基于HLA的动态森林生长仿真原型系统研究与设计

【摘要】： 虚拟森林生长仿真从生态系统的角度出发,采用虚拟现实技术对森林生长的动态变化过程进行模拟,模拟结果可对林业生产的管理起到指导作用。 传统的森林仿真系统往往侧重于场景的视觉效果,由于体系结构和形态模型设计上的局限使得对森林动态生长过程的模拟难以实现。具体来讲,主要表现在:一、仿真体系结构不完善,不支持一体化的仿真建模和运行功能,不同类型的仿真模型之间难以互相通信,不能很好反映森林生长过程中各仿真实体间的相互作用;二、仿真实体粒度划分不合理。传统仿真实体的形态表现功能与通信功能耦合在一起,无法为通信功能提供生理数学模型接口,不能量化通信模型。 为了解决以上问题,本论文在以下三个方面展开研究工作: 一、提出一个由森林仿真应用层,仿真实体通信层以及网格资源支撑层组成的面向森林动态生长仿真体系结构。该体系结构采用了模块化和层次化相结合的设计思想,集仿真建模和仿真运行功能于一体; 二、将仿真实体通信层划分为形态模型子层,通信单元子层和实时通信结构子层三个部分。其中形态模型子层为不同仿真实体选择了不同的形态模型算法:树木仿真实体建模采用了分形元和视点多分辨率模型;土地仿真实体建模采用了规则网格和视点多分辨率算法:天空仿真实体建模采用了天空盒、天空球和天空伞三种算法;流水实体采用了基于时间函数的纹理映射算法。在此基础上,本文对算法的实现方法做了进一步改进,统一了形态模型子层的数据接口; 三、在通信单元子层采用高级体系结构(High Level Architecture,HLA)技术提供植物的生理数学模型通信接口。各个森林仿真实体通过通信接口的量化交互实现森林的动态生长变化。 最后,本文分析了森林仿真规模受限的原因,研究了开放式网格服务体系结构(Open Grid Service Architecture,OGSA)在仿真实体通信层的分布式设计中的应用。 测试结果表明,应用本系统模拟森林动态生长过程具有较好的性能和效率。