全 文 ：林业科学研究摇 圆园员源袁圆苑渊圆冤院圆园愿 圆员圆云燥则藻泽贼 砸藻泽藻葬则糟澡
摇 摇 文章编号院员园园员鄄员源怨愿渊圆园员源冤园圆鄄园圆园愿鄄园缘
基于信息编码的森林景观可视化模拟
刘摇 海员袁 张怀清员鄢袁 莫登奎圆袁 鞠洪波员
渊员郾 中国林业科学研究院资源信息研究所袁北京摇 员园园园怨员曰 圆郾 中南林业科技大学遥感应用工程中心袁湖南 长沙摇 源员园园园源冤
收稿日期院 圆园员猿鄄园猿鄄员愿
基金项目院 国家自然科学基金渊猿员员苑园缘怨园冤曰国家 愿远猿 计划课题渊圆园员圆粤粤员园圆园园圆冤曰林业公益性行业科研专项渊圆园员员园源园圆愿冤
作者简介院 刘摇 海渊员怨愿缘要冤袁男袁湖南邵东人袁博士研究生袁主要从事林业虚拟现实和计算机应用技术研究援
鄢 通讯作者院研究员袁硕士生导师袁主要从事林业可视化模拟技术与湿地监测技术研究援
摘要院通过对森林景观可视化模拟技术的研究袁结合现有信息分类编码技术袁提出一种利用自定义的数字化树木编
码构建森林可视化环境的新方法遥 通过实验模拟结果可知袁利用树木编码构建的森林可视化环境效果较好袁此种方
法为数字化森林模型的研建做出了部分尝试袁在一定程度上提高了森林景观的构建速度遥
关键词院数字化曰可视化模拟曰森林景观曰信息分类编码
中图分类号院杂苑缘苑援 员 文献标识码院粤
云燥则藻泽贼 蕴葬灶凿泽糟葬责藻 灾蚤泽怎葬造蚤扎葬贼蚤燥灶 杂蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 月葬泽藻凿 燥灶 陨灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 悦燥凿蚤灶早
蕴陨哉 匀葬蚤员袁 在匀粤晕郧 匀怎葬蚤鄄择蚤灶早员袁 酝韵 阅藻灶早鄄噪怎蚤圆袁 允哉 匀燥灶早鄄遭燥员
渊员援 砸藻泽藻葬则糟澡 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 云燥则藻泽贼 砸藻泽燥怎则糟藻 陨灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 栽藻糟澡灶蚤择怎藻泽袁 悦澡蚤灶藻泽藻 粤糟葬凿藻皂赠 燥枣 云燥则藻泽贼则赠袁 月藻蚤躁蚤灶早摇 员园园园怨员袁 悦澡蚤灶葬曰 圆援 砸藻泽藻葬则糟澡 悦藻灶贼藻则 燥枣
云燥则藻泽贼则赠 砸藻皂燥贼藻 杂藻灶泽蚤灶早 陨灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 驭 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁 悦藻灶贼则葬造 杂燥怎贼澡 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠 燥枣 云燥则藻泽贼则赠 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠袁 悦澡葬灶早泽澡葬摇 源员园园园源袁 匀怎爷灶葬灶袁 悦澡蚤灶葬冤
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责造蚤枣赠蚤灶早袁 贼澡藻 枣燥则藻泽贼 造葬灶凿泽糟葬责藻 增蚤泽怎葬造蚤扎葬贼蚤燥灶 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 葬灶凿 蚤灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 糟造葬泽泽蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶 葬灶凿 糟燥凿蚤灶早 贼藻糟澡灶燥造燥早赠
