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林业科学研究 2008, 21 (增刊 ) : 55～59
Forest Research
文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20055205
虚拟森林环境构建研究
张 敏 1, 2 , 张怀清 13 , 陈永富 1
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京 100091; 2. 北京林业大学林学院 ,北京 100083)
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 ,从单棵树的建模、林分结构规律 ,森林场景的绘
制技术等几个方面展开论述。在此基础上建立了一个虚拟森林环境系统原型 ,系统采用几何与图像混合绘制的方
法实现森林环境建模 ,场景采用八叉树空间分割方法 ,实现了虚拟森林三维场景模拟、小班信息查询等功能 ,为森林
资源和经营可视化提供了虚拟环境。
关键词 :虚拟森林环境 ;林分结构规律 ;八叉树
中图分类号 : TP7 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007212215
基金项目 : 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“基于虚拟环境的人工林可视化技术研究”,国家“十一五”科技支撑
重点项目课题“综合监测技术体系集成与应用示范”(2006BAD23B06)
作者简介 : 张 敏 (1975—) ,男 ,河北邢台人 ,硕士研究生 ,主要从事虚拟现实技术研究.3 通讯作者 : 张怀清 (1973—) ,男 ,湖南宁乡人 ,副研究员 ,硕士生导师 ,主要从事林业可视化模拟技术研究.
Research on V irtua l Forest Env ironm en t Con struction
ZHANG M in1, 2 , ZHANG Huai2qing1 , CHEN Yong2fu1
(1. Research Institute of Forest Resourc Information Tchniques, CAF, Beijing 100091, China
2. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)
Abstract: Based on the analysis of the contents and technical characteristics of different scale forest visualization
modeling, the design of individual tree modeling, law of stand structure, forest scenery rendering etc. were studied.
On the basis of study of related theories and algorithm s, a large2scale virtual forest environment p rototype system was
developed. The system used hybrid rendering as a main technology for modeling and rendering of the forest. The
scene was built to rep resent the data structure of the models by octree subdivision, and to imp lement the following
functions: large2scale virtual forest simulating and information query of subcompartment. The experiment showed
that it could offer a virtual environment for forest resource management.
Key words: virtual forest environment; law of stand structure; octree
由于森林中乔木个体大、寿命长 ,其动态变化具
有两个显著的特性 ,一是时间跨度大 ,二是空间尺度
大。正是这两个因素使得林业研究面临着非常大的
难题 [ 1 ]。随着对树木和植物的生长机理、森林生态
系统的模拟与预测研究的日益重视 ,以森林景观为
主要对象的计算机建模和可视化技术成为生态学、
森林经理学、自然地理学、植物学等领域的一个研究
热点 [ 2 - 3 ]。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 (含草本植物 )的
分布 ,而是力求构造更通用的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本真还原
和科学模拟 (或仿真 ) ,以辅助森林经营管理及影响
评价、了解森林生态系统动力学及其生理效应研究 ,
以及景观和花园的计算机辅助设计等。最终生成自
然客体的真实感模型 ,以便更好地理解自然。科学
家和森林管理者也越来越多地利用计算机建模和可
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林 业 科 学 研 究 第 21卷
