全 文 ：林业科学研究摇 圆园员源袁圆苑渊远冤院苑圆怨 苑猿员
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远鄄园苑圆怨鄄园缘
合轴分枝树木可视化模拟系统设计与实现
白摇 静袁 张怀清鄢袁 刘摇 闽
渊中国林业科学研究院资源信息研究所袁北京摇 员园园园怨员冤
收稿日期院 圆园员猿鄄员圆鄄圆远
基金项目院 国家自然科学基金项目渊猿员员苑园缘怨园冤曰国家 愿远猿 计划课题项目渊圆园员圆粤粤员园圆园园圆冤
作者简介院 白摇 静渊员怨愿愿要冤袁女袁内蒙古乌海人袁硕士研究生袁研究方向院森林可视化模拟技术援
鄢 通讯作者援研究员袁研究方向院森林可视化模拟技术援
摘要院以槐树为例袁构建了合轴分枝树木可视化模拟系统遥 根据可视化模拟的需要袁指出了所需的形态结构因子及
其与 陨云杂因子的对应关系遥 以实测形态参数数据为依据袁结合 蕴燥早蚤泽贼蚤糟生长模型袁基于 陨云杂算法构建了槐树的三维模
型遥 并以 阅蚤则藻糟贼载怨郾 园 为三维可视化平台袁使用 悦裕语言袁采用面向对象设计思想完成了合轴分枝树木可视化模拟系
统开发袁实现了合轴分枝树木形态参数尧生长模型参数设置以及模型输出等系统功能袁较好模拟出合轴分枝树木静
态与动态的三维可视化模型遥
关键词院可视化模拟曰合轴分枝曰陨云杂算法曰系统设计与实现
中图分类号院杂苑员员 文献标识码院粤
阅藻泽蚤早灶 葬灶凿 陨皂责造藻皂藻灶贼葬贼蚤燥灶 燥枣 杂赠皂责燥凿蚤葬造 月则葬灶糟澡蚤灶早 栽则藻藻 灾蚤泽怎葬造蚤扎葬贼蚤燥灶 杂赠泽贼藻皂
月粤陨 允蚤灶早袁在匀粤晕郧 匀怎葬蚤鄄择蚤灶早袁蕴陨哉 酝蚤灶
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树木具有丰富多样的外部形态结构袁且生理过
程和功能表达异常复杂咱员暂 袁因此树木可视化一直是
林学界与计算机领域的研究难点与热点遥 树木按分
枝模式划分主要可分为单轴分枝与合轴分枝遥 合轴
分枝树木没有明显的主干袁而是形成多个弯曲的主
轴袁整个地上部分呈开张状态袁是一种进化的分枝方
式咱圆暂 遥 合轴分枝树木现实世界中十分常见袁但相关
三维可视化的研究工作却相对较少遥
国际上早在上个世纪 苑园 年代就开始了树木形
态建模的研究咱猿 原 缘暂 袁已经建立了很多虚拟植物软件袁
如德国的 载枣则燥早 软件袁美国的 栽则藻藻 责则燥枣藻泽泽蚤燥灶葬造 以及
法国的 粤酝粤孕等遥 我国虽然对虚拟树木的研究起步
较晚袁但近年来在树木三维建模方面发展迅速袁取得
了很多成果咱远 原 员圆暂 袁其中以中国科学院自动化研究所
中法实验室与中国农业大学在 粤酝粤孕基础上建立的
郧则藻藻灶蕴葬遭最具代表性遥
随着科学技术的不断发展袁对树木的模拟不仅
要求外形的相似袁还希望能够体现其自身的生长规
林摇 业摇 科摇 学摇 研摇 究 第 圆苑 卷
律和形态结构遥 本研究以槐树 渊 杂燥责澡燥则葬 躁葬责燥灶蚤糟葬
蕴蚤灶灶援 冤为例袁结合实际测量的槐树形态结构数据与
