超级地幔树对全球构造的控制作用

全球横波低速异常体成像发现:Jason超级地幔柱与Tuzo超级地幔柱彷佛植根于地球外核顶部、生长在核幔边界(core-mantle boundary,CMB)上的两株榕树,我们将其命名为超级地幔树(super mantle tree),以突出Jason超级地幔柱与Tuzo超级地幔柱连接地核与地壳的纽带特征,强调它们在地球演化过程中对全球构造的作用。地幔柱仅是超级地幔树的局部分支。我们定义超级地幔树为4层结构:(1)植根于地球外核顶部;(2)1600~2890 km为“树干”;(3)110~1600 km为“树冠”;(4)110 km以上为“树枝”。“树枝”平面分布形态与全球板块轮廓大致相似,意味着板块构造可能起始于地球110 km处。推测地球深度1550~1600 km之间可能存在一个地球化学过渡层;Jason超级地幔树与Tuzo超级地幔树之间可能存在地球化学分隔面(简称地幔分隔面),地幔分隔面将地球划分为太平洋半球与大西洋半球;它的地面投影北端大致指向地磁北极,南端基本指向地磁南极。外核顶部脉动作用可能是地幔运动的动因,地核运动控制地幔运动。Tuzo超级地幔树逆时针旋转控制大西洋半球旋转形态,Tuzo超级地幔树的“细树干”伸向南大西洋,Tuzo超级地幔树“粗树干”伸向北大西洋,使得中大西洋脊减薄。Jason超级地幔树顺时针旋转控制太平洋半球旋转形态以及环太平洋地区地貌构造形态。青藏高原及邻区地质地球物理三维构造模型说明:向北运动的Tuzo超级地幔树“树枝”与向西运动的Jason超级地幔树“树枝”共同作用,形成青藏高原东构造结。

基于计算机模拟模型的林木冠层太阳短波辐射定量分析方法

【目的】定量模拟和刻画林木冠层太阳短波辐射的分布和截获情况,于时空变换下反演太阳短波辐射在不同林木冠层内的辐射通量变化,为林木培育经营和提质增效提供理论依据。【方法】首先,以公共数据集和真实扫描的校园内林木激光点云数据为例,结合设计的机器视觉算法,对林木激光点云进行枝叶分离和单叶分割,并用合适大小的椭圆形和圆柱体几何单元分别拟合每片叶片和骨架,开展林木真实模型重建;其次,运用计算机图形学方法,结合研究地点的经纬度和时刻,模拟太阳入射光线,并引入物理学的双向反射和透射分布函数及蒙特卡洛光线追踪算法,开展反射和透射光线与冠层内叶片的碰撞模拟;最后,根据仪器测量得到的不同树种叶片平均粗糙度和折射率,结合光线追踪算法,实现林木冠层内短波辐射分布计算和木林冠层光截获效率评估。【结果】利用本研究方法计算时空变换下不同树种(芒果、橡胶、紫薇、樱花)4株树冠及一片香樟树林的直射、反射和透射太阳辐射通量,其中直射辐射通量占比约86%、反射辐射通量占比约5%、透射辐射通量占比约9%。叶面积指数高的树冠会拦截更多直射和透射光线;在太阳高度角较小时刻(上午或下午),斜射的太阳光线反射后易与树冠中其他叶片发生二次求交,产生较多反射辐射通量。同时,由于林木的趋光性,中午树冠光线拦截率高于上午和下午10%左右。比对采用本研究方法计算的树冠辐射通量拦截比值和样地手持光电仪器实测结果,绝对误差小于6%。【结论】在测绘科学、计算机图形学及林学多学科视角融合下,本研究基于激光点云重建树木真实表观形态结构,并将蒙特卡洛光线追踪算法与物理学的双向反射和透射分布函数相融合,真实模拟光线在树冠中的传播过程,可准确获取林木冠层内太阳短波辐射分布与树冠辐射通量拦截值,对研究时空变换下林木太阳辐射吸收、光强与树冠形态结构的耦合关联及不同表型参数的林冠辐射传输模型均有重要启示意义。

