支持森林场景动态生成的树木生长模拟

为了解决传统L文法中树木建模困难和运行效率低的问题,提出了支持森林场景动态生成的树木生长模拟方法.该方法基于分形元建立树木模型,在此基础上对大规模树木实体实例化的简化算法进行研究,将基于视点的多分辨率简化模型融入树木建模方法之中,并选择典型树种进行生长模拟.实验结果表明,该方法能较真实地模拟树木的生长过程,并实现在虚拟森林场景中的实时漫游.     

多风格融合的复杂森林场景自适应可视化

为了保证森林场景可视化时的真实感,同时保持动态森林场景生成时间的恒定性,本文提出了一种多风格融合的复杂森林场景自适应可视化方法。该方法利用基于视距的模型分布函数来控制树木模型的分布比例,从而建立多风格融合的森林可视化模型;在此基础上,根据复杂森林场景中树木生长模型的计算时间、三维树木绘制时间的估算结果,以及树木的视觉重要性,确定生成森林场景的最佳方案。该方法能够使复杂动态森林场景的生成时间保持较好的稳定性,并且在可视化过程中根据仿真效果动态调整绘制策略。为了验证该方法的有效性和实用性,在动态生长的森林仿真场景中对本文的方法进行了实验和应用。应用结果表明,多风格融合的森林场景自适应可视化方法能在保证森林场景可视化真实感的基础上,有效地提升复杂森林场景的绘制速度,使森林场景的快速漫游具有更好的稳定性和流畅性。     

森林空间数据的时变性分析与仿真

从林分结构规律出发,采用整体到个体的方法,从森林资源二类调查的林分因子的整体信息获得树木个体信息的几何特性,应用自然稀疏规律及树木竞争与生长模型来对森林空间数据进行时变性分析与仿真.其研究结果能够为树木、森林的动态过程模拟建模提供足够详细、可靠的数据源,从而实现整个虚拟森林生长的动态变化.     

森林动态演替现象的可视化模拟

由于自然环境、资源竞争、生长繁衍等因素的影响,森林中树木的空间分布格局不断发生着变化。本文基于森林生态学的相关理论,对森林的这种动态演替现象进行了研究和模拟。我们采用一种二维分布图的形式来着重展现森林演替过程中的自然稀疏、多树种演替和聚集生长三种重要的变化规律,并以此为基础,通过迭代推演的方式实现了森林景观动态演替过程的可视化模拟。模拟计算过程中,为了加速迭代推演过程中最耗时的树木相交测试,本文还提出一种“扩展边界的四叉树”方法,提高了计算效率。本文在生成森林初始分布信息时参考了有关森林空间数据的概念,能够生成符合林业上树木胸径分布的森林数据。本文技术方法不仅可应用于影视动画、虚拟现实等领域,而且在林业科学研究与应用上也具有潜在的应用价值。     

森林场景可视化和林火模拟仿真技术研究综述

森林是生态环境系统的重要组成部分。随着气候变暖,恶劣气候气象条件造成全球森林火灾频繁发生,给国民经济和消防救援带来巨大挑战,森林火灾已成为全球主要的自然灾害。因此,森林场景可视化建模、3维场景仿真、林火模拟仿真、火场复现、预测和灾害评估成为林业虚拟仿真研究热点。本文对树木形态结构建模技术、森林场景大规模重建和实时渲染、森林场景可视化、林火模型和林火模拟仿真等前沿技术和算法进行综述。对相关的林木、植被的形态结构表达和真实感可视化建模方法进行归纳分类,并对不同可视化方法的算法优劣、复杂度、实时渲染效率和适用场景进行讨论。基于规则的林木建模方法和基于林分特征的真实场景重建方法对大规模森林场景重建技术进行分类,基于物理模型、经验模型和半经验模型对森林火灾的林火模型、单木林火、多木林火模拟和蔓延进行总结,对影响林火蔓延的不同环境气象因子（如地形地貌、湿度、可燃物等）和森林分布对林火发生、扩散和蔓延的影响进行分析,对不同算法的优劣进行对比、分析和讨论,对森林场景可视化和林火模拟仿真技术未来的发展方向、存在问题和挑战进行展望。本文为基于森林真实场景的森林火灾模拟仿真和数字孪生沉浸式互动模拟系统的构建提供了理论方法基础,该平台可以实现森林场景快速构建、不同火源林火模拟、火场蔓延模拟仿真以及不同气象影响条件的火场预测,可对森林火场救援指挥、火场灾害评估和火场复原提供可视化决策支持。     

成年树光照资源仿真的快速计算

光照是树木生长需要的重要资源,是树木生长仿真计算中必不可少的因素.但在森林演化的计算机模拟中,由于光照模拟的复杂性,使得光照模型的计算量十分巨大.本文采用了光照指数(Gap Light Index,GLI)为因子的光照模型,并针对该模型开展了快速计算研究.由于该模型计算中存在着大量限制计算效率的几何求交运算,本文根据光照指数与植物暴露面积所具有的共同特点,提出采用基于暴露面积的计算方法来近似拟合GLI的值,并在并行计算架构CUDA上实现了该算法.最后通过不同实验比较,验证了本文提出的方法针对较大的树木规模,在保证较小误差率的前提下,获得了比GPU并行求交方法快数十倍以上的加速比.     