视化工具进行收获方法改进的效果评价、刻画森林
各种特征变量、表达环境变化影响等。将森林环境
可视化建模与森林生长模型 (如林分模型 )、地理信
息系统 ( GIS)、紧密结合 ,实现虚拟现实、森林生长
模拟与信息管理一体化是新的发展方向 [ 4 ]。
1 虚拟森林环境构建原理与方法
虚拟森林环境是对现实森林环境的仿真与模
拟 ,是一种非常复杂的综合自然环境模拟。虚拟
森林环境包含地形、树木、草地、天空、河流、道
路、林分边界等实体对象及风、雨、雪、光照等环
境要素。其中树木模型和三维地形是构建虚拟
森林环境的基础。要构成具有真实感的虚拟森
林景观 ,需要将数以万计、经计算机模型化的单
树有规律地或随机地生成的林分或森林场景“种
植 ”在三维地形上并模拟林分生长、自然更新、林
火蔓延等过程 [ 5 ] 。其中遥感、G IS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
地面模型 (D EM ) 、数字林相图和土地利用图等空
间数据。单棵树建模工具可以建立各种树种的
三维几何模型库 ;森林系统则可以模拟各种环境
条件 ,包括地形、立地条件 (密度、郁闭度、立地质
量等 ) 、光照等施加影响下林分的几何生长过程 ,
研究林分生长的影响因子相互关系 ,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 ,进行生长
模型的验证。
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、林分级虚拟森林场景的生成、合成
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研究。其中单株木建模
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 ,而虚拟森林景观是合成了林分场景、诸如
云、光、风等环境要素效果的综合虚拟自然环境。以
此作为基础平台 ,可以开展三维、交互式的林火蔓
延、森林演化与收获模拟、林区道路等设施的辅助规
划等高级应用。
2 大规模森林场景构建
2. 1 数据获取
本文森林景观建模所用的数据主要包括研究区
的 1∶50 000的数字高程模型 (DEM )、土地利用图、
林相图 ; 树木、草、建筑等 3D 模型主要用来自
XForg、Onyx Treemaker、SpeedTreeCAD及 3DMAX等
建模工具生成 ,然后转化为系统所支持的类型 ;另
外 ,系统还需大量 3D模型的纹理贴图。
2. 2虚拟森林环境生成
虚拟森林环境的场景构造的目的就是要将单棵
的三维几何树木模型按照森林空间数据的指定对应
地放置在地形上 ,建立一个真实的森林环境。
由于森林场景异常复杂 ,森林绘制的数据量非
常庞大 ,远远超出了当前图形硬件的处理能力 ,因此
要实现虚拟森林中交互式实时漫游 ,又必须采用一
些特殊的处理技术 ,来保证场景的实时渲染 [ 6 ]。例
如 ,场景分块、多层次细节模型、广告牌等。
2. 2. 1 单株木建模 在三维森林场景中最典型的
地物是树木 ,它的建模是虚拟森林资源信息三维可
视化建立首要关注的问题。目前主要有两种建模
方法 :
2. 2. 1. 1 基于图像的三维树木建模方法 在用于
进行树木建模时 ,先通过拍照获得树木的纹理图片 ,
然后将树木纹理贴在一个或一组简单的与地面垂直
的多边形上 (图 1) ,并根据树木距视点远近的不同 ,
采用不同分辨率的纹理图片以达到节省资源的目
的。在漫游时 ,多边形会随着视线的变化以一定的
角度转动 ,从而保证纹理图片的正面与人的视线相
垂直 ,这种方法能够有效建立大规模的森林场景 ,缺
点是真实感较差 ,因为对于每一棵树木 ,从不同角度
观察它的形状、亮度及颜色分布均不相同。而用上
述方法建模 ,由于使用的是同一个纹理图像 ,所以无
论从哪一个角度来观察 ,树木的外观都是一样的 ,另
外 ,广告牌侧面对着光源时 ,难以形成真实感的阴
影 ,同时俯视时也会暴露其二维特征。
2. 2. 1. 2 基于图形的三维树木建模方法 该方法
是面向树木特征建立几何模型 ,其基础数据是景物
的矢量几何数据 ,具有高度的真实感。同时由于其
本身的复杂性和多样性 ,在建模时也存在着效率和
速度的取舍问题 ,因此这种方法还在进一步的研
究中。
本文分别采用基于图形、图像以及两种结合三
维树木建模方法 ,当视点较远时采用广告牌的形式
展示树木 ,随着视点的接近 ,逐渐采取图形、图像混
合的方式 ,近距离观察树木形态时 ,采用全三维图形
方式展示树木细节。
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增刊 张 敏等 :虚拟森林环境构建研究
( a)一个多边形
( b)多个多边形
图 1 基于图像的树木建模
2. 2. 2 森林空间结构 森林空间数据 [ 7 ]主要是指
森林中树木特征因子 ,如树高、胸径、冠幅等在森林
空间位置上的分布。本文利用森林资源二类调查的
林相图获得林分整体信息 ,应用林分结构规律获得
林分的胸径分布 ;在已知初植方式下计算空间位置
信息 ;采用随机分布特性将胸径和空间位置联系起
来 ,从而反演到林木个体。
2. 2. 2. 1 林分结构规律 在未遭受到严重干扰的
情况下 ,即使林分内部的造林时间和生长环境基本
相同 ,但由于林木遗传性和林木个体之间相互竞争、
相互作用 ,也会产生某些差异。这些差异的特征因
子如胸径、树高等表现出较为稳定的结构规律性 ,在
林学中称为林分结构规律 [ 8 ]。林分胸径分布是最基
本的林分结构。根据林分胸径分布的具体形状特征
