全 文 ：基于信息管理的一种虚拟森林景观构建及应用探讨*
陈崇成* * 唐丽玉 权 兵 李建微 石 松
(福州大学福建省空间信息工程研究中心 数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福州 350002)
摘要 在分析不同尺度的森林可视化建模内容和技术特点的基础上, 提出了一个基于信息管理的虚拟
森林景观构造原理和技术体系. 把过程建模技术与树木形态结构描述结合, 提出了一种交互式、参数化的
树木动态建模方法, 给出了相应的绘制方法和几何体简化算法以实现加速实时绘制, 并以福建省漳浦县为
例,建立了典型树种的几何模型库. 利用森林调查和遥感动态空间数据, 借助地理信息系统 ArcObject 组
件、图形环境 OpenGL 和 Visual C+ + 语言, 开发了虚拟森林管理原型系统, 实现森林二维/三维交互漫游、
查询分析、森林生长仿真模拟,其真实感与模拟精度满足实际森林资源管理需求. 最后给出了系统的典型
用户界面以及在考虑竞争条件下马尾松自然生长模拟和人工间伐前后的虚拟景观对比的应用例子.
关键词 森林景观 几何建模 林分生长模型 地理信息系统
文章编号 1001- 9332( 2005) 11- 2047- 06 中图分类号 S757, TP391. 9 文献标识码 A
Construction of information management based virtual forest landscape and its application. CHEN
Chongcheng , TANG L iyu, QUAN Bing , L I Jianw ei, SHI Song ( K ey L aboratory of Data M ining and Inf orma
tion Shar ing of Education Minis tr y , Spatial I nf ormation Research Center of Fuj ian, Fuzhou University ,
Fuzhou 350002, China) . Chin. J . A pp l . Ecol. , 2005, 16( 11) : 2047~ 2052.
Based on the analysis o f the contents and technical characteristics of different scale for est v isualization modeling ,
this paper brought forward the principles and technical systems of constructing an information managementbased
vir tual for est landscape. With the combinat ion of pro cess modeling and tr ee geometric structur e description, a
software method o f interact ively and parameter ized tree modeling w as developed, and t he corresponding render
ing s and geometr ical elements simplification alg orithms w ere delineated to speed up rendering runtimely. As a pi
lot study, t he geometrical model bases associated with the typical tr ee categories in Zhangpu County of Fujian
Prov ince, southeast China were established as template files. A V irtual For est Management System prototype was
developed with GIS component ( ArcObject) , OpenGL graphics env ironment, and Visual C+ + language, based on
forest inv entory and remote sensing data. The prototype could be used for ro aming betw een 2D and 3D, informa
tion query and analysis, and virtual and interactive forest grow th simulation, and its reality and accuracy could
meet the needs of fo rest resource management. Some typical inter faces of the system and the illustrative scene
crosssections of simulated masson pine grow th under conditions of compet ition and thinning w ere listed.
Key words Forest landscape, Geometr ical modeling , Stand g rowth model, GIS.
* 国家重大基础研究计划! 973∀前期研究专项( 2002CCC01900)和国
家! 十五∀科学技术攻关资助项目( 2001BA641C) .
* * 通讯联系人.
2005- 01- 21收稿, 2005- 06- 17接受.