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责燥泽藻凿援 陨贼 蚤泽 葬灶 葬贼贼藻皂责贼 贼燥 遭怎蚤造凿 凿蚤早蚤贼葬造 枣燥则藻泽贼 皂燥凿藻造援 栽澡藻 则藻泽怎造贼泽 燥枣 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 泽澡燥憎藻凿 贼澡葬贼 贼澡藻 枣燥则藻泽贼 增蚤泽怎葬造蚤扎葬贼蚤燥灶 藻灶鄄
增蚤则燥灶皂藻灶贼 糟燥灶泽贼则怎糟贼藻凿 遭赠 贼则藻藻 糟燥凿蚤灶早 澡葬凿 葬 早燥燥凿 藻枣枣藻糟贼援
运藻赠 憎燥则凿泽院 凿蚤早蚤贼葬造蚤扎葬贼蚤燥灶曰 增蚤泽怎葬造 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶曰 枣燥则藻泽贼 造葬灶凿泽糟葬责藻曰 蚤灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶 糟造葬泽泽蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶 葬灶凿 糟燥凿蚤灶早
森林可视化景观是实现森林可视化人机交互的
载体遥 由于森林环境复杂袁信息量巨大袁如何快速高
效的构建出逼真的森林环境成为了当前急需解决问
题之一遥 国内外对此进行了广泛的研究并研发了多
种模拟系统袁最典型的如美国的 杂灾杂咱员暂 袁蕴酝杂咱圆暂 袁法
国的 粤酝粤孕咱猿暂 袁德国的 月蚤憎蚤灶责则燥 等咱源暂 遥 这些系统得
到了一定的应用袁但是在使用过程中也显露出了部
分不足之处袁其中最显著的一个特征就是模型单一
化袁可视化森林环境的表现力度不够好遥 针对这一
问题袁本研究从森林资源信息管理和应用的角度出
发袁结合现有信息分类编码的研究袁提出了一种利用
自定义的数字化树木编码实现森林环境构建的方
法袁在一定程度上加快了复杂森林环境的构建速度
并解决了大尺度森林环境表现单一化的问题遥
员摇 森林景观可视化模拟中树木编码的
建立
员援 员摇 信息分类编码的概念
信息分类是指按照一定的原则和方法把具有某
种共同属性或特征的事物或概念集合在一起袁把不
具有这种共同属性或特征的信息区别开来袁并用一
种易于被计算机和人识别的符号体系表示出来的过
程遥 其分类对象是各种信息咱缘暂 遥 编码是指对分类结
果进行比标识袁以便计算机能够识别遥 任何与信息
处理相关的系统袁都有必要建立信息分类与编码体
系袁信息的存储尧管理尧分析尧输出和交换都必须以其
第 圆 期 刘摇 海等院基于信息编码的森林景观可视化模拟
分类与编码为前提和标准咱远暂 遥
圆援 圆摇 可视化环境中树木编码的建立
对森林中的树木建立有效的编码体系袁可以实
现复杂森林环境的快速构建和解决森林可视化环境
表现单一化的问题遥 当前袁较常采用的森林可视化
环境构建流程如下咱苑 原 员员暂 院
渊员冤获取需要进行可视化模拟的森林边界曰
渊圆冤生成投影平面中树木的 载袁再 坐标并进行坐
标转换曰
渊猿冤读取 阅耘酝地形数据袁计算树的 在坐标曰
渊源冤计算树高尧胸径尧冠幅等树木属性曰
渊缘冤读取树木模型袁根据树高尧胸径以及冠幅进
行相应缩放曰
渊远冤完成可视化森林场景的数据加载及优化袁
实现可视化森林环境的渲染遥
传统的可视化森林环境构建流程中袁由于构建
的场景较大袁多采用单一的树木简模来搭建森林可
视化场景遥 这种做法能够在渲染速度上得到提升袁
但是渲染出来的森林景观缺乏表现力袁无论从远处
还是近处查看都是同一基调袁无法表现出森林景观
的层次感咱员圆暂 遥
通过对上述可视化森林环境构建流程的分析袁
结合信息分类编码的理论袁本研究提出了一种基于
混合分类法及二进制编码的非单一化森林可视化环
境的快速构建方案遥 其实现流程如图 员 所示院
图 员摇 基于信息编码的森林环境构建流程
生成树木编码的具体步骤如下院
渊员冤生成投影平面中树的 载袁再 坐标袁分配树高尧
胸径尧冠幅等属性遥
渊圆冤选取某一目标树作为中心原点袁以投影面
为基准面袁取正北和正东方向为正方向袁将目标树周
