一种虚拟枣树生长的可视化模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种虚拟枣树生长可视化模拟方法。所述方法包括：采集枣树静态数据，并进行枣树形态结构统计分析；构建枣树生长模型，包括枣树的单季(一年)生长模型与枣树树体结构模型；构建虚拟枣树生长可视化模型：利用自主优化的新型L系统建模法和龟形解释法展示枣树生长过程的动态三维模型。本发明专利技术采用的新型L系统建模方法具有存储空间少，计算速度快和效率高的特点。本发明专利技术所述方法可以为精准农业提供技术支持，并对枣树优良株型的选择与剪枝具有指导意义。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种虚拟枣树生长可视化模拟方法。所述方法包括：采集枣树静态数据，并进行枣树形态结构统计分析；构建枣树生长模型，包括枣树的单季(一年)生长模型与枣树树体结构模型；构建虚拟枣树生长可视化模型：利用自主优化的新型L系统建模法和龟形解释法展示枣树生长过程的动态三维模型。本专利技术采用的新型L系统建模方法具有存储空间少，计算速度快和效率高的特点。本专利技术所述方法可以为精准农业提供技术支持，并对枣树优良株型的选择与剪枝具有指导意义。【专利说明】
本专利技术涉及计算机图像处理及虚拟现实技术，具体涉及一种虚拟枣树生长的可视 化模拟方法。
技术介绍
虚拟植物作为现代农业技术与信息技术相结合的有机体，是指将植物生长信息进 行重构以便采用直观的可视化方式在计算机上对其进行模拟。为此，虚拟植物在其实现过 程中离不开虚拟植物模型的构建。 1968年，美国生物学家Lindenmayer第一次提出了形式化的表达植物分枝状况的 系统一"字符串重写系统"，习惯称之为L系统。该系统对植物的形态与生长进行了形式化的 描述，开始只着重于植物的拓扑结构，即植物的各个器官之间的相邻关系，后来把字符串系 统的各个符号用几何图形加以表示，形成了现在被人们广为重视的L系统。继Lindenmayer 提出L系统后，加拿大学者Prusinkiewicz等为了能够描述植物的生长过程，对L系统进行 了扩展，提出了能够与周围环境交互的系统开放L系统和能够模拟植物生长的随机性的随 机L系统。澳大利亚的研宄机构CentreforPlantArchitectureInformatics基于L系 统建模方法开发了虚拟植物软件，模拟棉花、大豆、玉米等农作物以及植物根系的生长病虫 害对植物生长的影响。加拿大Calgary大学基于L系统建模方法和利用少量植物学的知识 开发出的CPEG、L-Studio、VirtualLaboratory能再现灭绝的树种，成功地应用于辅助景观 设计和植物学教学。 虚拟植物生长模拟的研宄在国内起步较晚，研宄的机构也很少，其主要的研宄机 构有两个：一个是中国科学院自动化技术研宄所与法国CIRAD公司的AMP实验室联合合作 的研发机构，另外一个是中国科学技术大学。中科院自动化所中法实验室从1997年开始进 行了虚拟植物生长的合作研宄。其研宄的基础主要是基于AMAP公司虚拟植物生长的方法， 系统采用了参考轴技术和双尺度自动机模型。 从目前主要虚拟植物模型的研宄与开发可以看出，到目前为止以植物为对象的建 模方法远未完善，形态发育仿真模型与生态生理仿真模型的集中研宄工作还很少。单纯的 分形方法在实现各种植物构造模型方面能力有限，且缺少与生态生理模型的接口方式，以 形式化语言的L系统方法，以自动机为主的随机过程方法等均表现了各自的优越性。从理 论上讲，L系统为植物生长拓扑结构以及几何形态建模提供了一个很好的理论体系，如何根 据已知的植物学知识归纳抽象出有关植物生长的语言描述规则并不是一件简单的工作。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种虚拟植物生长的展示方法，能够可靠、高 效、快速地展示出虚拟枣树的生长过程。 为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案： 一种虚拟枣树生长可视化模拟方法，按照以下步骤进行： S1、采集枣树静态数据，并进行枣树形态结构统计分析； S2、构建枣树生长模型，包括枣树的单季生长模型与枣树树体结构模型； S3、构建虚拟枣树生长可视化模型：利用自主优化的新型L系统建模法和龟形解 释法展示枣树生长过程的动态三维模型。 进一步地，Sl所述的枣树静态数据包括： 树形观测值，用于确定枣树的形态结构，并确定枝干直径的缩减系数；树形观测值 包括：树高、主干高度、主干直径、分枝角度、分枝节数、节间长度、节间直径； 枣吊生长观测值，用于建立生长天数与枣吊长度之间的函数关系；枣吊生长观测 值包括：枣吊着生角度、枣吊长度和直径。 