基于三维空间结构和光线追踪算法的树木冠层光分布研究

Photosynthesis of a plant is dramatically influenced by the light distribution in canopy. Traditionally, light distribution in tree canopy is described using some simplified equations, while 3D structure of tree is completed ignored. This leads to some drawbacks such as low accuracy and lacking of generalizability. With the development of computing hardware, it is possible today to simulate light distribution in organ-size scale based on 3D structure and ray tracing algorithm. The research before, nevertheless, mostly focused on crop canopy because of computational efficiency. In this project, we plan to simulate light distribution in tree canopy. We implement fast ray tracing calculation by GPU through its parallel kernels; design new light distribution algorithm and then analyze their stability using virtual plant models; reconstruct tree shape using 3D scanner and calibrate algorithms. Finally, we hope to find suitable algorithms and implement software systems which are applicable to tree canopy. The result of this project can afford new techniques to tree research.

树木冠层的光分布对光合作用有着非常大的影响，传统的林冠光分布研究多建立于简单的经验公式之上，而忽略了树木具体的形态，因此存在精度有限、推广性差等问题。随着计算技术的发展，基于三维形态和光线追踪算法、器官尺度上的冠层光分布研究逐渐开展起来，但由于计算能力的限制，此前多见于对作物的研究。本项目拟将这种方法推广到林业上，用于复杂树木的光分布计算。利用GPU的并行计算能力实现光线追踪的快速计算，利用虚拟植物模型进行光分布算法的探索和稳定性分析，用三维扫描仪获取实际树木的三维结构并进行算法校准，最终构建出能够在林业领域获得应用的光分布算法和软件系统。本项目的实施能够为林学的发展提供新的研究手段，具有一定的创新性。

树木冠层的光分布对光合作用有着非常大的影响，传统的林冠光分布研究多建立于简单的经验公式之上，而忽略了树木具体的形态，因此存在精度有限、推广性差等问题。随着计算技术的发展，基于三维形态和光线追踪算法、器官尺度上的冠层光分布研究逐渐开展起来，但由于计算能力的限制，此前多见于对作物的研究。..本项目拟运用光线追踪算法计算复杂树木冠层光分布，利用GPU的并行计算能力实现光线追踪的快速计算，利用虚拟植物模型进行光分布算法的探索和稳定性分析；用三维扫描仪获取实际树木的三维结构并进行算法校准，最终构建出能够在林业领域应用的光分布算法和软件系统。..在本项目的实施过程中，完成了如下研究内容：一、树木建模和模型校准方法实现；二、构建虚拟树木的序列三维模型；三、基于GPU实现冠层光分布算法；四、杨树三维结构的扫描以及三维重建；五、相关软件平台开发。..本项目的实施主要得到了如下结果：一、基于GPU的树木冠层光分布算法和软件；二、基于点云的树木三维结构重建算法和软件；三、杨树不同品系的冠层光分布比较和优化。..本项目的最大意义在于为植物学和林学的研究提供一种新的研究方法、手段和工具。..项目进度基本按计划书的年度任务进行，完成了预期的研究目标。