边的领域划分为 源 个象限渊如图 圆 所示冤遥
图 圆摇 目标树的象限划分
渊猿冤设定作为判断条件的领域半径 砸袁依次遍历
各象限袁找出与目标树距离最近的比较树遥
渊源冤判断目标树与比较树是否相交袁如不相交
记为 园袁如相交则进一步比较其树高遥 如果目标树
树高小于比较木树高袁则当前象限内的树木编码值
记为 员袁否则仍记为 园遥
渊缘冤生成目标树在 源 个象限内的编码袁保存到数
据库中遥 树木编码与象限对应关系如图 猿 所示院
图 猿摇 树木编码与象限对应关系图
渊远冤运行程序袁读取并解析树木编码袁根据树木
的编码调用对应的树木模型袁渲染森林环境袁完成森
林可视化场景的构建遥
此种方法可以实现最多 员远 种不同树木模型的
加载袁并可根据需要实现编码和树木模型的挂接遥
因为编码隐含了方位信息袁所以在进行树木模型构
建时袁可以大致确定目标树受到来自哪个方向的竞
争压迫袁这样就能够较好对目标树和比较树的树冠
进行修正遥 树木编码及其基本语意如表 员 所示遥
员援 猿摇 实例分析
为了检测使用树木编码进行森林可视化环境模
拟的效果袁选用自定义杉木渊悦怎灶灶蚤灶早澡葬皂蚤葬 造葬灶糟藻燥造葬鄄
贼葬渊蕴葬皂遭援 冤匀燥燥噪援 冤人工纯林数据进行林分场景的构
建以检测其运行速度和模拟效果遥 模拟的林分信息
如表 圆 所示遥
怨园圆
林摇 业摇 科摇 学摇 研摇 究 第 圆苑 卷
表 员摇 树木编码及其语意
编码 语意 备注
园园园园 目标树所处空间未受到任何比较树的影响
员园园园 目标树受到来自第一象限内比较树的压迫袁处于不利位置曰目标树在其他三个
象限内未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
园员园园 目标树受到来自第二象限内比较树的压迫袁处于不利位置曰目标树在其他三个
象限内未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
园园员园 目标树受到来自第三象限内比较树的压迫袁处于不利位置曰目标树在其他三个
象限内未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
园园园员 目标树受到来自第四象限内比较树的压迫袁处于不利位置曰目标树在其他三个
象限内未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
员员园园 目标树受到来自第一和第二象限内比较树的压迫袁处于不利位置曰目标树在第
三和第四象限未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
员员员园 目标树受到来自第一尧第二和第三象限内比较树的压迫袁且处于不利位置曰目
标树在第四象限未受到比较树的压迫袁处于未受干扰或有利位置遥
员员员员 目标树受到来 源 个象限内比较树的压迫袁且处于非常不利的位置遥
此表并未列出所有树木的编码形式渊共 员远 种冤遥 余
下部分可以根据排列组合推导出来遥 编码的第一
位表示第一象限袁第二位表示第二象限袁依此类推遥
编码中的 园 表示目标树未受到当前象限内比较树的
压迫影响袁处于未受干扰或有利的位置曰员 表示目标
树受到了当前象限内比较树的压迫并处于不利的
位置遥
表 圆摇 林分模拟信息
树种起源 样地长宽 辕 渊皂 伊 皂冤 树种 株数 辕株 分布规则 年龄 辕 葬 平均胸径 辕 糟皂 胸径分布规律
人工纯林 员园园 伊 员园园 杉木 猿园园 缘 园园园 随机分布 员园 员圆 宰藻蚤遭怎造造分布
其中自定义杉木人工纯林的树木坐标分布规
律为随机分布袁胸径分布规律选用的是 宰藻蚤遭怎造造 分
布袁模拟中用到的杉木模型为作者使用 猿阅 酝粤载软
件制作完成袁杉木模型的胸径尧树高及冠幅都可实
现参数化控制遥 考虑到场景渲染的压力袁所有的叶
片模型都采用面片贴图的方式实现袁杉木模型如图
源 所示遥
图 源摇 杉木模型