树木生长中树枝形态的3D建模

3D造型的基本目标就是在可接受的算法复杂性下,生成真实感可以与实物媲美的虚拟物体。静态的树的3D造型方法通常利用树的分形特征和随机性。我们运用动态的基于生长的树的造型方法。树形态的形成受内在基因和外在环境因素影响,因此可以通过控制树的生长过程实现其造型。在系统中引入了力的概念,用来控制树的生长。有两种类型的力,称为内力和外力,分别模拟树自身的生命力和外界的环境因素。结合分形机制,该系统可以模拟各种常规状态的树。该动态系统的突出特点是可以方便地控制最终造型,通过调整力参数,可以获得最终造型的连续变化和形态控制。

基于NeRF的树木数字化重建

我国有数量巨大的古树和城市大树,如何合理构建树木数字化模型,是评估树木抗风能力和安全性的重要前提。鉴于风向的多变性,需要基于该模型能够从任意角度获得树木树冠的各项数据。由于激光雷达价格高昂、专业性强,不便于大规模推广,采用便宜、简便的手机拍摄树木图像。鉴于传统的图像三维重建技术不适合树木这样结构复杂、高反射率、多孔的物体,采用NeRF(神经辐射场)技术,利用体素进行模型体渲染,对树木进行三维数字化重建,为从任意角度获得树木图像和树冠参数打下基础。同时,采用NeRF的instant-ngp加速算法,分析研究了背景、光照条件、图像数量等因素对建模质量的影响。研究结果表明,基于NeRF的树木数字化重建方法能有效避免传统三维重建的空洞、变形等问题,是一种可行的树木三维数字化模型构建方法。

林分3D可视化经营技术研究——以黄丰桥国有林场为例

为了解决以往二维森林资源信息系统对于现实世界表达的逼真程度低的问题,为用户提供视觉上更真实的感受,让决策者对森林资源信息有更为直观、生动的了解与认识,从而提高森林场景的交互性与实时性,研究开发了可独立运行的林分3D可视化经营系统。研究结果表明,利用可视化编程工具模拟虚拟森林环境的林分经营方法,操作简单,可用性强;,设计的面向森林经营管理的国有林场林分3D可视化系统,可实现森林的漫游,二维数据的查询、统计、造林模拟和森林经营模拟等功能。

基于Unity 3D的舰船装备虚拟维修训练系统

针对当前舰船装备维修培训存在的条件限制和训练效率低、周期长等问题,设计基于Unity 3D的舰船装备虚拟维修训练系统,并对关键技术进行研究。通过3DSMAX实现装备模型、训练场景和维修资源等3维模型的构建,基于组件化建模、实例复用等对模型数据库进行优化;开展逻辑仿真分析与设计,提出装备操作逻辑仿真方法;通过故障树工具,对故障现象、故障源以及彼此之间的相互关系建立相关描述模型。运行实践的结果表明:该系统具备良好的操作便利性和拓展移植性,可提升受训者的训练质效,为后续开展类似系统开发提供有益借鉴。

改进CGA在3D动漫造型设计中的应用

为自动生成新颖多样的3D动漫造型,提出一种改进的元胞遗传算法(CGA)。使用ACIS规则表达式对已有的3D动漫造型在3个方向上实施非均匀缩放变形,采用树结构编码生成长度和内容变化较大的规则表达式,通过人机交互的方式,利用专家知识确定个体适应度值。基于3D动漫造型创新系统ECTDS的实验结果表明,该算法可以生成一系列生动的创新造型。

复杂造型产品3D打印工艺中的支撑优化设计

光固化成型工艺是3D打印技术中的一种主流工艺,其中产品的支撑结构设计至关重要。3D打印软件Magics、Meshmixer为光固化成型工艺提供了片式、树状等支撑结构。通过复杂造型产品的光固化3D打印成型的支撑结构设计实践,结合实际3D打印样件案例比较片式、树状支撑的技术特点,提出复杂造型产品3D打印工艺中的支撑选择原则。

