虚拟森林环境中树木风致响应及其损伤的三维动态建模与仿真

Wind is one of the complex natural factors which can affect forest internal microenvironment and may cause mechanical damage to forest community in a short time. Taking fir, a main species in south China as an example and the complex tree-wind interaction as the main subject, this research investigates in depth the quantitative relationship during the process of wind-trees interactions, then explores the principles of tree's wind-induced vibration and mechanical damage. All kinds of major parameters (canopy structural parameters, material mechanics parameters, etc.) that significantly influence tree's wind-induced dynamic response characteristics are extracted and used to guide the dynamic tree modeling process. These parameters are also used to create cantilever beam based physical dynamic tree simulation model under simplified conditions. We employ a number of techniques such as interactive virtual tree pruning, particle system, dynamic texture synthesis, etc., to simulate the dynamic process of Chinese fir with different crown characteristics in response to different wind loads (such as swaying, falling, fracturing). Based on the self-similarity analysis of scene, we integrate multi-level instancing, falling path reusing, physical deformation reusing, LOD, GPU techniques to construct a virtual forest environment with mutual interaction of forest and wind, so that people can gain better observation, understanding and explanation of wind-tree interaction and tree's biomechanical characteristics to improve our ability to protect forest resources and to deal with forest wind damage.

风是影响森林内部微环境和可在短时间内造成森林群落机械损伤的复杂自然因素之一。本项目以南方主要树种-杉木为例，以风-树之间复杂交互行为为研究主线，深入分析风-树之间交互作用的定量关系，探索树木风致振动以及机械损伤的机理模型。提取显著影响树木风致动力学响应特性的各种主要参数（树冠结构参数、材质力学参数等）用于指导虚拟树木动态建模，利用这些参数建立简化条件下基于悬臂梁的虚拟树木动态模拟物理模型。结合物理和几何模型，应用虚拟树木交互式修剪、粒子系统、动态纹理合成等模拟不同树冠特征的杉木在不同强度风荷载下的动态响应（摇曳/凋落/折断）。在场景相似性分析的基础上，综合利用多级实例化、凋落路径复用、物理变形复用、LOD、GPU等技术构建一个与风要素动态交互的虚拟森林环境，使人们能够在可视化环境下更有效地观察、理解与解释树木与风的交互作用过程及其生物力学性能特征，提高森林资源保护和应对森林风害的能力。

项目以杉木为研究对象，构建10组具有不同冠层结构特征的三维几何模型（冠层稀疏程度不同、枝条疏密和空间布局不同、冠基高度不同、主枝分支角度不同），采用有限元数值计算方法，开展不同冠层几何结构特征对杉木枝干体系风致响应特性影响的计算实验，结果表明：1）树叶对树体振动的影响主要由冠层树叶的粘滞阻尼系数决定，树叶越稠密，对树体振动影响越大，而且振动的频域分布范围越小；2）树木枝干的长径比是影响树木振动的重要结构参数，对称分布的冠层，主干弯曲变形幅值较小，稳定性较高；3）杉木的振动形式有弯曲振动、扭转振动，其中主干以弯曲振动为主，辅以局部的扭转振动，子枝条部分的弯曲和扭转振动兼有侧重；4）冠基位置的变化对于树木的自振特性具有显著的影响，树木的冠基越趋下分布，主干弯曲变形幅值越小，树木的自振频域范围会相对越小，体系也相对较稳定；5）主干和枝条的几何形态（长度、半径、长径比）是影响树木局部子结构振动变化的重要因素，而整体冠层的质量分布特点（高度、厚度、冠幅、稀疏程度）是导致树木整体振动特征发生变化的关键。.在树木风振分析的基础上，将树叶风致运动分为随枝条运动和落叶两部分，并分别对悬挂树叶和凋落树叶的运动模拟进行简化，模拟风致落叶过程，对风致凋落叶进行判断、识别，当树叶发生下落时，采用路径合成的方法实现下落运动的快速模拟，并结合落叶的生理学特征及物候变化节律，从而实现落叶量随季节变化的动态模拟。.针对复杂动态森林场景的建模和绘制问题，选择树木响应风致机械作用过程为例，综合考虑枝条间复杂的耦合作用及其相互影响，引入分块思想构建多尺度风场模型，提出风-树交互的耦合动力学物理模拟方法，定量模拟树木-风交互下高复杂度的动态森林场景；结合树木模型层级隶属拓扑结构改进单株木的层次细节模型，提出基于有限样本进行无限拼接的器官-单株木-林分多级实例化的森林场景加速绘制技术，显著减少了场景数据量、提高了场景的绘制速度、增强了虚拟场景的物理真实感和交互性。