1 引 言
随着对树木和植物的生长机理、森林生态系统
模拟研究的日益重视, 以森林景观为主要对象的计
算机建模和可视化技术已成为近 10年来生态学、森
林经营学、自然地理学、植物学等领域的一个研究热
点[ 1, 4] .人们已不再满足于用简单的几何图形(如圆
锥体)表达生态景观中树木(植物)的分布,而是力求
构造更通用的三维建模与可视化系统或工具满足对
大场景的森林景观进行实时地还原和科学模拟(或
仿真) [ 3, 10, 14] . 科学家和森林管理者越来越多地利
用计算机建模和可视化工具刻画森林的各种特征变
量、表达环境变化的影响,进行森林收获方法改进的
效果评价等[ 13, 30] .由于生态系统场景的复杂性和多
样性, 有森林或植物覆盖的真实感虚拟景观或影像
合成是计算机图形学的一个挑战性和重要的问
题[ 1, 3] . 20世纪 80 年代中后期以来,在植物或树木
的三维建模与可视化研究与应用方面取得了长足进
步,并于 20世纪 90年代进入一个发展高峰期[ 9] .建
模与可视化通常有两个目的:其一是从生物学上考
察,试图模拟自然植物的生长过程.早期树木的生成
模型主要基于此方面的考虑,应用一组规则描述植
物结构及其与环境交互; 其二是从可视表达效果上
考察,寻求生成植物的正确形态[ 6] . 近年来,将森林
景观的计算机可视化建模与森林生长模型(如林分
模型)、地理信息系统( GIS)、数据库管理系统紧密
结合,实现虚拟现实、森林生长模拟与信息管理一体
应 用 生 态 学 报 2005年 11 月 第 16 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2005, 16( 11)#2047~ 2052
化是新的发展方向[ 10, 11] .在场景绘制方面, 针对传
统的多面体纹理映射绘制方法难以适应于复杂、大
数据量的森林场景,不少学者还提出了具有高度真
实感的基于影像( IBR)的实时绘制技术和一些加速
算法[ 7, 8] .
2 构建原理与方法
21 构建原理
用真实感强的三维几何树模型表达并实时地绘
制森林,为管理者们提供一个身临其境的三维虚拟
环境,重现不同生长阶段下的虚拟森林环境, 进行实
时感受、观测、分析与评价, 这是森林资源管理对虚
拟森林景观的需求.要构成具有真实感的虚拟森林
景观, 需要将数以万计的经计算机模型化的单(棵)
树有规律地或随机地生成林分或森林场景, 并! 种
植∀在数字地形上, 模拟生长、林火蔓延等过
程[ 2, 3, 16] . 其中遥感、GIS 为代表的空间信息集成技
术可为虚拟森林提供高精度的数字地面高程、数字
林相图和交互式空间查询与分析工具, 数据库系统
提供了现代高精细的森林调查数据与虚拟森林几何
模型,而虚拟现实系统则可以模拟各种环境条件, 包
括地形、立地条件、光照等影响下林分的几何生长过
程,研究林分生长影响因子的相互关系,模拟森林环
境中的人工干预(包括抚育间伐、更新造林、林火燃
烧等)、森林与环境要素的交互作用. 虚拟森林环境
除了应实现基本的二维林业 GIS功能之外,还应与
森林生长模型等紧密结合起来, 有助于在更大的空
间尺度上预测和模拟森林生长过程.
各种森林生长模型主要以林分模型为主
体[ 12, 15] . 不同模型系统间的主要差别体现在生长模
型的建模思路和途径的不同,并大致分为林分水平、
径级水平的和单株水平 3类模型[ 15]或全林分、林分
级、单株水平等模型[ 18] . 林分水平的模型系统注重
的是林分的整体状态, 并不关心单株林木的发展过
程和林木间的相互作用; 单株水平的模型系统着眼
于林木间相互作用及林木生长和死亡的过程.以上
所述就是真实感建模、森林生长模拟与信息管理一
体化的虚拟森林景观构建与集成原理.
22 构建方法
根据尺度大小和研究特征不同,森林景观的建
模与可视化研究集中在单棵树木(或草本植物)的模
型生成与绘制、林分级虚拟森林场的景的生成、合成
各种环境要素(如天气、自然光等)的虚拟森林景观
构造以及在此基础上的专题应用(如林火蔓延模拟
或仿真)等 3个尺度上,并构成一个完整的技术流程
(图 1) .其中单体建模与绘制是基础,林分级场景生
成是根据不同的林分模型有规律或随机地将树木
! 种植∀在数字高程模型上而成 , 两者分别与
图 1 基于信息管理的虚拟森林景观构造与应用流程图
Fig. 1 An illust rative flow chart of informat ionmanagement based forest landscape generation and application.
2048 应 用 生 态 学 报 16卷
Muhar 提出的个体(对象)级和地形纹理(景观生态)
级 2种类型对应[ 17] , 而虚拟森林景观是合成林分场
景,综合云、光、风等环境要素效果的虚拟自然环境.
