植物冠层光辐射分布的快速深度缓存算法
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第３ ６卷 第 １ 期 ５
Ｖ１ ６ ｏ． ３
Ｎｏ１ ．５
计
算
机
工
程
２１ ０ ０年 ８月
Ａｕｇｕ ｔ ０１ ｓ ２ ０
Ｃｏ ｐ ｅ ｍ ｕｔ ｒＥｎｇ ｎｅ ｒ ｎ ｉ ｅ ｉｇ
・ 开发研究与设计技术 ・
文 编 ： ｏ －４ （ １ １ ８ ＿ 文 标 码 Ａ 章 号 １ ． ２ ２ ０５ ２ ＿ ３ ０ ３ ８ ０ ）— ８ ｏ 献 识 ：
Biblioteka Baidu
面和确定光照分布密度等方法，设计一套快速计算植物冠层光分布的模拟系统。应用该系统模拟水稻孕穗期冠层 内的光分布情 况，结果表 明，该方法在保持原有算法精 度的同时，能缩短计算时间。
关健词 ：植物冠层 ；辐射 ；空问分布 ； 模型 ；深度缓存
Ｆａ ｔ ｂ ｆｅ ｇ ｒｔ ｍ ｆ ｏ ａ ｄ ａ ｉ ｎ Ｄｉｔ ｉ ｕ ｉ ｎ ｓ Ｚ・ ｕ ｆ ｒＡｌ ｏ ｉ ｈ ０ ｌ ｒＲａ ｉ ｔｏ ｓ ｒｂ ｔｏ Ｓ
［ ｙｗ ｒｓ ｌ ｔ ａ ｏｙ ｒｄａｉｎ ｓａｅ ｉｒ ｕｉｎ ｍｏ ｅ； —ｕｆｒ Ｋｅ ｏ ｄ Ｉｐａ ｎｐ ；ａ ｉ ｏ ：ｐｃ ｓ ｉ ｔ ： ｄ ｌＺ ｂ ｆ ｎｃ ｔ ｄ ｔｂ ｏ ｅ
１ 概 述
太 阳光 辐 射 在 植 物冠 层 中 的分 布 特 性 影 响着 植 物 的生 理
ｍｏ ｅｉｇｔｅｄｓ ｂ ｔ ｎｏ ｄａｉｎｉ ｃｎ ｐ ，ｈｓｐｐ ｒ ｉ ｏｉ ｒｖ ｉ ｍｏ ｅ ｂ ｈｎ ｉｇｔｅｐｏｅｔ ｎｐａｅａ ｄｍａｉｇｃｒ ｉ ｏ ｅ ｄ ｌ ｉｒ ｕｉ ｆ ａｉｔ ａｏ ｙ ｔｉ ａｅ ｍｓ ｎ ｈ ｔ ｉ ｏ ｒ ｏ ｎ ａ ｔ ｍｐｏ ｅｔ ｓ ｄｌ ｙｃ ａｇｎ ｒｊｃｉ ｌ ｎ ｋｎ ｅ ａｎ ｆｈ ｈ ｈ ｏ ｎ ｔ ｔ
设 实测 区域 周 围存 在 着 与 实测 区域 冠 层 结 构 完全 相 同 的植 物 冠层 ，即图中的虚线区域，称其为复制域Ｉ。为了方便投影 ， ５ ｛
形态 、生长过程 ，模 拟冠层 中的光分布是研究植物 生长发育 的重 要内容 。随着计算机技术 的成熟和发展 ，图形学算法 Ｊ 和虚拟现实技术被广泛应 用，冠层 内光分布计算方法也变得 多样化 。 常见 的有辐射度方法 ｌ 、光线跟踪 方法 、深度缓存 Ｊ 投影算法等＿。 对于 前 ２种 方法 ， ４ 相 Ｊ 深度 缓存投影方法 的特 点是忽 略光 的反射 、投射作 用 ，只考虑光 的直射 。由于 光 合有效辐射主 要表现在直射 部分 ， 而且集 中于 可见光波段 ， 所以该方 法对光合 有效辐射分 布模拟 有着很 高的精度 ，同 时原理 简单 ，便于 计算机 实现 。但 由于 处理 数据量 巨大 ， 致使计算耗 时较长 。 本文介绍了一 种用于计算植物冠层光分 布的快速深度缓存排序方法。它在保留原有精度 的条件下进
中 分 号 Ｔ３ ． 图 类 ： Ｐ９９ １
植 物 冠层 光辐射 分布 的快 速 深 度 缓存 算 法
肖 强，劳彩莲 ，王春霞
（ 中国农业 大学信息与 电气工程 学院，北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘
要：针对植物冠层 内光分布计算过程 中存在的计算复杂 度大、耗时长等问题 ，提出一种快速深度缓 存算法 。采用动态选取光照投影平