和变化规律 ,选用不同的概率分布函数反推该林分
区域的胸径分布。一般常用的分布形式有 W eibul1
分布、正态分布等。
2. 2. 2. 2 空间位置分布 采用一定的数学公式获
得树木的平面位置 ,在得到了树木的平面位置后 ,需
要找出相应的地形高程数据。不论地形是由规则网
格构成或不规则三角网构成 ,只要找到该树木的平
面位置所在的网格或三角网 ,就可以通过一定的数
学运算求出树木所在的高程值了。
2. 2. 2. 3 随机分布算法 在存贮了林分的各径阶
值和对应林木株数及其在原来初植位置上部分枯死
的林木株数后 ,采用随机分布的方式 ,在空间位置上
赋予径阶值等林木特征因子。
2. 2. 3 地形生成算法 本文的场景空间采用八叉
树分割算法 ,实现大规模地形实时绘制。八叉树结
构是由四叉树进行扩展应用到三维空间的一种三维
空间数据结构 (图 2)。八叉树分割的基本思想是将
空间中大规模的场景递归地划分成可以管理的小块
并组成层次结构的形式。初始化时八叉树只包含一
个根节点 ,其范围包括场景的整个包围盒。场景的
包围盒可以通过一遍遍历场景的所有三角形网格计
算得到。然后将整个场景插入到八叉树当中。对于
场景中的每个三角形 ,递归地寻找包含该三角形中
点的叶节点 ,然后将三角形插入到所对应的叶节点
当中。如果插入后的叶节点所包含的三角形个数超
过了预先给定的最大三角形阈值 ,那么将该叶节点
进行划分 ,分成八个子节点 ,并且把该节点的所有三
角形分配到其子节点当中 [ 9 ]。
图 2 八叉树结构
八叉树不仅可以很好地应用在静态的场景 ,
同时也可以方便地应用于动态的场景中。物理
的模拟 ,无法像渲染一样 ,在远处的物体 ,看不见
的物体 ,就不进行模拟 ,或者只进行简单的模拟。
也即是说 ,物理的模拟是不存在 LOD的。八叉树
能够有效地对物理的模拟进行优化 ,尤其是碰撞
检测的优化。如果渲染部分的场景管理和物理
的场景管理采用的是相同的结构 ,可以避免很多
的问题 ,而且在每一桢内只用一次遍历场景八叉
树。这些都是八叉树做场景管理的优势。遮挡
剔除算法可以紧接着应用于丢弃掉其他的一大
部分不在观察者视线内的物体 ,尤其对于场景内
物体密度比较大的情况更加有效。
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3 原型系统
在前面的虚拟森林构建原理和方法的基础上 ,以
广西大青山林场作为实验区 ,利用 C#语言和 DirectX图
形 API,建立了面向森林经营管理的虚拟森林环境原型
系统 ,实现虚拟森林漫游 ,小班信息查询等功能。
3. 1 树木信息获取
树木信息获取主要来自试验区的林相图 ,系统
从林相图中获取优势树种、龄组、平均胸径、树高、株
数密度等参数信息 ,然后利用参数化树木建模工具
来生成系统所需的树木模型。
3. 2 树木位置信息
为了确定树木在地形上的分布范围及位置 ,系
统提取小班的边界点来确定小班的地理位置 ,再根
据小班面积及单位面积上林木株数 ,采用随机分布
的方法来确定每株数的平面位置。
3. 3 地形生成
系统读取试验区 DEM顶点数据后 ,首先转换数据
源为系统统一的坐标系统。再根据系统配置文件里的
地形参数生成地形网格 ,然后根据视点远近贴上不同
的地表纹理来增强地形的真实感和系统运行效率。
3. 4 场景生成
根据树木的平面位置所在的网格 ,采用线性内
插值法计算出每一点的海拔 ,就可使树木和地形匹
配 ,再加上天空、光照、河流、建筑等环境要素 ,合成
虚拟森林场景。
虚拟森林构建流程 (图 3)。
图 3 森林场景构造过程
4 结论与讨论
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 DEM、林业调
查数据的真实感虚拟森林环境的构建原理 ,即按单
树建模 2林分场景 2森林环境等三级尺度实现的技术
体系。系统集成了有效的八叉树场景优化与管理的
算法。集成数字高程模型、光照模型 ,动态水面 ,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。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 ,运行效率很
高 ,场景中放置 30 000棵树、大面积动态水面等因
子 ,系统可达 50FPS,结果能满足实际大规模森林环
境模拟 (图 4)。今后有待探讨的问题是 :
( a)系统运行结果———森林环境 ( b)系统运行结果———河流模拟
图 4 系统运行结果
(1)研究高度真实感 (增加物理模型如风、雨、
雪、碰撞等和树木的交互 )、超大规模的虚拟森林环
境及其实时渲染算法。
(2)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。
(3)与地理信息系统、数据库管理系统紧密结
合 ,实现虚拟现实与信息管理一体化 ,系统往实用
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增刊 张 敏等 :虚拟森林环境构建研究
化、业务化发展 ,用户交互界面更加友好。遥感、
GIS、GPS为代表的空间信息集成技术的发展可为虚
拟森林提供高精度的数字地面高程、数字林相图和
空间分析工具、现代高精细的森林调查数据库与虚
拟森林提供良好的数据。
(4)和具体的森林经营方案和措施结合 ,模拟
真实的森林经营措施 ,如森林抚育、木材采运等。为
林业经营管理进行科学的决策提供依据。
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