以此作为基础平台, 可以开展三维、交互式的林火蔓
延、森林演化、收获模拟、林区道路设施的辅助规划
等高级应用.
3 单树的建模与绘制
31 参数化过程建模
本文从树木的几何形态出发, 将树模型分为主
干、枝条和树叶部分,并使用一组参数来描述树木的
形态与结构.主干的参数描述包括主干的长度、起始
直径、沿长度方向的直径变化曲线以及第一层枝条
的分布位置和数量.各层枝条的参数描述包括不同
位置的枝条长度变化曲线、枝条起始直径变化曲线、
相对上一层枝条的夹角变化曲线以及沿自身长度方
向的弯曲和直径变化. 描述树叶的参数包括树叶的
尺寸及与最后一层枝干的距离.
本文给出一种用参数曲线描述沿某根轴线变化
参数的方法.如第一层枝条在主干不同位置往往有
不同的长度,另外枝条一般沿自身长度方向有弯曲
变化,这些变化很大程度上决定了树冠的轮廓. 图 2
( a)为刻画第一层枝条长度变化的贝塞尔( Bezier)曲
线,图 2( b)为刻画枝条沿长度方向弯曲的曲线,图 2
( c)显示了根据这两条曲线生成的第一层枝条.具体
做法、优缺点评价已由石松等[ 19]详细论述.
有了定义的树木参数, 过程建模的规则是简单
直观的.第一步是根据主干的参数生成主干; 随后根
据各层的参数逐层生成枝条, 直到用户指定的层数,
最后根据叶子的参数在最后一层枝干上分布叶子.
为了生成基本一致又略有差异的自然的树木模型,
对上述所有参数都引入一定的随机量. 这样选用不
同的种子数, 就可以生成一批千姿百态而又具有同
样特征和几何属性的树木.
32 单树的实时绘制
枝干和树叶采取不同的绘制方法.枝干可以视为
横截面直径变化的广义园柱体,并用三角形条带来构
造广义园柱体. 在森林实时绘制的场景, 绘制每一片
树叶是不必要而且也是不现实的.因此, 本文使用一
个四边形来表达一组叶片以减少面片数目.用树叶的
照片作为该多边形的带 alpha通道的纹理.同时,本文
使用伪光照处理方法,以提高实时绘制效率,让靠近
枝条底部的树叶比靠近枝条上部的叶子灰暗.
33 层次细节
树木的真实感建模研究已经比较深入, 但实现
巨大数量的多边形表达的实时绘制实际上不可能,
因为交互式场景绘制的制约因素在于大量几何体处
理的效率问题[ 13] . 建立树木的多分辨率模型(层次
细节模型, LOD) , 突出重要而忽略次要细节是解决
树木实时绘制的有效途径[ 14] .多层次细节模型的基
本思想是: 对同一个模型生成具有不同层次细节
(多边形数目)的多个版本, 在图形绘制中依据视点,
选择合适的层次细节模型进行绘制. 如果一个模型
远离视点,则选择较粗的 LOD 模型绘制; 如果模型
离视点较近, 则选择高分辨率的 LOD 模型进行绘
制.对于枝条和树叶我们采用不同的方法.从枝条的
初始模型开始 LOD计算,每一层都是它的上一层的
简化.对于树叶而言,当从较高分辨率 LOD模型生
成较粗的模型时, 减少树叶的数量.为了避免树叶看
上去变得比原模型稀疏, 同时按一定的比例增长叶
子的尺寸.显然,该算法在大幅度降低三角形面片数
量的同时,较好地维持了原模型的基本形态特征.
图 2 利用参数化曲线定义沿轴线变化的树模型参数
Fig. 2 St ructural parameters described by parameterized curve along the axes.
a)枝条长度变化曲线 A curve of branch length change; b)枝条弯曲变化曲线A curve of branch bending change; c)据 a、b曲线生成的枝干 S equential
bran ch based on a and b.
