[发明专利]多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法

摘要

本发明涉及一种多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法，包括以下步骤：建立虚拟植物模型并创建高逼真度及复杂度的虚拟植物场景；采用相关天文参数法或实地测量法收集植被冠顶光合有效辐射强度值；采用启数据结构方法依次构建虚拟植被场景单株树木几何模型、场景及地形三个层级数据结构；创建太阳直射和天空散射PAR光线矢量平面，分别采用蒙特卡洛光线跟踪算法和龟壳算法依次跟踪光线平面上各光线矢量，并对场景、单树、及地形三级数据结构分别进行遍历，判断光线与三角面片是否相交，统计各三角面片天空可见率，计算各三角面片太阳直射PAR和天空散射PAR，得到虚拟植物冠层PAR三维空间分布模拟结果。

主权项

1.一种多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法，其特征在于，按照如下步骤实现：步骤S1：获取典型单株植物结构特征参数和样地调查数据库，采用虚拟单株植物建模软件建立高逼真度、自然生长的单株植物精细三维模型；获取目标区域DEM、TIN及地形数据，并基于植被场景构建软件建立虚拟植被场景；步骤S2：根据样地地理位置和气候条件，采用天文参数计算算法，计算得出不同时刻的冠顶辐射强度，或采用测量仪器实地、实时收集植被冠顶光合有效辐射强度值；步骤S3：对所述虚拟植被场景中除针叶簇单元之外的其它场景要素三角面片化或结构化，采用数据结构分别针对单株树木的几何模型、场景及地形中所包含的三角面片及针叶簇单元构建三级数据结构；步骤S4：创建太阳直射光线矢量平面，采用光线跟踪算法依次跟踪所述太阳直射光线矢量平面上各光线矢量，并对单株树木的几何模型、场景及地形对应的三级数据结构分别进行遍历；当光线与三角面片有交时，将吸收的太阳直射PAR赋予相交的三角面片，采用蒙特卡洛算法分别模拟太阳直射PAR及天空散射PAR与三角面片反射、透射及吸收的全过程，且均基于单株树木的几何模型、场景及地形三级数据结构分别遍历以判断反射、透射光线是否与三角面片相交；步骤S5：确定天穹剖分分辨率，采用龟壳算法依次对场景内各三角面片循环，分别在各三角面片所在水平面单位半球形成光线矢量集合，依次循环光线集合每条光线，并对单株树木的几何模型、场景及地形三级数据结构进行遍历，标记与面片有交的光线，统计各三角面片天空可见率，结合冠顶天空散射PAR和三角面片天空可见率计算各三角面片天空散射PAR；步骤S6：场景内各三角面片太阳直射PAR和天空散射PAR总和即为该三角面片光合有效辐射总值；在所述步骤S4中，采用光线跟踪算法模拟虚拟植物冠层太阳直射PAR包括如下步骤：步骤S421：依次循环太阳直射光线矢量平面上各光线矢量，将各光线矢量逐一投射至虚拟植物场景，当各光线矢量均已投影跟踪结束时，虚拟植物冠层太阳直射PAR模拟结束；步骤S422：采用光线矢量平面上各光线矢量依次分别对场景、单株树木几何模型及地形三级场景数据结构及针叶簇数据结构进行遍历，判断光线与场景级数据结构内部节点最小轴对齐包围盒是否相交；若不相交，则判断光线与地形级数据结构是否相交，若不相交则结束此条光线矢量跟踪，并返回步骤421，若相交，则求解交点，采用蒙特卡洛算法模拟太阳直射PAR与相交的三角面片反射、透射及吸收的全过程；当光线矢量与场景级数据结构内部节点相交时，确定相交的内部节点；步骤S423：开始对相交的内部节点数据结构遍历，判断光线与内部节点数据结构内单树几何模型是否相交，若不相交，则判断光线与地形级数据结构内部节点是否相交，若不相交，则结束此条光线矢量跟踪，返回步骤421，若相交，则求解交点，采用蒙特卡洛算法模拟太阳直射PAR与相交的三角面片反射、透射及吸收的全过程；步骤S424：当光线与内部节点内单株树木的几何模型三角面片及针叶簇数据结构相交时，确定相交的单株树木的几何模型，并对该单株树木的几何模型数据结构遍历，判断光线与单株树木的几何模型中三角面片或针叶簇单元是否相交，获取首次相交的三角面片或针叶簇；步骤S425：采用蒙特卡洛算法模拟太阳直射PAR与相交的三角面片反射、透射及吸收的全过程；确定蒙特卡洛采样频率参数，采用随机函数确定太阳直射PAR与相交的三角面片交互时的光线传播类型，包括：反射、透射或吸收，并将该太阳直射PAR能量赋予相交的三角面片或采用随机采样法确定光线下一步传播方向，同时计算其传播能量；根据光线传播方向及相交的三角面片建立光线传播方程，依次判断光线与场景及单树两级数据结构内部节点是否相交，若不相交，则返回步骤S421继续循环，直至循环次数达到设定的采用频率参数阈值；若相交，则进一步确定其相交的三角面片，并根据冠层要素吸收率函数计算冠层要素PAR吸收量，当光线能量小于设定的阈值，或者光线与冠层要素交互的次数大于设定的阈值时，则返回步骤S421继续循环，直至循环次数达到设定的采用频率参数阈值；步骤S426：返回步骤S421直至每条光线矢量均已跟踪，若存在首次相交的三角面片或针叶簇，则返回步骤S422继续循环。