ｄ ｎ ｉ ｆ ｓ ｌｒ ｒ ｄ ａ ｉ ｎ ｔｕ ｅ ｏ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ａ ｖ ｎ ｅ ｔ ｄ ｌｔ ｅ ａ ｂ ｏ ｔ ｇ ａ ｄ ｉｅ ｔ ｖ ｌ ａ ｅ ｔ ｅ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ａ ｄ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｅ ｓｔ ｏ ｏ ａ ａ ｉｔｏ ．Ｉ ｓ ｓ ａ ｓ ｆｗａ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｄ ａ ｃ ｏ ｍｏ ｅ ｈ ｏ ｔｓａ ｅ ｐ ｄ ｙ ｒｃ ｏ ｅ ａ ｕ ｔ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｙ ｎ ， ｎ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ｄｖ ｎ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｒ ｖ ｄ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｎ ｅ ｕ ｅｔ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｔ ． ｈ ｔ ｅａ ａ ｃ ｄ ｌ ｎｐｏ ｉｅｔ ｃ ｕ ａ ｙａ ｄｒｄ ｃ ｏ ｔ ｃ ｈ ｈ ｌｘｉ ｙ
步 的降 低 时 间 复 杂 度 ，提 高 算 法 的实 用性 。
（） １光照平面的建立 ：在冠层正上方建立固定尺寸 的光照
平面 ，认为入射到冠层内的光线全部来 自光照平面，根据入 射 光线 将 光照 平 面 进 行 二 维 网格 化 ，认 为 每 一 个小 网格 上 有
一
该 方法还利用实测的冠层植株三维空间坐标对 叶片表面进行 划分 ，将其分割成很小的空问三角形面元 ，接下来逆向考 虑
太 阳 光线 射 入 冠 层 内 与小 面 元 的 相 交 的过 程 来 进 行投 影 。
太 阳光线
复制域
十壤
图 １ 植物冠层 的 视示意 图
具体投影过程如下：
ｉ ａ ｎｏ ｎ Ｐｌ ｎｔＣａ ｐｙ
一 一
ＸＩ ＡＯ ａ ｇ ＬＡＯ ｉ ｉｎ ＷＡＮＧ ｕ －ｉ Ｑｉｎ ， Ｃａ －ａ ， ｌ Ｃｈ ｎ ｘａ
（ ｌ ｇ ｆｎｏｍａ ｏ ｎ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ｉａＡ ｒ ｕｔｒｌ ｉｅｓｔ， ｅ ｉｇ１ｏ ８ ） Ｃｏｌ ｅｏ ｆｒ ｔ ｎ ｄＥｅ ｒ ａＥ ｇｎ ｅｉ ， ｈｎ ｇｉ ｌ ａ ｖｒｉ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｅ Ｉ ｉ ａ ｃｉ ｎ ｃ ｕ Ｕｎ ｙ ｊ ［ ｓｒ ｃ］ ｈ ｉｔｂ ｔ ｎｏ ｌ ｄａｉｎｉ ａ ｏｔｎ ｆｃｏ ｅｇｏｔ ｆ ｌｎ．ｎｏｄ ｒｏｒｄ ｃ ｅ ｏ ｌｘｔ ａｄｔ —ｏ ｓｍｉｇｉ Ａｂ ｔａｔ Ｔ ｅ ｓ ｕｉ ｆ ｏａ ｒ ｉｔ ｌｉ ｒ ｔａｔｒＯｔ ｒｕｈｏ ａｔＩ ｒｅ ｕｅｔ ｍｐｅ ｉ ｎ ｍｅｃｎｕ ｎ ｄ ｒ ｏ ｉ ｓ ｒ ａ ｏ ｓ ｌｍｐ ａ ｔｈ ｐ ｔ ｅ ｈｃ ｙ ｉ ｎ
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Biblioteka Baidu
面和确定光照分布密度等方法，设计一套快速计算植物冠层光分布的模拟系统。应用该系统模拟水稻孕穗期冠层 内的光分布情 况，结果表 明，该方法在保持原有算法精 度的同时，能缩短计算时间。
关健词 ：植物冠层 ；辐射 ；空问分布 ； 模型 ；深度缓存