204911 期 陈崇成等: 基于信息管理的一种虚拟森林景观构建及应用探讨
4 林分水平的森林场景生成
41 数据处理
本文森林景观建模所用的数据主要包括研究区
树种的参数模板、小班边界图、以小班为基本单元的
林相数据以及数字地形 DEM 模型.
通常,森林数据是以小班为单位组织的. 其主要
属性包括优势树种、小班面积、树木分布密度、平均
树高和平均胸径等.由于森林小班数据不足以描述
树木完整的形态和结构特性, 因此在生成林分水平
的森林场景前, 利用交互式树种参数模板设计工具,
设计各树种的参数模板. 在场景构造的过程中,这些
模板将依据小班数据修正, 从而供建模引擎生成描
述该小班优势树种的树木模型.
42 场景生成
首先是在二维平面的森林资源管理信息系统界
面上确定三维场景的范围,获取场景中森林分布、生
长几何信息, 以启动树木模型规格定义, 并匹配上
DEM 模型.对于一个特定的小班, 依据小班属性中
的优势树种密度,可以在小班边界内生成规则的网
格.为了使得数目的位置分布更加自然,对格点坐标
加入一定的随机量.通过这些格点坐标, 从 DEM 可
计算得到该位置的高程. 在得到小班内所有树木的
位置与高程后, 下一步需要动态生成符合该小班属
性的树木几何模型.最后将该小班作为一个组结点
加入场景图.
本文动态生成树木几何模型的策略是: 事先设
计针对不同树种模型的参数模板,在构造场景过程中
修正该模板,以生成符合森林数据中的尺寸属性.这
些尺寸属性包括小班的树高、胸径和树冠直径.
43 森林场景绘制的优化与管理
431地形绘制方法 本文采用实时优化的自适应
格网 ( ROAM )算法, 动态构造地形, 并实现实时绘
制. ROAM 算法提出了一种在所需的帧速率下通过
保持动态的视相关的三角形网格和纹理映射, 生成
高质量图像的方法. 该法用灵活的视相关误差,度量
生成的三角形网格, 以产生确定的误差边界. 其算法
基于三角形数目对场景的简化, 并考虑了帧间的相
关性,可获得很大的帧速率显示.因为采用二叉查找
树表示场景,当增加和移去顶点时,通过分裂和融合
三角形二叉树结构来生成连续的 LOD场景.
432场景分块处理 虚拟森林场景覆盖的地理区
域广,树木模型复杂, 数据量很大,受计算机硬件的
限制,可根据地理数据的精度,将整个地形区域划分
为一些适当大小的地形块, 称为装载模块.每个装载
模块也是由地面上的众多数量的树木组成.在绘制
虚拟森林环境时, 通常只处理观察者视线范围(也称
为感兴趣区域)内的装载模块.一个感兴趣区域由多
个装载模块组成.
433 实时绘制调度 受硬件限制, 地形数据一次
调入内存几乎不可能. 因此,在虚拟森林环境实时漫
游的运动过程中, 需动态地装载地形数据.首先确定
场景漫游的初始位置, 漫游过程中,不断检测视域范
围是否发生变化, 不断地将不再在视域范围内的装
载模块从内存释放.
434 纹理压缩技术 频繁切换纹理状态,将严重
降低绘制系统的性能, 因此采用逐根绘制树木, 将无
法实时绘制.本文在绘制中使用了纹理压缩技术,使
系统消耗较少的纹理内存, 并提高系统的性能. 纹理
压缩可以使纹理数据减少到原纹理的 1/ 4~ 1/ 6,同
时不降低纹理图像的质量.
