[发明专利]基于空间相似性的大规模森林场景快速生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及森林场景生成技术，尤其是一种森林场景生成方法。

背景技术

由于森林场景的格局、过程及相互关系的复杂性，很难对其进行直接的实验，采用计算机建立森林生长模型是一个有效的途径。森林生长模型需要考虑植物的动态生长特征和环境影响，来预测植物在不同年龄阶段的生长趋势和变化，并对森林生长情况进行模拟。大规模森林场景动态仿真不仅要存储每一棵树木的信息，而且还要计算树木间相互作用以及所有树木之间的竞争和互利的综合影响，其计算过程复杂，计算量也非常巨大，大规模森林生长仿真的应用和研究受到了极大的制约。

在森林场景的可视化时，目前用来可视化建模的技术主要有细节层次模型（LOD）和基于图像的绘制方法。细节层次技术是基于几何的绘制方法，可以很好地表达树的几何模型结构。基于图像的绘制方法是近年来人们广泛关注的另一种实现高度真实感虚拟场景的实时绘制技术，它的优点是使用纹理代替真实的模型，从而能大规模降低模型的复杂度，但是与基于几何的模型相比，在视觉效果上出现失真。为了进一步加速森林场景可视化，现有的可视化仿真技术还结合可见性裁剪、数据预取等方法来实现数据的动态调度，减少内存占用，提高绘制效率。

发明内容

为了克服已有森林场景生成方法的快速性较差、精确性较差的不足，本发明提供一种快速性良好、精确性强的基于空间相似性的大规模森林场景快速生成方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于空间相似性的大规模森林场景快速生成方法，所述快速生成方法包括以下步骤：

1）大规模森林仿真场景进行初始化参数设置，并根据所设置的初始化参数从外存数据库中获得整个场景可视化数据和森林空间的场景分布信息，所述的初始化参数包括：树木的数量、树木的种类、初始年龄、树的间距、生长年份和环境因子；所述的环境因子包括：阳光、温度、水分和土壤；所述的场景可视化数据包括：地形数据、地形纹理、除树木外的地物数据和天空场景数据；所述的森林空间的场景分布信息包括：树木的位置和初始影响圈大小；

2）对大规模森林场景空间数据进行基于四叉树的分割，将场景划分成大小相等的块，并建立一个内外存调度的块信息索引表，用于记录所有场景块的状态信息；

3）对森林场景的空间相似性进行计算，并用二维数组记录各个分块之间的相似度，若场景块之间相似度达到一定比例，则可以用在内存中的已经计算好的分块代替待计算块；若场景块之间的相似度没有达到一定比例，则对传进来的初始参数和知识进行处理和存储，并将处理后的这些参数用于计算植物的生长模型，得到植物的生长结果；

4）判断场景分块之间的相似度，如果场景分块之间相似度达到一定比例，且其中的一个场景块的生长模型已完成计算，那么可以用已计算场景块的数据代替未计算的场景块，而不需重新计算场景块，从而快速得到植物的生物量；

5）若场景分块之间的相似度没有达到一定比例，则进行场景块的生长模型计算，通过用户传递进来的初始参数数据确定基株，计算得到基株的影响圈范围以及生物量，然后将三维树木模型导入实现森林场景的仿真，将可视化结果呈现给用户。

本发明的技术构思为：现有的方法加速了森林生长模型计算和可视化，但是这些方法没有充分利用在内存中的已经计算好的数据。如果能通过场景之间的相似性，充分利用在内存中已经计算好的数据替代当前需要计算的数据，那么仿真速度将大大提高。森林生长仿真的不同区域的场景可能会有类似的生长环境，场景之间会存在一定的相似性，那么当森林生长仿真精度要求不高时，可以利用这种相似性来加速植物生长模型计算和可视化绘制的过程，且充分利用了在内存中的已经计算好的数据，提高了内存利用率，从而达到森林仿真加速的目的。

本发明的有益效果主要表现在：1、基于空间相似性的大规模森林场景快速生成方法能分别从植物生长密度、地形特征及环境因子等相似度指标进行空间相似性的分析和判断。当两个场景块的空间相似度达到一定值，且其中一块的生长模型已完成计算，那么可以用已计算场景块的数据代替未计算的场景块，而不需重新计算场景块，从而达到森林仿真加速的目的。

2、该方法能根据视点到场景块的距离自动选择不同的相似度阈值，实现自适应的相似度阈值确定，保证场景块替换具有较高的精确性。离视点越近的场景块，它所需要的细节就要越丰富，且真实感要更强，那么能够替换这块分块的其它块必定需要跟这块的相似度比较高；反之离视点越远的块，用户不需要很详细地知道细节，只需要对场景有个稍微逼真的感官效果即可，那么能够替换这块分块的其它分块跟这块分块的相似度可以降低。