基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究

使用无人机和智能手机分别从空中和地面拍摄的样地林分影像构建三维点云模型,并从三维点云模型中获取样地内单木树高和胸径参数。本研究以池杉人工林为研究对象,利用PhotoScan Agisoft软件对无人机倾斜摄影和智能手机近景摄影的样地影像进行三维重建,通过对齐照片、控制点刺点、对齐优化、建立密集点云等步骤,构建出与样地实景相符的三维点云模型;通过LiDAR 360软件从样地三维点云模型中获取单木的树高和胸径参数,将其与实地测量获取的单木树高和胸径参数进行对比分析。利用无人机和智能手机影像构建的三维模型可以满足《数字航空摄影测量测图规范》的精度要求。通过实测数据和点云数据获取的树高和胸径的平均差值分别为-0.9 m和-0.8 cm,平均相对误差分别为5.4%和7.1%。以实测数据作为自变量x,以点云数据作为因变量y,树高和胸径回归模型的R2分别为0.809 5和0.918 4。将倾斜摄影和近景摄影的点云模型统一在同一空间参考基准下可构建出与样地实景相匹配的三维点云模型,从样地三维点云模型中获取的单木树高和胸径与实地测量结果具有较好的线性相关性,本研究所使用的方法可以代替传统林业调查手段应用于人工林。

绿美广东生态建设示范区数字孪生应用研究

为建设“绿美广东生态建设数字孪生示范区”,通过点云生成树木三维建模技术,对示范内的核心区位树木进行1∶1仿真。以倾斜摄影获取的高分辨率立体影像数据为底,结合三维树木、建筑和地形等模型构建高精度与标准地理位置的3D森林场景;接入4个智能综合监测点的物联网数据,并在虚拟3D森林场景里表达出来,实现虚拟3D森林场景与现实森林场景的深度融合;结合林木生长模型,模拟出森林的未来状态,构建集数据采集、模型建立、仿真分析和未来预测于一体的沉浸交互式数字孪生系统。通过研究,形成了一整套比较成熟的技术体系,可为建设广东省数字孪生林业一张图提供技术示范和解决方案。

空天三维仿真中空间目标实时渲染算法

近年来,随着载人航天研究的进一步加深,空天任务的复杂性和可靠性要求也日益提高。对海量目标的位置实时解算和场景渲染是空间目标实时渲染的重难点。利用层次细节模型(LOD)在动态渲染中的优势,本文提出一种海量的空间目标实时渲染方法,该算法侧重于把传统的批LOD模型优化成基于R树的LOD模型。在构建基于R树的LOD模型时,会出现索引空间重叠、查询效率低、LOD模型纹理突变等问题。因此,提出基于节点的深度调整策略消除索引空间重叠,采用快速剪枝算法提高查询效率,使用基于Shader的Alpha测试技术实现LOD模型平滑过渡,通过上述3种优化算法的协同处理,优化后的LOD模型在场景渲染时间、空间占有率、帧率等均有所改善。

实景树木参数化建模方法研究

受限于航空倾斜摄影图像的拍摄角度,三维重建场景中的树木模型存在大量失真、变形和空洞。而更为精细的树木建模方法,如基于近景图像、激光点云的树木建模方法效率低且成本较高。因此,提出一种具有真实感的实景树木参数化建模方法,对真实场景中的航空倾斜摄影图像和树木三维点云进行特征提取,归纳各类树木的几何外形、拓扑结构和纹理材质,设计一套适用于各类树木的生长规则,最终实现实景树木多细节层次建模。实验结果表明,该方法能够保证模型整体的完整性和细节的真实性,同时满足场景渲染要求,为三维场景重建、数字林业和智慧城市等应用提供有效的技术支撑。

广东省林草湿虚拟仿真与三维可视化的技术实现

广东省林草湿虚拟仿真与三维可视化系统的建设形成了高效的大数据处理、高性能的图形渲染能力和完备的3D立体显示环境,在此基础上构建了广东省三维树种库,将全省林地以小班为单位实现森林资源“立起来”管理,实现了树种、郁闭度、胸径、树高等展示特征与实地调查结果的动态一致,为沉浸式全景体验森林现场,林草湿三维精细化管理提供技术支撑和解决方案。