44 林分数学模型
不同时期、不同学者、基于不同的原理方法提出
了众多的森林生长数学模型.林分生长模型是根据
已知的林分初始信息及环境因素计算出林分生长过
程中的各种参数(竞争指数、胸径、树高、冠幅等) .本
文采用经验模型进行福建省漳浦县松树林的生长建
模,考虑的控制因素是树木间相互竞争和人工间伐
等 2 种情况. 具体的模型构建原理和方法见文
献[ 5, 20] . 1)竞争指数. 洪伟等[ 5]根据径阶平均竞争
指标与林木径阶中值的关系,提出了福建省马尾松
人工林的竞争指数方程:
CL = 372134+ 2919951/ D - 1118159/ A -
293720/ lnB (1)
其中, CL 为径阶平均竞争指标, D 为径阶中值, A
为林龄, B 为营养面积. 2) 胸径生长量. 胸径生长受
竞争影响,同时与林龄、林分平均胸径、林木平均拥
挤度有关.漳浦县马尾松胸径生长量:
Z = 13625 - 00326lnD - 0329lnA +
00621M - 01185CL (2)
其中, M 为 平均拥挤 度, 1/ M = - 211738 +
946596/ N , N 为林分立木株数(株∃hm- 2) . 3)树高
模型.根据马尾松树高生长随胸径变化的规律, 拟合
树高模型(表 1) . 4)冠幅模型.林木的冠幅和直径呈
正相关.庄晨辉[ 20]提出其最佳回归方程式为:
CW = 07436484884 + 02334736311D -
0002838917264D 2 ( 3)
2050 应 用 生 态 学 报 16卷
表 1 树高随径阶中值变化函数拟合结果
Table 1 Simulated tree height functions with median diameter of breast
( D)
立地指数
S ite index
模型
M odels
10 lnH = - 432159 - 3115922/ D - 002634D -
073056/ A + 22494/ lnB
12 lnH = 222530- 730371/ D- 004550D - 008081/
A - 057783/ lnB
14 lnH = 229314- 723102/ D+ 003677D + 015118/
A - 100961/ lnB
16 lnH = 306984 - 1123244/ D + 001296D -
004168/ A - 021112/ lnB
5)间伐模型.用马尾松最大密度模型:
N max = 120997 + 14109180/ D
其中, D为林分平均胸径.求取林分合理经营密度模
型:
N % (0553N max , 0855N max) ( 4)
5 系统应用与分析
以福建漳浦林区为示范区,应用以上原理和方
法,开发了一个集虚拟现实、林木生长模拟与信息管
理一体化的虚拟森林景观原型系统( VFIS) .在服务
器端,各种数据(含森林调查数据、林相空间图层、林
种分布的遥感动态监测结果、树种形态结构参数与
纹理样本、DEM 等)通过空间数据库引擎 SDE 存储
在关系数据库 SQL Server 中.客户端通过 Arc Ob
ject组件实现数据的连接与通信.系统中, 森林资源
二维信息的浏览、查询、分析、统计、汇总由森林资源
管理信息系统实现, 而基于 Open GL 图形环境开发
的三维森林景观系统主要实现森林景观的真实感漫
游、浏览、场景信息查询、林木生长的直观模拟.系统
测试在 24G内存 Pent ium 4 微机上进行, 同时配置
NV IDIA GeForced4 图形加速卡.
系统最大的应用在于模拟各种条件下林木的生
长或演化过程, 辅助森林资源管理与开发.图 3为马
尾松人工林在一定立地条件下考虑竞争因素时的生
长过程模拟结果.其中图 3a、图 3b分别为 14和 24
年树龄的林分场景. 该林分的面积为 373 hm2, 林
分密度为 900株∃hm- 2, 林龄 14 年, 立地质量为 3,
立地指数为 12.图 3中模拟的树木呈!不等速∀生长
现象是树木间生长竞争导致的. 模拟间伐时需要输
入相关的间伐参数, 如主伐时间、密度经营度( 0553
~ 0855)、抚育方法, 得到间伐方案. 若主伐时间为
30年,选用下层抚育法,拟间伐时间为 14年, 间伐
强度 896% .
20世纪 90 年代以来, 世界上面向森林或植物
建模与绘制的软件或工具不下 20种,有的是通用的
图 3 经模拟得到的不同树龄的马尾松林场景
Fig. 3 Simulated scenes of mason pine stand at dif ferent age.
( a) 14年生虚拟马尾松林 14 year old masson pine; ( b) 24年生虚拟马
尾松林 20 year old masson pine.
