(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210276654.1 (22)申请日 2022.03.21 (71)申请人 南京林业大 学 地址 210037 江苏省南京市龙蟠路159号 (72)发明人 云挺　蓝春晓　张怀清　薛鑫波　 (74)专利代理 机构 南京科阔知识产权代理事务 所(普通合伙) 3240 0 专利代理师 王纯洁 (51)Int.Cl. G06V 20/17(2022.01) G06V 10/26(2022.01) G06V 10/44(2022.01) G06V 10/60(2022.01) (54)发明名称 基于点云数据和计算机图形学的林分辐射 通量计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于点云数据和计算机 图形学的林分辐射通量计算方法， 包括： 采集林 分点云数据； 计算林分水平表面的太阳辐照度； 单个树冠分割； 利用空间半椭球几何基元模拟阔 叶树冠或/和利用空间 圆锥几何基元模拟针叶树 冠； 对几何基元模拟后的树冠进行三角剖分； 确 定入射太阳光束与三角形的第一个交点， 计算林 分的入射辐射通量； 计算林分中树木间的反射辐 射通量； 计算林分的透射辐射通量。 本发明通过 确定覆盖森林冠层表面的多个空间三角形中太 阳光束与可量化能量的发射和碰撞， 克服了与树 木器官精细表征和植物系统中因器官尺度异质 性而导致的阳光遮挡相关的并发症。 权利要求书4页 说明书21页 附图7页 CN 114663786 A 2022.06.24 CN 114663786 A 1.基于点云数据和计算机图形 学的林分辐射 通量计算方法， 其特 征在于： 包括： 步骤1： 通过激光雷达采集林分点云数据； 步骤2： 计算林分水平 表面的太阳辐照度； 步骤3： 对采集的林分点云数据进行噪声和离群值的去除， 然后， 使用双高斯滤波器从 林分点云数据中检测每 个树冠， 并基于能量 函数最小化方法进行 单个树冠分割； 步骤4： 将林分内的树木种类分为阔叶树或/和针 叶树， 利用空间半椭球几何基元模拟 阔叶树冠或/和利用空间圆锥几何基元模拟针叶树冠； 步骤5： 对几何基元模拟后的树冠进行三角剖分； 步骤6： 每个源点发射一束太阳光束， 计算已知方向和源点的模拟太阳光束， 并计算每 束发射的太阳光束的辐射 通量； 步骤7： 利用三角剖分后生成的三个顶点对应的三角形和模拟太阳光束， 采用光束相交 算法， 确定几何基元模拟后的树冠在三角形尺度下的局部光照和阴影区域； 步骤8： 确定入射太阳光束与三角形的第一个交点， 进 而计算林分的入射辐射 通量； 步骤9： 计算入射太阳光被林分冠层不同三角形反射后的反射矢量， 通过反射矢量计算 林分中树木间的反射辐射 通量； 步骤10： 计算入射太阳光被林分冠层透射后的透射矢量， 通过透射矢量计算林分的透 射辐射通量。 2.根据权利要求1所述的基于点云数据和计算机图形学的林分辐射通量计算方法， 其 特征在于： 所述的步骤2具体为： 林分水平 表面的太阳辐照度Itotal为： Itotal＝Idirect+Idiffuse     (1)； 其中Idirect＝Iscr0τrτoτgτwτasinθa； Isc为太阳常数， 取1367W/m2； r0为地球轨道偏心率相 关系数； τr、 τo、 τg、 τw和 τa分别是瑞利、 臭 氧、 气体、 水和气溶胶散射透过率； 太阳高度角的表达式如下： sinθa＝sinθlsinθd+cosθlcosθdcosθh     (2)； 其中θl为当地纬度， θd为当前太阳的赤纬角， θh为当地太阳时的时角； 到达水平面的漫射辐照度Idiffuse为： Idiffuse＝Idr+Ida+Idm             (3)； 其中： τaa为气溶胶吸收引起的直接辐射的透射率， ωo为气溶胶 散射到总衰减的入射能量的单次散射反照率， 取0.9， ma是实际压力下的气团； Fc为前向散射相对于总散射的分数， 取0.84， τas为气溶胶散射后 透射入射能量的分数， 计算公式如下：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114663786 A 2ρg为地面反照率， ρa为无云天空的反照率， 计算公式如下： ρa＝0.0685+(1‑Fc)(1‑τas)           (8)。 3.根据权利要求2所述的基于点云数据和计算机图形学的林分辐射通量计算方法， 其 特征在于： 所述的步骤4中利用空间半椭球几何基元模拟阔叶树冠的空间半椭球方程 为： 利用空间圆锥几何基元模拟针叶树冠的空间圆锥方程 为： 其中a为每棵单树在东西方向上的半冠宽度； b为每棵单树在南北方向上的半冠宽度； c 是树高减去枝下高； 被分割树的每个树冠中心坐标记录为： (xcenter,ycenter,zcenter)， zcenter为 相应树的枝下高； heighttree为相应树高。 4.根据权利要求3所述的基于点云数据和计算机图形学的林分辐射通量计算方法， 其 特征在于： 所述的步骤5具体为： 将代表每个树冠的圆锥体或/和半椭球几何面从X ‑Y平面上的投影圆进行垂直投影， 并 在每个投影圆内定义多个等距的同心圆； 在每个同心圆上均匀取相同点数， 得到X ‑Y平面上 的采样点； 利用二 维Delaunay三角剖分算法， 基于采样点生 成一个三角形网格， 得到每个采 样点的索引， 定义构成树冠表面的每个三角形的顶点； 根据采样点结果， 对每个树冠表面进 行反投影， 实现三维Delaunay三角剖分。 5.根据权利要求4所述的基于点云数据和计算机图形学的林分辐射通量计算方法， 其 特征在于： 所述的步骤6具体为： 定义源点的坐标为 其中N表示源点总数， 每个源点发射 一束太阳光束； 相邻两源点之间的固定间隔设为0.2m； 即发射的太阳光束密度为 l＝25/m2； 每个太阳光束从每 个源点出发的方向表示 为单位矢量 已知方向和源点的模拟太阳光束Lk为： 由于发射的太阳光束密度为 l＝25/m2， 则每束发射的太阳光束的辐射 通量为Itotal/l。 6.根据权利要求5所述的基于点云数据和计算机图形学的林分辐射通量计算方法， 其 特征在于： 所述的步骤7 具体为： 每个三角形Tj,j＝1,2,...M的法向量可以由其三个顶点 来计 算： 其中×表示两个向量的外积； 结合公式(11)， 采用公式(13)确定射线Lk是否与三角形Tj权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114663786 A 3