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太 阳光 辐 射 在 植 物冠 层 中 的分 布 特 性 影 响着 植 物 的生 理
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设 实测 区域 周 围存 在 着 与 实测 区域 冠 层 结 构 完全 相 同 的植 物 冠层 ，即图中的虚线区域，称其为复制域Ｉ。为了方便投影 ， ５ ｛
形态 、生长过程 ，模 拟冠层 中的光分布是研究植物 生长发育 的重 要内容 。随着计算机技术 的成熟和发展 ，图形学算法 Ｊ 和虚拟现实技术被广泛应 用，冠层 内光分布计算方法也变得 多样化 。 常见 的有辐射度方法 ｌ 、光线跟踪 方法 、深度缓存 Ｊ 投影算法等＿。 对于 前 ２种 方法 ， ４ 相 Ｊ 深度 缓存投影方法 的特 点是忽 略光 的反射 、投射作 用 ，只考虑光 的直射 。由于 光 合有效辐射主 要表现在直射 部分 ， 而且集 中于 可见光波段 ， 所以该方 法对光合 有效辐射分 布模拟 有着很 高的精度 ，同 时原理 简单 ，便于 计算机 实现 。但 由于 处理 数据量 巨大 ， 致使计算耗 时较长 。 本文介绍了一 种用于计算植物冠层光分 布的快速深度缓存排序方法。它在保留原有精度 的条件下进
中 分 号 Ｔ３ ． 图 类 ： Ｐ９９ １
植 物 冠层 光辐射 分布 的快 速 深 度 缓存 算 法
肖 强，劳彩莲 ，王春霞
（ 中国农业 大学信息与 电气工程 学院，北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘
要：针对植物冠层 内光分布计算过程 中存在的计算复杂 度大、耗时长等问题 ，提出一种快速深度缓 存算法 。采用动态选取光照投影平
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（） １光照平面的建立 ：在冠层正上方建立固定尺寸 的光照
平面 ，认为入射到冠层内的光线全部来 自光照平面，根据入 射 光线 将 光照 平 面 进 行 二 维 网格 化 ，认 为 每 一 个小 网格 上 有
一
该 方法还利用实测的冠层植株三维空间坐标对 叶片表面进行 划分 ，将其分割成很小的空问三角形面元 ，接下来逆向考 虑
太 阳 光线 射 入 冠 层 内 与小 面 元 的 相 交 的过 程 来 进 行投 影 。
太 阳光线
复制域
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图 １ 植物冠层 的 视示意 图
具体投影过程如下：
ｉ ａ ｎｏ ｎ Ｐｌ ｎｔＣａ ｐｙ
一 一
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（ ｌ ｇ ｆｎｏｍａ ｏ ｎ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ｉａＡ ｒ ｕｔｒｌ ｉｅｓｔ， ｅ ｉｇ１ｏ ８ ） Ｃｏｌ ｅｏ ｆｒ ｔ ｎ ｄＥｅ ｒ ａＥ ｇｎ ｅｉ ， ｈｎ ｇｉ ｌ ａ ｖｒｉ Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｅ Ｉ ｉ ａ ｃｉ ｎ ｃ ｕ Ｕｎ ｙ ｊ ［ ｓｒ ｃ］ ｈ ｉｔｂ ｔ ｎｏ ｌ ｄａｉｎｉ ａ ｏｔｎ ｆｃｏ ｅｇｏｔ ｆ ｌｎ．ｎｏｄ ｒｏｒｄ ｃ ｅ ｏ ｌｘｔ ａｄｔ —ｏ ｓｍｉｇｉ Ａｂ ｔａｔ Ｔ ｅ ｓ ｕｉ ｆ ｏａ ｒ ｉｔ ｌｉ ｒ ｔａｔｒＯｔ ｒｕｈｏ ａｔＩ ｒｅ ｕｅｔ ｍｐｅ ｉ ｎ ｍｅｃｎｕ ｎ ｄ ｒ ｏ ｉ ｓ ｒ ａ ｏ ｓ ｌｍｐ ａ ｔｈ ｐ ｔ ｅ ｈｃ ｙ ｉ ｎ