光照对数字树木生长影响研究综述.docx

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光照对数字树木生长影响研究综述

光照对数字树木生长影响研究综述

【摘要】光是影响树木生长的重要环境因子。

模拟光对树木生长的影响，可以用于虚拟林业生产及模拟生态环境变化的试验，这对林业和景观的发展研究、对林业、景观和土地等资源的利用和环境建设都有着重要的指导意义。

本文首先介绍了理想环境条件下的主要的数字植物生长模型，并在此基础上，引出了考虑光照影响的植物生长模型。

这些模型根据模拟现象的不同，可分为两类：

第一类模型模拟的是光照对树枝生长方向及树芽存活概率的影响；而第二类是近几年才开展，现在正蓬勃发展的可用于模拟光照对树木光合作用影响的植物生长模型。

本文按时间顺序，分别介绍了两类模型中的突出工作和技术成果，并分析了它们的优缺点，最后对这一研究课题的进一步的发展趋势进行了讨论。

【关键词】树木；生长模型；光照模拟；虚拟林业

Abstract:

Lightisakeyenvironmentalfactortothegrowthoftrees.Theexperimentofsimulationoflighteffectontreegrowthcanbeusedforthepredictionofproductioninvirtualforestryandthatfortheecologicalandenvironmentalchanges,whicharesignificantlyimportantfordirectingtheresearchofdevelopmentofforestandlandscape,theuseofnaturalresource,suchasforest,landscapeandland,andwhichisimportanttoenvironmentalplanningalso.Inthispaper,wefirstintroducemajorplantgrowthmodelsthatdonottakeintoaccountenvironmentinfluence,andthen,weconcentrateonlightinteractingplantgrowthmodels,whichcanbeclassifiedintotwocategories:

onefocusesonsimulatingthelighteffectonbranchingdirectionandthedeathrateofbuds,andtheotheronthesimulationofphotosynthesis.Theexcellentalgorithmsandtechniquesofbothcategoriesareintroducedwithananalysisoftheiradvantagesanddrawbacks.Attheendofthispaper,someconcludingremarksonthisresearchandfutureworkareprovided.

Keywords:

trees;plantgrowthmodel;lightingsimulation;virtualforestry

引言

树木在人类生产生活中扮演着重要的角色，人类通过林业实验研究树木在不同外界环境下的不同生长状况，可以为林业管理提供工具，以提高人工林的产量和质量。

但是野外林业实验往往需要复杂的设备，并需要很长的时间，此外它还不易控制，容易受别的因素的影响。

但如果用计算机来模拟，则可以很好的解决这些问题，并节省很多资源。

因此随着计算机技术的发展，利用计算机模拟环境对树木影响的研究工作也在不断进行。

并且随着人类生态意识和环境保护意识的提高，以及我国林业发展战略向生态建设转变，这一研究方向的重要性还将不断提升，有着巨大的发展前景。

影响树木生长的环境因素很多，包括温度、二氧化碳浓度、水、土壤养分、光照等。

鉴于光对植物生长的重要性、计算机对光传播过程进行模拟所取得的成果以及光照信息实地采集的可行性，目前在计算机科学领域，人们主要研究光照对数字树木生长的影响［11～17,20～22］。

此外，研究较多的还有数字树木的空间竞争［34］。

根据研究所采用的方法，模拟光照对树木生长影响的研究工作可分为两类：

第一类采用的方法主要是把数字植物生长模型和光照计算结合起来［11～17］，用光照计算的结果影响植物生长模型中的参数，从而影响植物的生长；而另一类则是在实地测量数据的基础上采用统计学的方法，最终得到一个光照对树木生长影响的经验模型［20～22］。

其中第一类方法不要求用户掌握林业方面的专业知识，更不需要进行实地林业实验，并且通过合适的光照模型，它可以得到树冠层中较精确的光照分布情况。

但对于这类模型的有效性，目前还缺乏好的检验方法。

并且通常这种模型只能模拟光照对一棵或几棵树木生长的影响。

而第二类方法得到的经验模型反映的是光照对大片树木的生长影响的一个平均，因此这种模型可以用于研究光照对大片的树木，例如森林的影响。

这种方法的优点是可以通过林业试验检验模型的有效性，但它难以模拟单株树木的形态、不易用于观测林业经营试验的效果，同时，这项研究也需要进行大量的实地林业实验，消耗人力物力资源较多。