进一步地，Sl所述对赛树形态结构统计分析包括： 对树形观测值进行统计分析，得出枝干的节数及单节长度，枝干的直径与分枝级 数和长度的关系，以及枝干的弯曲变化规律； 对枣吊生长观测值统计分析，通过画样本数据离散点图，得出枣吊长度随时间的 变化规律。 进一步地，S2所述枣树的单季生长模型用枣吊生长模型表示，采用Logistic生长 曲线模型，其公式表示为： 【权利要求】1. 一种虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 51、 采集枣树静态数据，并进行枣树形态结构统计分析； 52、 构建枣树生长模型，包括枣树的单季生长模型与枣树树体结构模型； 53、 构建虚拟枣树生长可视化模型：利用自主优化的新型L系统建模法和龟形解释法 展示枣树生长过程的动态三维模型。2. 根据权利要求1所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，Sl所述的枣树 静态数据包括： 树形观测值，用于确定枣树的形态结构，并确定枝干直径的缩减系数；树形观测值包 括：树高、主干高度、主干直径、分枝角度、分枝节数、节间长度、节间直径； 枣吊生长观测值，用于建立生长天数与枣吊长度之间的函数关系；枣吊生长观测值包 括：枣吊着生角度、枣吊长度和直径。3. 根据权利要求1所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，Sl所述对枣树 形态结构统计分析包括： 对树形观测值进行统计分析，得出枝干的节数及单节长度，枝干的直径与分枝级数和 长度的关系，以及枝干的弯曲变化规律； 对枣吊生长观测值统计分析，通过画样本数据离散点图，得出枣吊长度随时间的变化 规律。4. 根据权利要求1所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，S2所述枣树的 单季生长模型用枣吊生长模型表示，采用Logistic生长曲线模型，其公式表示为：式中，d为枣吊生长的天数，为枣吊的最终长度，L(d)为枣吊在生长天数为d时的 长度，a为积分常数，r为枣吊的瞬时增长率。5. 根据权利要求1或4所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，S2所述枣 树树体结构模型包括枝干的三维模型和枝干的弯曲模型。6. 根据权利要求5所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，所述枝干的三 维模型采用圆台模型，通过计算不同枝干的长度、直径和变化角度，并在计算中加入随机值 进行模拟。7. 根据权利要求5所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，所述枝干的弯 曲模型采用基于龟形解释的枝干弯曲模拟算法进行构建，将枝干的弯曲定义为一系列无穷 小的龟的运行，通过计算枝干上任意两个相邻点的X，Y，Z轴方向旋转率得到每一小段枝干 相对于相邻枝干所产生的旋转角度，从而得到整个枝干的弯曲状态。8. 根据权利要求1所述的虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，S3所述新型L 系统建模方法包括以下步骤： 根据L系统文法和产生式，确定要模拟的子结构； 根据子结构中的器官参数将子结构的拓扑信息、几何结构信息和一个标志位信息按顺 序存储在子结构文件中； 对初始子结构进行迭代运算，在迭代过程中出现前一次迭代的子结构时，则根据子结 构名称和迭代次数搜索子结构文件；根据子结构在当前结构的插入位置及生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟枣树生长可视化模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、采集枣树静态数据，并进行枣树形态结构统计分析；S2、构建枣树生长模型，包括枣树的单季生长模型与枣树树体结构模型；S3、构建虚拟枣树生长可视化模型：利用自主优化的新型L系统建模法和龟形解释法展示枣树生长过程的动态三维模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李林，时振通，赵明明，王竹，曹津，叶思菁，姚晓闯，朱德海，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11