三维可视化技术在数字林业中的应用研究

数字林业的三维可视化是在林学和计算机图形学领域研究的一个热点,从简单的林木三维建模到辅助进行森林空间结构合理化,三维可视化技术都提供了全新的森林经营理念和生产管理方式。从树木模型、虚拟林相图、生长模型、林火模拟、病虫害监测、森林空间结构六个方面介绍了三维可视化技术在数字林业中的应用概况,并且分析了三维可视化技术对林业生产、经营、管理、决策等起到的重要作用。森林资源信息量大、涉及面广、关系复杂,因此森林资源三维可视化的研究还需要不断深入。     

三维可视化技术在数字林业中的应用研究

数字林业的三维可视化是在林学和计算机图形学领域研究的一个热点,从简单的林木三维建模到辅助进行森林空间结构合理化,三维可视化技术都提供了全新的森林经营理念和生产管理方式。从树木模型、虚拟林相图、生长模型、林火模拟、病虫害监测、森林空间结构六个方面介绍了三维可视化技术在数字林业中的应用概况,并且分析了三维可视化技术对林业生产、经营、管理、决策等起到的重要作用。森林资源信息量大、涉及面广、关系复杂,因此森林资源三维可视化的研究还需要不断深入。     

基于植物间互利作用的森林生长模型快速计算

植物间互利作用的研究与探索有助于加强林业生产中的混交林建设,从而提高林分生产力。为了快速地模拟植物间互利作用下的生长情况,提出了一种利用植物间互利生长模型进行森林场景快速可视化的方法。该方法通过植物间互利指数、植物自身的生长率、植物当前生物量、环境条件等参数将Lotka-Volterra种间互利模型与植物个体生长模型进行融合,并采用像素化方法进行快速计算,以模拟互利植物的生长情况。通过水曲柳和落叶松混交林在不同的环境资源条件、分布密度、生长时间等条件下的可视化仿真,验证了基于植物间互利作用的森林生长模型快速计算方法的有效性和实用性。     

基于Virtools平台的森林仿真风效技术研究

森林场景的仿真是对复杂环境仿真中的重要部分。建立具有沉浸感、高逼真度的森林场景,除了高真实感的树木及花卉等植被,同时需考虑风效等影响森林场景逼真度的自然因素。为快速绘制具有真实感的大规模虚拟森林场景,围绕Virtools虚拟现实仿真平台使用树木三维模型进行实时交互的要求,制作插件结合SpeedTree树木软件绘制森林场景制作仿真系统,通过实验室仿真研究常见的风速模型分析比较,提出适合实时植被绘制的森林仿真风速模型,对应用风速模型的森林场景风效进行实验验证。     

基于图像的异龄树木模拟研究

提出了一种交互式变换树种和地面的方案,并结合微软公司新推出的Direct3D技术和vc++开发环境,实现了不同种树木在不同地表生长环境中的真实性模拟,建立了虚拟异龄树木生长环境模型和异龄多种模型,避免了传统的几何建模对时间和空间的耗费,帮助林业从业人员在普通的微机上对森林进行有效的监测和管理,从而提高林木生产量和资源利用率.     

基于图像的林木蓄积量计算方法研究与仿真

研究森林木材蓄积量准确计算问题。在大面积森林区域中树木种类比较多,不同种类的树木交织生长,差异化的林木在形态学特征和可识别传感信息区别较大,很难运用传感器对交叉分布的林木特征准确区分采集。传统方法多是基于小区域传感器网络对森林木材存储状况进行检测的,一旦区域较大,林区植被结构复杂,传感网络很难进行细化区分,计算准确性不高。提出了一种基于图像树木轮廓特征分类的森林木材蓄积量计算方法。提取图像中的森林不同树木区域的轮廓特征,建立轮廓特征分类模型,按照树木不同的种类对木材蓄积量进行计算,从而实现森林木材蓄积量计算。实验结果表明,这种算法能够有效提高森林木材蓄积量计算的准确率。     

模拟树木生长的综合力学模型

为了更好地表现树木在自然环境中的生长形态,在基于直径变化率的趋向性力学模型基础上,提出了一种模拟树木生长的综合力学模型。从树木的局部枝干出发,综合分析自然环境作用下树木生长过程中枝干的受力情况,重组环境外力的不同影响时机和权重关系,建立树枝向性生长的综合弯曲角度公式,实现综合力作用下树木生长的模拟。结合不同的生长规则,可模拟不同树种在自然环境中的生长形态。实验结果表明,该方法有较好的模拟效果。     