以中国林科院资源信息研究所计算机应用室独
立研发的杉木林分结构分布自适应可视化模拟系统
杂粤灾杂作为测试平台咱员猿 原 员缘暂 袁采用 远源 位 宰蚤灶凿燥憎泽 苑 操
作系统的 阅耘蕴蕴 栽猿缘园园 工作站作为测试的试验用机遥
测试传统方式构建可视化林分场景和采用树木编码
方式构建林分场景所消耗的时间袁测试结果如表 猿
所示遥
表 猿摇 测试结果
样地内树木
数量 辕株
常规方式构建
时间 辕 皂泽
树木编码构建
时间 辕 皂泽
三角形数量
辕个
猿园园 远 源园 圆苑源 员源源
缘缘园 源员 源圆 缘缘员 员猿愿
员 缘园园 猿猿怨 缘园 员 猿远猿 苑猿圆
猿 缘园园 员 源苑苑 愿园 猿 员苑怨 苑源园
缘 园园园 圆 怨猿远 怨远 源 缘源圆 园远圆
摇 摇 从表 猿 中可以看出袁当构建的林分场景内树木
为 缘缘园 株时袁两种构建方式基本相同遥 低于 缘缘园 株
时袁采用常规方式构建速度较快袁而当大于 缘缘园 株
时袁采用常规方式构建所需时间呈现出几何倍数的
增长袁对于百万株树的森林可视化景观的构建袁其时
间损耗是难以承受的遥 采用树木编码构建的方式则
显示出了巨大的优势遥 为了更好体现出两种构建方
式的差异效果袁本文选用了 员 块大小为 缘园 皂 伊缘园 皂袁
缘缘园 株树木的林分模拟样地分别对两种方法的模拟
结果进行测试袁模拟林分的基础信息如表 源 所示袁其
中模拟林分中树木坐标分布规律为随机分布袁胸径
分布规律为 宰藻蚤遭怎造造分布遥
园员圆
第 圆 期 刘摇 海等院基于信息编码的森林景观可视化模拟
表 源摇 林分模拟信息
树种起源 样地长宽 辕 渊皂 伊 皂冤 树种 株数 辕株 分布规则 年龄 辕 葬 平均胸径 辕 糟皂 胸径分布规律
人工纯林 缘园 伊 缘园 杉木 缘缘园 随机分布 员园 员圆 宰藻蚤遭怎造造分布
未使用树木编码进行构建的运行效果如图 缘 所
示遥 其中左为生成模拟样地的二维窗口袁右为三维
窗口遥 在二维窗口中可以很明显的看出袁模拟样地
中大部分的树木存在重叠挤压的情况袁四象限编码
都为 园 的优势木较少遥 为了让显示效果更为直观袁
将存在树冠严重重叠的树木在三维窗口中注成红
色袁如图 缘 右侧所示遥 从其三维显示效果可以看出袁
模拟林分内林木显示效果不够理想袁缺乏差异性和
层次感袁整体显示效果较差遥
图 缘摇 未使用编码方式构建效果
图 远 所示为使用了树木编码的方式构建的二三
维效果遥 相比于图 缘 中效果袁能够明显的看出院模拟
样地内林木的分布更为合理袁树冠重叠的树木明显
减少袁四象限掩码为 园 的优势木数量显著增多遥 而
其三维显示效果也得到了较好的改善袁整个样地不
再是没有层次感的单一色调袁不同状态的树木也有
了差异性的显示袁整体模拟情况较好遥
图 远摇 使用编码方式构建效果
员员圆
林摇 业摇 科摇 学摇 研摇 究 第 圆苑 卷
圆摇 结论与讨论
利用自定义的树木编码能够较好的实现非单一
化森林可视化场景的快速构建问题遥 利用此种编码
不仅可以实现多达 员远 种不同类型树木的表现袁还能
够为森林空间格局的分析和研究提供一定的帮助遥
在一定程度上提高了森林可视化环境模拟的真实性
和可靠性遥 自定义树木编码存在优点袁也有其不足
和需要改进之处遥 概括如下院
渊员冤利用自定义树木编码的构建方法袁不仅可
以对各类树木实现不同的可视化形态的表现袁还可
以通过各类规则实现不同编码的制定遥 如可以根据
不同的地类尧海拔高度尧混交程度尧季节类型以及立
地条件等实现信息分类以及编码遥 除此之外袁还可
以考虑对整个森林进行编码处理遥 通过将森林整体
信息转化为自定义的编码袁建立数字化森林模型遥
使用时只需对其进行解析并调用对应的树木模型即
可实现森林的三维可视化再现遥
渊圆冤自定义树木编码在使用时必须和对应的模
型进行匹配袁如何依据编码调用不同等级和特征的
树木模型是一个需要探讨的问题遥 比如不同的象
限袁不同的影响因子对应何种结构的树木模型遥 又