模型生成与绘制工具(如 Onyx Tree、Vantage point、
Speed T ree、Virtual P lants) ,单纯用于模型生成和场
景管理, 有的则面向景观管理的综合系统( Xfrog、
AMAP、Dig ital Landscape、LStudiao/ Virtual Lab、
Smart Forest、LMS/ SVS/ Envision 等) . 本文提出的
多尺度(单树水平林分水平景观合成水平)虚拟森
林景观构建方法与森林资源管理的内容和运行模式
结合紧密,在其它类似的森林或植物建模与绘制研
究中尚未采用.整个虚拟森林景观系统可以实现二
维森林资源的信息管理(浏览、漫游、查询与统计分
析)与三维虚拟真实感场景之间的交互,以充分发挥
森林资源信息管理中人的感官认知功能, 目前只有
AMAP、LM S等少数系统才有此功能.
本文采用的参数化单树建模技术是根据典型的
实际样本确定树种几何形态参数和树叶纹理,该方
法具有很强的适应性和通用性. 虽不能顾及所有单
树的差异性, 但可以充分利用森林资源清查背景数
据,并随时根据实地情况进行必要的修正,可以构建
精细到适合于单个林班的树模版. 由于林分生长模
型采用的是经验模型, 因此树林生长的模拟精度取
决于林分生长数学模型本身.本系统应用于特定林
区时,需要开发适合于当地的树种、立地和环境条件
的林分生长数学模型. 实际上,现实的森林景观系统
极其复杂多样,计算机系统如何逼真地构建或仿真
都只是真实系统的适度!简化∀. 因此,虚拟森林景观
系统真正走向实用、推广和普及,仍需要进一步深入
研究.
205111 期 陈崇成等: 基于信息管理的一种虚拟森林景观构建及应用探讨
6 结 语
基于虚拟现实、空间信息技术(遥感技术、地理
信息系统等)、图形学等原理, 叙述了基于信息管理
的真实感虚拟森林景观的构建原理, 及按单树建模
林分场景森林景观等三级尺度实现的技术体系. 从
树木的几何结构出发, 提出了根据森林数据动态构
造树木三维模型的方法. 该方法的优点在于用户容
易通过调整不同树种的特征参数,建立不同的树种
模型和同种树种不同时期的模型; 另一方面, 树的模
型以参数的形式存于数据库, 在场景绘制时可以实
时生成.基于生成的树几何模型模版,利用实际的小
班数据进行修正,构成林分水平的森林场景, 并集成
了有效的场景优化与管理的算法.集成数字高程模
型、光照模型,借助地理信息系统组件、图形环境, 开
发了虚拟森林管理原型系统, 实现森林二维/三维交
互漫游、查询分析、森林生长仿真模拟. 最后给出了
系统的典型用户界面以及在考虑竞争条件下马尾松
自然生长模拟和人工间伐前后的虚拟景观对比的应
用例子.
试验结果表明,提出的原理方法和技术体系是
合理、有效的,林木模型真实感强,系统三维信息管
理能力、可视化精度仅受林分清查数据与经验模型
本身精度的影响,结果能满足实际大面积森林资源
管理的需求.今后有待探讨的问题是: 1)发展基于影
像的树木建模与林分场景具有高度真实感的实时算
法,研究加速绘制、增强绘制效果、场景优化管理的
技术; 2)研究开发基于新型遥感传感器( L IDAR、In
SAR)数据进行林分因子(林种、面积、位置、密度等)
与生长特征参数(如树高、胸径、冠幅等)信息的自动
提取, 为虚拟森林景观与应用提供可持续更新的数
据源; 3)采用新型体系结构和群体决策模式, 建立协
同的虚拟森林景观或环境,人与人之间可进行合作、
信息交流、共享、协同决策.
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作者简介 陈崇成, 1968 年生, 男, 博士、副教授. 主要从事
资源与环境信息工程、空间信息集成技术、虚拟地理环境、环
境遥感等研究, 发表论文 40 余篇. T el: 59187892672; E
mail: chencc@ fzu. edu. cn
2052 应 用 生 态 学 报 16卷