森林系统树木生长的数学模型及辨识

本文根据森林树木生长的特殊规律,建立起森林系统时变参数的数学模型,并对参数估计的递推算法,进行了有效的改进,森林生长模型的研究具有一定的实用价值。     

数字表面模型（DSM）参数指示林窗特征的有效性研究

林窗的空间格局不仅对林下物种多样性有重要作用,而且也是量化不同林型结构特征的重要指标。近年来,灵活便捷的小型无人机航拍技术的快速发展为获取高分辨率的森林冠层三维结构信息提供了可低成本获取的途径。利用航拍影像提取林窗斑块来计算景观指数是描述林窗格局有效的传统方法,但提取细小林窗往往难度大,尤其是在需要处理大量航拍数据时会大大增加时间成本。基于无人机航拍的RGB影像,在三维建模获取的高精度数字表面模型（DSM）的基础上建立森林高差模型（DSMr）,进而提出基于高差模型的信息熵（H）、标准差（STD）、偏度系数（SK）、峰度系数（EK）、纹理参数（GLCM,GLDV）来快速反映林窗空间分布格局的方法,并以黄土高原中部恢复较好的天然林和北部人工刺槐林窗数据检验其有效性。研究结果显示：SK、EK、GLCM、GLDV与林窗格局指数有一定的相关性,两类样方DSMr的SK和EK均与边界密度（ED）显著负相关,SK与斑块密度指数（PD）呈现出显著负相关关系,纹理参数均与景观形状指数（LSI）显著正相关。因此,DSMr参数能有效指示林窗的结构和分布格局,为林窗的生态过程与效应研究提供了更加快捷的变量。     

应用卫星遥感技术评价流域森林水文效益

本文论述应用卫星遥感技术结合地面人工降雨试验和流域多年水文资料的方法,对流域森林水文效益进行评价。通过研究,弄清了流域下垫面要素的性质和结构,以及流域森林水文效益动态变化规律,提出了研究森林水文效益的实用区划方法,即“土壤景观——森林水文区域研究”,以及流域森林水文效益的数量化评价技术,并对该流域的蓄水能力进行预估,为“八·五”长防林建设研究奠定了基础。     

HSI和区域生长结合的火灾图像分割方法

森林火灾图像分割是火灾特征和识别的重要前提,其分割结果将直接影响到火灾识别的准确率。针对常用的图像分割方法进行了分析,在此基础上提出了HSI模型和区域生长结合的森林火灾图像分割方法。该方法首先将原图像转换到HSI空间,提取图像中H、S、I分量;然后在原图像中选取种子,并对其H、S、I分量图像进行区域生长;最后对各分量区域生长后的图像进行合并,最终得出分割图像。并与常用分割方法仿真结果进行了比较,试验结果表明：该算法对森林火灾分割精度高、抗扰性好且应用范围广泛,对森林火灾分割、识别具有重要意义。     

基于KNN方法的森林蓄积量遥感估计和反演概述

K-邻近距离法(KNN)作为一种非参数方法,多适用于非正态分布和密度函数未知的遥感数据分类和参数估计,已被广泛地用于寒带和亚寒带地区的多源林业调查和森林蓄积量估计反演。从KNN方法的基本原理出发,在与传统蓄积量遥感估计方法进行对比的基础上,详细地介绍了KNN方法的特点以及与K\|mean方法的区别,总结了KNN法森林蓄积量估计误差的评价模型和度量参数。还对KNN法森林蓄积量遥感估计的国内外研究动态进行了总结,表明了多源信息在KNN法森林蓄积量遥感估计中的重要性,总结出KNN方法进行森林蓄积量遥感估计的两种方法：基于样地点级和基于林分级。最后详细阐述了影响KNN法森林蓄积量估计的众多因素,提出了在低纬度地区利用KNN法对森林蓄积量遥感估计和反演进行系统研究的建议。     

基于动态纹理技术的实时森林绘制

研究实时绘制森林动态场景问题,由于森林形状复杂,实时性差,针对风力作用下的大规模森林动态场景,提出图像变形方法和动态纹理技术的森林绘制方法。使用二维图像变形技术实现树木图像在风力作用下的变形;通过将树木变形结果预计算为复合纹理,减少渲染时计算量;在实时渲染过程中,根据当前风力,选择最相近的纹理内容,通过使用动态纹理技术实时更新至Billboard;并结合顶点偏移法一起实现树木模型在风力作用下的动态运动;为加速绘制效率,利用图形硬件加速复合纹理的选择和Billboard的顶点计算。对于上万株规模的动态森林场景,通过改进方法可以实现实时绘制。     

基于深度网格的大规模森林场景的动态模拟

为了降低大规模森林场景的数据量和较真实地模拟其在风力作用下的动态效果,提出一种完全基于GPU的森林场景动态模拟方法.首先采用一种基于深度图像并重建几何的方法对树模型进行优化,在优化后的模型中内建了多个层次细节,并进行有效的压缩;然后采用随机过程的方法对风场建模,用简化的过程式方法计算风力作用下树的位移和形变.实验结果表明,该方法可以实现以8 MB存储空间和85 MB显存空间为代价、实时模拟数量高达10万棵的大规模森林场景在风场作用下的动态效果,且模拟效果好、质量高.