树的建模技术研究综述与展望

树的建模技术是计算机图形学近年来研究的热点问题之一。侧重从计算机图形学的研究角度,对树的建模技术分别从基于规则的树建模技术、基于草图的树建模技术、基于图像的树建模技术3个方面进行了总结和综述,介绍了近年来提出的典型的树建模方法及最新研究进展,对其中涉及的关键技术进行了总结分析,给出了这些技术的基本思想、局限性和使用范围,并加以分析比较,最后对树的建模技术的未来研究方向给出展望。

基于GIS的树木三维模型研究

树木三维建模是构建虚拟森林景观的主要环节,也是三维林业地理信息系统的基础。目前,面向GIS的树木建模主要采用贴图法等静态的建模方法,无法表现树木的动态特性。为了形象表达三维场景树木变化的动态,运用3ds max软件,结合ArcGIS的二次开发功能建立了不同状态的树木模型,并在此基础上动态改变不同的树木模型的大小,以达到树木动态生长的形象变化。本系统运行顺畅,动态变化形象,且可以满足不同用户的需求。

基于机载LiDAR数据的三维树木建模方法

提出一种基于机载激光雷达系统LiDAR数据树木可视化建模的方法。利用机载LiDAR数据的特点,结合L-系统分形的思想,对传统的L-系统方法进行随机化、参数化的扩展和改进,由此对数据进行建模。针对LiDAR数据分布空间由内到外的层次特点,采取分步的建模策略,在外层建立从LiDAR数据中提取L-系统参数的方法。实验结果表明,该方法具有较好的建模效果,适用于三维数字城市、虚拟现实以及林业领域。

基于分形的三维树木形态模型

树木三维模型在农林业和娱乐、教育、商业等非农林业领域有着广泛的应用,但现有树木建模方法缺乏通用性:针对不同的对象需要建立不同的模型。运用递归调用分形自相似结构的方法构造了树木的三维模型。通过使用分枝结构随机抖动与双缓冲技术,兼顾了模型真实感与实现速度的问题。结果表明,该方法具有良好的通用性,简洁高效,能生成逼真的树木图形。

点云数据三维树木模型建立及三维绿量的估算

利用三维激光扫描仪所采集的点云数据模拟三维树木模型及利用模型进行三维绿量的估算。探讨了如何采集点云数据以及模型在三维绿量估算中的应用,主要包括点云数据的去噪处理、点云数据的匹配、树木三维模型的建立。结果表明,利用该方法建立树木的三维模型及进行三维绿量的估算取得了较理想的结果,能够满足三维绿量的计算精度。

基于局部视图的三维树木模型递进检索方法

针对现有的三维模型检索方法对树木模型存在着准确性低、语义不相符、检索速度慢的问题,为了提高三维树木模型的检索效率和准确性,提出一种基于局部视图的三维树木模型递进检索方法.该方法采用多层次的局部视图对树木模型进行组合描述,通过简洁高效的形式突出了树木对象的树冠轮廓、枝干骨架等关键特征;然后结合视图信息对应的树木语义实现了视图特征的提取转换,强化了描述特征对树木模型的区分性;最后采用层次递进的方式组织视图特征实现了由粗略到精细的多阶段检索过程,并进一步采用动态索引机制以提升模型的检索效率.分别在通用模型与树木模型集合中进行了检索实验的结果表明,该方法能够明显地提升树木类模型的检索准确性,有助于三维树木模型的快速检索和复用.

基于交互变形的树木三维建模研究

通过对树枝的交互变形处理 ,提供了一种能美化树木形状的三维建模方法 .该方法由三部分组成 :基于交互变形的树木三维表示模型、树枝的交互选择机制及对所选择树枝的变形处理 .树枝变形分基本变形和综合变形两种 ,基本变形提供对树枝增删、伸缩、弯曲、旋转等简单变形操作 ;综合变形以基本变形为基础、以美学理论为准则对树木形状进行整体的美学控制 .文中提供的方法既可与现有树木生长建模方法结合使用 ,也可独立运用 ,以达到对树木形状的建模和美化处理 .