一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過模擬、分析光在樹 木冠層內(nèi)的分布差異性從而為樹木的修剪優(yōu)化方案提供定量化指導(dǎo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在樹木生長周期中，需要人工對其精心修護(hù)。如果粗放管理或放任不管，往往會(huì)造 成外圍枝條密擠，內(nèi)膛光禿，結(jié)果部位外移的現(xiàn)象。合理地進(jìn)行整形修剪可以控制樹勢，改 善樹冠的通風(fēng)條件，調(diào)節(jié)樹上與樹下的平衡關(guān)系，促進(jìn)花芽形成，增加結(jié)果部位，避免大小 年現(xiàn)象，延長樹體的結(jié)果年限。更為重要的是通過剪枝能有效地改善冠層內(nèi)的光照條件，達(dá) 到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的。因?yàn)楣馐侵参锕夂献饔弥匾馁Y源，同時(shí)冠層內(nèi)光照條件不但 會(huì)引起環(huán)境溫度變化從而間接影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)，而且也與樹木的病蟲害（比如紫斑、 裂果等現(xiàn)象）有直接關(guān)聯(lián)，影響樹木的生長發(fā)育。因此，合理地修剪可使樹形緊湊，枝條分 布均勻，結(jié)構(gòu)合理，對于樹木的生長發(fā)育及其經(jīng)濟(jì)效益具有舉足輕重的作用。
[0003] 虛擬植物是近二十年來發(fā)展的較為迅速的研究熱點(diǎn)之一。植物建模和可視化技術(shù) 相結(jié)合使得人們可以直觀的在計(jì)算機(jī)的數(shù)字世界中觀察、認(rèn)識(shí)真實(shí)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(guī)律的能夠體現(xiàn)植物周期性動(dòng)態(tài)生長的動(dòng)態(tài)建 模獲取，比較有代表性的有法國deReffye研究員提出的GreenLab模型、美國Lindenmayer 提出的L系統(tǒng)；或者通過植物靜態(tài)模型獲得，常見的有三維數(shù)字掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建 樹木結(jié)構(gòu)、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(shù)已在農(nóng)林業(yè)科 研、計(jì)算機(jī)游戲設(shè)計(jì)、三維電影制作等領(lǐng)域有著成功的應(yīng)用。
[0004] 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(jīng)驗(yàn)來對樹 木進(jìn)行修剪的，未考慮修剪的結(jié)果與冠層內(nèi)的光環(huán)境之間的聯(lián)系，不能夠?qū)π藜舻慕Y(jié)果進(jìn) 行定量的評估。另外，樹木修剪需要大量的人工實(shí)驗(yàn)和昂貴的實(shí)驗(yàn)成本，且修剪后的樹木具 有不可恢復(fù)性的特點(diǎn)。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(tài) 勢的影響不能夠直接快速的體現(xiàn)出來。因此對于這種具有空間地域性、時(shí)間動(dòng)態(tài)變化慢的 復(fù)雜生命體而言，使用虛擬植物的手段可以在計(jì)算機(jī)上開展多次修剪的虛擬實(shí)驗(yàn)，降低實(shí) 驗(yàn)成本，對修剪的結(jié)果有快速直觀的了解和定量的評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優(yōu)化方 法，可以對修剪的結(jié)果有快速直觀的了解和定量的評估。
[0006] 本發(fā)明提出的一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，獲取具有三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的樹木模型；
[0008] 步驟2,構(gòu)建樹木冠層：根據(jù)給定的種植密度和地理位置放置樹木模型，形成一個(gè) 樹木群體；
[0009] 步驟3,建立光環(huán)境：建立樹木冠層內(nèi)的光的傳播環(huán)境；
[0010] 步驟4,模擬不同的剪枝方案進(jìn)行剪枝，計(jì)算剪枝后樹木冠層除樹枝外其他部分的 光強(qiáng)之和E，E的大小和剪枝方案的優(yōu)劣成正比。
[0011] 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(xiàng)修剪方案；所有不同的修剪方案組成方案集。
[0012] 其中，步驟4中采用序優(yōu)化算法從方案集中選出優(yōu)化的方案。
[0013] 采用序優(yōu)化算法從方案集中選出優(yōu)化的方案的方法包括以下步驟：