比如当存在多个影响因子时袁应该怎样对其进行量
化以及分级判断遥
渊猿冤自定义树木编码能够较快的实现多元化的
森林可视化场景构建袁但是其实现本质是先将现有
数据转换为一个中间形态上的数据编码袁在森林可
视化场景构建时再对其进行解析从而实现树木模型
的读取和加载遥 这种方式在第一次生成编码时相对
较慢袁但是在编码生成成功后袁则可大幅度的提升森
林可视化场景的构建速度遥
渊源冤本研究所模拟场景均基于自定义林分数据
构建而成袁并未使用实测林分数据进行场景构建遥
由于森林具有极其复杂的组成袁要逼真的模拟出实
际森林环境需要做大量的调查和研究袁为了提高渲
染效率袁场景内所模拟的林木暂时只考虑了树高尧胸
径及冠幅 猿 个因子袁还有诸多的林分测树因子并未
加入考虑遥 对于森林景观的三维可视化模拟仍需进
一步的研究遥
参考文献院
咱员暂 砸燥贼澡 孕葬怎造 云蚤灶造藻赠 允 悦援 灾蚤泽怎葬造蚤扎藻 赠燥怎则 枣燥则藻泽贼鄄哉泽蚤灶早 枣燥则藻泽贼 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶
泽燥枣贼憎葬则藻 贼燥 糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼藻 枣燥则藻泽贼 皂葬灶葬早藻皂藻灶贼 糟燥灶糟藻责贼泽 贼燥 责则蚤增葬贼藻 枣燥则鄄
藻泽贼造葬灶凿 燥憎灶藻则泽咱允暂 援 允燥怎则灶葬造 燥枣 云燥则藻泽贼则赠袁圆园园苑袁员园缘渊员冤院员缘 原 员怨
咱圆暂 邓华锋袁杨摇 华袁程摇 琳袁等援森林经营规划咱酝暂援北京院科学出版
社袁 圆园员圆
咱猿暂 悦葬泽贼藻造 栽袁 悦葬则葬早造蚤燥 再袁 月藻葬怎凿燥蚤灶 粤袁 藻贼 葬造援 哉泽蚤灶早 杂陨砸鄄悦 杂粤砸 凿葬贼葬
葬灶凿 贼澡藻 粤酝粤孕 皂燥凿藻造 枣燥则 枣燥则藻泽贼 葬贼贼则蚤遭怎贼藻泽 则藻贼则蚤藻增葬造 葬灶凿 猿鄄阅 泽贼葬灶凿
泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶咱允暂 援 砸藻皂燥贼藻 杂藻灶泽蚤灶早 燥枣 耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼袁 圆园园员袁苑缘渊圆冤院圆苑怨
原 圆怨园
咱源暂 刘 海援森林经营可视化模拟技术研究咱阅暂援 长沙院中南林业科技
大学袁圆园员园
咱缘暂 刘植婷援信息分类编码标准化综述咱允暂 援世界标准化与质量管理袁
圆园园源袁圆缘院缘园 原 缘圆
咱远暂 张茂震袁宋铁英袁唐小明袁等援森林资源信息分类编码方法咱允暂 援福
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咱苑暂 张摇 敏援 森林经营可视化模拟技术研究要要要以抚育间伐为例
咱阅暂援北京院北京林业大学袁圆园园怨
咱愿暂 唐丽玉袁陈崇成袁权摇 兵援 森林景观的计算机建模与可视化研究
进展咱允暂 援林业科学袁圆园园远袁源圆渊员园冤院员园怨 原 员员远
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时绘制方法咱允暂 援系统仿真学报袁圆园园苑袁员怨渊圆源冤院缘苑圆圆 原 缘苑圆缘
咱员园暂 李长银袁陈永富袁张怀清援 基于 郧孕哉 和场景分页的森林可视化
模拟咱允暂 援林业科学研究袁圆园员员袁圆源渊源冤院缘源员 原 缘源源
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泽怎造贼葬贼蚤燥灶咱允暂 援 陨灶贼藻则葬糟贼蚤灶早 憎蚤贼澡 悦燥皂责怎贼藻则泽袁 圆园员园袁圆圆渊远冤院缘缘远 原 缘远愿
咱员圆暂 刘摇 海袁张怀清袁林摇 辉援森林经营可视化模拟研究咱允暂 援世界林
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