本文主要介绍第一类方法的发展情况。

包括目前主要的植物生长模型，主要的光照对树木生长影响的模拟技术等。

1数字植物生长模型

到目前，已有较成熟的植物生长模型，并有相应的软件，包括AMAP系列软件，VirtualPlants等。

这些模型各有各的特点和用途，例如Reeves于1983年提出的粒子系统［1］主要可用于生成比较宏观的场景，如森林，草丛等，但不适合表现个体植物的拓扑及形态；而有些模型则强调植物生成的速度，对模型的质量和准确性要求不高［8］。

目前常见的植物生长模型主要有两种：

deReffye等人提出的基于自动机理论和随机过程的植物生长模型AMAP［24,23,2～4,30］以及Lindenmayer和Prusinkiewicz等人提出的基于分形理论语法描述的L系统模型［5～7,14］。

1988年，deReffye提出了基于自动机原理的植物生长模型［24］，该模型认为植物体由一些不同生理年龄的宏状态组成，而宏状态又由一些微状态按照一定的规律组合而成。

如图1所示：

（a），（b）和（c）分别表示三种不同的微状态，（a）重复构建三次，然后（b）构建两次，接着（c）构建一次，即可得到几何和拓扑都更为复杂的宏状态（d）；而宏状态重复三次又可生成一段树轴。

这一思想随后由CIRAD的科学家实现并开发出了相应的软件——AMAP，该模型的不断发展，后来又开发出了AMAPsim［2］和AMAPhydro［3］两套软件。

其中AMAPsim属于结构模型，它依然采用自动机原理，而AMAPhydro则属于结构—功能模型，虽然它只能处理简单的植物。

随着软件的不断升级，现在用户可以利用AMAP生成各种逼真的植物场景，例如森林。

1998年，deReffye等人又提出了GreenLab模型［4］，该模型是在前两个模型的基础上发展起来的，它发扬了它们的优点，并对它们的缺点进行了改进。

GreenLab属于结构—功能模型，主要利用植物生理年龄的概念和双尺度自动机原理，通过模拟植株的生物量生产与基于植株拓扑结构的生物量分配，以及器官生物量积累与器官形态的关系，能够很真实的模拟植物的生长情况。

而子结构算法［30］的应用，使得该模型生成植物的时间大大缩短，克服了AMAPsim和AMAPhydro在运行速度上的缺陷。

L系统［5～7,14］是一种字符重写系统或形式化语言方法，通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象，构造公理与生产式集，生产字符发展序列，以表示植物的拓扑结构。

图3为L系统的一个例子。

图1植物生长建模的自动机原理

生长情况（［13］）

图中左半部分为L系统句式，其中ω表示初始状态，p1,p2和p3则表示了植物的生长规律，它们采用抽象的符号或公式代替复杂的语言进行描述。

句式中的任何符号都有特定的意义，例如A表示一个芽，B表示一个节点，箭头→表示下一步的发展趋势等。

图3中的右半部分即为这些句式的实现结果。

L系统的特点是容易扩展新的功能，且它有自己独立的语言体系，容易编程实现。

利用L系统可以生成很复杂的植物场景，如图4所示的森林。

但L系统缺乏真实植物数据为基础，所以利用这种模型生成的树可能与真实情况相差很多。

L系统的这一缺陷限制了它的应用。

而模拟光照对植物生长的影响要求结果的真实性和准确性，所以大部分的这类模型采用的是deReffye的植物生长模型，而不是L系统。

虽然植物生长模型的发展较快，但目前有关植物生长模拟的工作主要还集中在理想环境条件下或人为输入环境参数情况下的植物生长建模及可视化，极少数模型考虑了环境影响。

鉴于光对植物生长的重要性，这类模型引入的环境因素通常为光照。

2光照对数字树木生长影响的模拟方法

虚拟植物中运用到的光照计算可分为两类：

一类是为了绘制，注重视觉效果，考虑的是如何增加渲染的真实感，例如对叶子半透明效果的处理［9,10］；另一类是为了计算植物中对光照敏感的器官上面的光照量和光照方向，以模拟植物的生长情况［11～17］本文介绍的是第二类。

