節(jié)數(shù)及單節(jié)長(zhǎng)度，枝干的直徑與分枝級(jí)數(shù)和 長(zhǎng)度的關(guān)系，以及枝干的彎曲變化規(guī)律； 對(duì)棗吊生長(zhǎng)觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析，通過畫樣本數(shù)據(jù)離散點(diǎn)圖，得出棗吊長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化 規(guī)律。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，S2所述棗樹的 單季生長(zhǎng)模型用棗吊生長(zhǎng)模型表示，采用Logistic生長(zhǎng)曲線模型，其公式表示為：
式中，d為棗吊生長(zhǎng)的天數(shù)，為棗吊的最終長(zhǎng)度，L(d)為棗吊在生長(zhǎng)天數(shù)為d時(shí)的 長(zhǎng)度，a為積分常數(shù)，r為棗吊的瞬時(shí)增長(zhǎng)率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，S2所述棗 樹樹體結(jié)構(gòu)模型包括枝干的三維模型和枝干的彎曲模型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，所述枝干的三 維模型采用圓臺(tái)模型，通過計(jì)算不同枝干的長(zhǎng)度、直徑和變化角度，并在計(jì)算中加入隨機(jī)值 進(jìn)行模擬。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，所述枝干的彎 曲模型采用基于龜形解釋的枝干彎曲模擬算法進(jìn)行構(gòu)建，將枝干的彎曲定義為一系列無窮 小的龜?shù)倪\(yùn)行，通過計(jì)算枝干上任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)的X，Y，Z軸方向旋轉(zhuǎn)率得到每一小段枝干 相對(duì)于相鄰枝干所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度，從而得到整個(gè)枝干的彎曲狀態(tài)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，S3所述新型L 系統(tǒng)建模方法包括以下步驟： 根據(jù)L系統(tǒng)文法和產(chǎn)生式，確定要模擬的子結(jié)構(gòu)； 根據(jù)子結(jié)構(gòu)中的器官參數(shù)將子結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫畔?、幾何結(jié)構(gòu)信息和一個(gè)標(biāo)志位信息按順 序存儲(chǔ)在子結(jié)構(gòu)文件中； 對(duì)初始子結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代運(yùn)算，在迭代過程中出現(xiàn)前一次迭代的子結(jié)構(gòu)時(shí)，則根據(jù)子結(jié) 構(gòu)名稱和迭代次數(shù)搜索子結(jié)構(gòu)文件；根據(jù)子結(jié)構(gòu)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)的插入位置及生長(zhǎng)方向，對(duì)存 儲(chǔ)的信息進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，把子結(jié)構(gòu)粘貼到當(dāng)前位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的虛擬棗樹生長(zhǎng)可視化模擬方法，其特征在于，S3所述龜 形解釋法包括： 用三個(gè)向量H、L和U來表示空間龜?shù)漠?dāng)前方位，其中H表示龜頭的指向，L表示左方，U表示上方，每個(gè)方向符號(hào)帶一個(gè)參數(shù)表示旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，"["、"]" 為分枝符號(hào)，遇到"["時(shí)壓棧保存當(dāng)前的狀態(tài)，遇到"]"時(shí)將彈棧恢復(fù)上次壓棧信息，實(shí)現(xiàn) 虛擬植物的分枝。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104504752SQ201510006247
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月6日
【發(fā)明者】李林, 時(shí)振通, 趙明明, 王竹, 曹津, 葉思菁, 姚曉闖, 朱德海 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)