[0014] 步驟41，從剪枝的方案集中隨機(jī)選出N個(gè)設(shè)計(jì)作為待選擇方案；
[0015] 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(gè)元素相匹配；設(shè)定g和k的值；
[0016] 步驟43,采用粗略模型評估實(shí)現(xiàn)方案集中各方案依照光強(qiáng)之和E的大小排序；
[0017] 步驟44,構(gòu)建0PC曲線，計(jì)算滿足置信概率概率為Pr{|GnS|彡k}彡0.95的s 值；
[0018] 步驟45,選擇前s個(gè)光強(qiáng)之和E最大的方案為最優(yōu)方案。
[0019] 所述粗略模型評估是光強(qiáng)之和E為最大作為目標(biāo)值的。
[0020] 所述光強(qiáng)之和E的計(jì)算方法為：定義樹木冠層中每個(gè)葉子、節(jié)間、花朵、果實(shí)、芽均 為一個(gè)采光單元，所有采光單元與樹枝構(gòu)成了整個(gè)樹木冠層；通過光子映射的方法估算各 個(gè)采光單元上的光強(qiáng)Eu將E過公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，獲取具有三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的樹木模型； 步驟2,構(gòu)建樹木冠層：根據(jù)給定的種植密度和地理位置放置樹木模型，形成一個(gè)樹木 群體； 步驟3,建立光環(huán)境：建立樹木冠層內(nèi)的光的傳播環(huán)境； 步驟4,模擬不同的剪枝方案進(jìn)行剪枝，計(jì)算剪枝后樹木冠層除樹枝外其他部分的光強(qiáng) 之和E，E的大小和剪枝方案的優(yōu)劣成正比。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干， 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 均任選ー種修剪類型，生成一項(xiàng)修剪方案；所有不同的修剪方案組成方案集； 步驟4中采用序優(yōu)化算法從方案集中選出優(yōu)化的方案。
3. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用序優(yōu)化算法從方案集中選出優(yōu)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(jī)選出N個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)元素相匹配；設(shè)定g和k的值； 步驟43,采用粗略模型評估實(shí)現(xiàn)方案集中各方案依照光強(qiáng)之和E的大小排序； 步驟44,構(gòu)建OPC曲線，計(jì)算滿足置信概率概率為Pr{IGnSI彡k}彡0. 95的s值； 步驟45,選擇前s個(gè)光強(qiáng)之和E最大的方案為最優(yōu)方案。
4. 依據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述粗略模型評估是光強(qiáng)之和E為最大作 為目標(biāo)值的。
5. 依據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述光強(qiáng)之和E的計(jì)算方法為：定義 樹木冠層中每個(gè)葉子、節(jié)間、花朵、果實(shí)、芽均為ー個(gè)采光單元，所有采光單元與樹枝構(gòu)成 了整個(gè)樹木冠層；通過光子映射的方法估算各個(gè)采光單元上的光強(qiáng)4;將￡ 過公式
6. 依據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的樹木模 型通過三維數(shù)字化儀器得到，或基于圖像的方法進(jìn)行靜態(tài)的三維重建得到，或植物模型動(dòng) 態(tài)生成得到。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于冠層光分布模擬的樹木剪枝優(yōu)化方法，通過模擬樹木光環(huán)境及樹木冠層對光的截獲，分析冠層內(nèi)光分布的差異，以改善冠層內(nèi)的光照條件、提高冠層內(nèi)的光強(qiáng)利用率為目的，采用優(yōu)化算法定量的對樹木冠層枝條的修剪提出方案，為樹木的冠層修剪提供理論指導(dǎo)，相比傳統(tǒng)的方法具有省時(shí)省力、操作簡單的特點(diǎn)。其建模結(jié)果在指導(dǎo)園林業(yè)樹木修剪、城市景觀設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)虛擬仿真及實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】A01G7-06, A01G17-00
【公開號】CN104620879
【申請?zhí)枴緾N201510030735
【發(fā)明人】王浩宇, 康孟珍, 華凈, 王飛躍
【申請人】中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月21日