20世纪60年代末，植物生长模型开始发展，到80年代人们开始模拟光照对植物生长的影响，并且随着时间的推移，这两种模型都在不断完善。

由于树的几何结构太复杂，所以最初人们主要研究的是光照对简单的植物，例如西红柿［25,26］生长的影响，也有人研究光照对爬行植物［27］的影响。

现在这部分工作还在继续，并且已有比较成熟的模型，可以直接用于指导农作物的生长［18］。

随着植物生长模型，光照模型，以及计算机硬件的发展，到90年代，人们开始研究光照对树木的影响，主要是光照对树枝的生长方向，以及对树芽的存活概率的影响［11～15］。

近年来，人们又展开了光照对树木光合作用影响方面的研究［16,17］，但主要工作依旧集中在模拟光照对树枝生长方向的影响上。

在模拟光照对树生长的影响时，人们用到的植物生长模型主要是deReffye等人提出的基于自动机理论的AMAP系列软件［24,2,3］以及Lindenmayer和Prusinkiewicz等人提出的L系统［5］。

以下从模拟光照对树枝生长方向及树芽存活概率的影响的模型和模拟光照对树木光合作用影响的模型两个方面进行介绍。

模拟光照对树枝生长方向及树芽存活概率的影响的模型早期的简单模型

早在1989年，Greene就开始模拟植物的趋光现象［27］，但他的研究对象是爬行植物。

他采用龟壳模型来模拟天光，并利用3DDA算法计算光照。

当要确定一颗新芽周围的光照情况时，只需以该芽为中心，向代表光源的龟壳模型发出若干射线，其中一部分射线也许会被其他的物体，如树枝，树叶，建筑物等挡住，而其余的射线则可到达光源，这两类射线数目的比例即可用来表示该芽的光照状态，进一步通过低通滤波器可得到最强光照方向，即为该芽的最佳生长方向。

Greene的光照计算的方法后来被Takenaka引进，以模拟树的向阳生长［31］。

但Greene的光照算法过于粗略，为此，Kanamaru等人提出了相对精确的算法［49］。

他们采用半球模型模拟天光，并认为球表面任何一处的关照量都是一样的，等于一个常量。

与Greene不同的是，他们以待研究的树芽为投影中心点，把整棵树的叶族向半球投影，这样半球表面被投影面覆盖的程度即可用于表示待研究芽的受光情况，而待研究芽的最佳生长方向则为所有未被遮挡的射线的矢量之和。

此外他们还设置了一个阈值，当一颗树芽上的光照量小于阈值时，它将停止发展并标定为死亡。

Chiba等人1994年对这一算法进行了推广，同时改进了系统中的植物生长模型［11］。

1996年，Chiba等人又采用同样的系统，研究树叶的趋光性［12］。

但这种算法确定的最佳生长方向往往是错误的。

如图6所示，树的正上方有一个不透明的挡板，V1和V2为两个未被遮挡的射线所对应的矢量，很明显它们的和V并不代表光照最强方向，也就是最佳生长方向。

为克服这一缺点，Benes提出了新的算法［13］，他采用Z缓冲器采样技术，并改进了最佳生长方向的确定方法。

其采样方向和以往的算法相反，采用从光源到物体的方向。

该算法的优点是采样次数和场景中的物体数目无关。

图7是同一棵树在均匀光源和方向性光源下，采用Benes算法进行生长模拟的结果图。

　开放式L系统

随着时间的发展，L系统也在不断地完善。

1996年RadomirMêch等人提出了开放式L系统［14］，这在实现环境—植物交互方面有很重大的意义。

该模型是在环境敏感L系统［6］的基础上建立起来的。

环境敏感L系统在传统L系统的基础上引入了查询模块（querymodules）？

X（x,y,z），使得L系统不再是一个封闭的系统。

但这种模型强调的是环境对植物的影响，而环境始终保持不变，所以环境敏感L系统主要在植物的修剪和碰撞检测上比较有效。

开放式L系统很好的解决了环境敏感L系统的这一问题。

它属于环境—植物交互的理论模型，即环境能影响植物，同时植物也能对环境产生影响。

这种模型由植物生长模型和环境模型组成，这两个模型是相互协作的两个处理器，它们之间通过信息流进行信息交换，并形成反馈回路：

植物生长模型能够接收环境模型的信息，并对信息进行处理，然后做出相应的反应，该反应作为植物生长模型发出的信息，又被环境模型接收，环境模型接收后同样对信息进行处理，然后也做出相应的反应，这一反应又将作为环境模型发出的信息去影响植物生长模型，如此循环，环境和植物就能相互影响。

虽然在此之前，人们在模拟光照对树的影响时，建立的模型通常也由植物生长模型和光照模型组成，但从没有这样系统的介绍，更没有关于用户界面的描述。

然而在文章中RadomirMêch等人并没提到具体的算法，仅提供了一个建模的理论框架。

但这个框架提出来后，几乎所有的模拟光照对树木生长影响的模型都采用这一建模思想，虽然不一定采用L系统作为植物生长模型。

William等人提出的模型［15］是开放式L系统的一个具体应用，该模型由虚拟光子光照模型和L系统两部分组成。

其中虚拟光子光照模型是一种简单粗略的光照计算模型，它假设光源向场景中发射一定数量的光子，而这些光子都有各自的能量和方向，当光子碰到物体时，它会依照反射定理改变方向和能量，然后继续去碰撞别的物体。

这样可以得到每段树枝节间的入射光子的矢量信息。

此外模型还假设每个树芽的几个可能生长方向是已知的。

因此对于一个芽的每一个可能生长方向，可求出这个方向与相应入射矢量的内积和。

比较所有可能生长方向的内积和的大小，值最大的那个方向即为该芽的最佳生长方向。

图9为该模型的一个模拟结果图，表现出了树木的向阳生长。

但由于该模型采用的光照计算方法过于简单粗略，因此它只能用于定性分析。

并且这种模型需要预先知道每个芽的可能的生长方向才能使用，而这条件在现实应用中往往是无法满足的。

除此之外，该模型中使用到的树只有树干和树枝，没有考虑叶子，而树叶的有无对于光子的运动影响很大。

　模拟光照对树木光合作用的影响

光照对植物生长的影响有很多方面，其中最大的一个方面是对光合作用的影响。

但很多模型考虑的是光照对树枝生长方向以及树芽存活概率的影响，很少有模型把光照和植物的光合作用结合起来。

这主要有两个方面的原因：

（1）树木几何结构的复杂性，使得一般的光照模型无法胜任，并且要考虑植物的光合作用，光照计算的精度要求很高；

（2）植物生长模型本身不够成熟。

在deReffye等人的结构—功能模型提出来之前，植物学家们建立的植物生长模型通常为功能模型。

他们注重的是植物的生理行为，如光合作用，植物生物量的产生和分配的问题，但不重视树木几何方面的信息。

而且这些模型运用到很多专业知识，一般的用户无法使用。

而计算机图形学家，数学家等建立的植物生长模型多为图8开放式L系统和光照竞争模拟

　　结构模型，注重的是树木的形态，拓扑结构的信息，而简化植物生理方面的信息。

这类模型不需要专门的植物学知识，容易使用和推广。

结构模型一般只考虑树芽的一些功能，例如分枝，而植物的其他器官并没有起到真正的作用，也不考虑生物量的产生，分配，以及与植物生长速度的关系。

实际上，这种模型只是模拟了植物在生长过程中的形态结构的变化规律，利用这种模型模拟光照的影响，准确来说，只是根据光照对植物的拓扑几何信息进行调整。

这样的模型对于模拟光照对树枝生长方向以及树芽的存活概率的影响是可行的，所以这些年来，模拟光照对树木影响的工作主要都集中在这一块。

而要研究光照对植物光合作用的影响，就必须同时注重植物的几何和生理方面的信息。

因为要进行光照计算，需要树木的几何信息，而一旦求出了叶片上的光照量，如何用这个光照量去影响树木的生长，就必须用到树木生理方面的知识，例如生物量的产生和分配。

但直到近几年，植物生长模型才发展到相应的高度，结构和功能得到统一，出现了AMAPhydro。

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