蕴燥早蚤泽贼蚤糟生长模型袁在 阅蚤则藻糟贼载 平台上袁使用 悦裕语言袁
采用面向对象的方法建立了合轴分枝树木可视化模
拟系统袁实现了单株槐树静态和动态的三维可视化
模拟遥
员摇 合轴分枝树木形态结构模型的建立
员郾 员摇 合轴分枝树木形态
合轴分枝树木的形态结构是分层组织的袁由主
干分生第一层分枝袁再由第一层分枝分生第二层分
枝袁如此一层一层分生下去直至树叶袁呈现出一定的
自相似的分形特征咱员圆暂 渊图 员冤遥
图 员摇 合轴分枝形态
员郾 圆摇 合轴分枝树木形态结构模型构建
采用迭代函数系统 陨云杂 渊 陨贼藻则葬贼藻凿 云怎灶糟贼蚤燥灶 杂赠泽鄄
贼藻皂冤算法构建合轴分枝树木的三维形态模型遥 陨云杂
是 月葬则灶泽造藻赠提出并发展起来的一种研究分形集的数
学方法咱员猿暂 遥 它以仿射变换为框架袁根据几何对象具
有的整体与局部自相似的结构袁以一定的概率并按
不同的仿射变换对总体形状进行迭代袁直到生成满
意的分形图形遥 由于合轴分枝树木整体形态的自相
似性袁陨云杂算法在其形态模拟方面表现出了与其他
方法相比更明显的优势遥
根据可视化模拟的需要袁构建合轴分枝树木模
型所需的形态结构因子主要有院树高袁胸径袁冠幅袁枝
根直径袁枝长袁仰角袁方位角袁分枝级数等渊表 员冤遥
本研究以槐树为例袁在中国林业科学研究院内
选择若干株样木袁实测了有关的形态结构参数遥 采
用 陨云杂算法建立合轴分枝树木形态结构模型遥
表 员摇 形态参数
参数名称 应用
树高 确定树木树高
胸径 确定树木胸径
冠幅
枝根直径
仰角尧方位角
枝长
确定树木冠幅
确定子枝枝径
确定 陨云杂旋转矩阵
确定 陨云杂位移矩阵
分枝级数 确定 陨云杂迭代次数
分析合轴分枝树木的形态特征袁将树木分为枝
干和树叶遥 分枝前的枝段作为 陨云杂 的基本形态单
元袁每一枝都由该枝段经过 陨云杂 变换得到遥 通过参
数仰角尧方位角确定 陨云杂旋转矩阵袁上一级分枝的枝
长确定 陨云杂 位移矩阵袁枝长比确定 陨云杂 缩放矩阵遥
即通过枝长尧仰角和方位角来确定分枝的位置袁通过
枝长比来确定分枝的大小遥
枝干由枝段组成袁树叶为矩形袁以实际拍摄的照
片作为纹理进行贴图渲染遥 枝段的模型用广义圆柱
体表示袁应用 阅蚤则藻糟贼猿阅 提供的顶点缓冲区技术保存
树干模型中的各个顶点的数据袁对树干进行建模遥
叶子的绘制采用 遭蚤造造遭燥葬则凿 技术袁设定叶子着生在最
外层的分枝上袁在最外层枝两侧生成相对排列的三
维矢量矩形袁在矩形贴上带有 粤造责澡葬 通道的真实叶
子纹理遥
圆摇 合轴分枝树木可视化模拟系统设计
圆郾 员摇 系统总体设计
合轴分枝树木可视化模拟系统采用 猿 层架构设
计遥 系统层是指软件开发所需要的系统和硬件支
持曰开发层建立在系统层之上袁是系统的开发环境和
开发工具层袁主要负责合轴分枝树木模型的建立和
程序的开发遥 应用层为系统运行以及用户操作层袁
用户可以设置系统所需要的参数袁控制模型构建遥
系统框架图如图 圆 所示遥
图 圆摇 合轴分枝树木可视化模拟系统框架图
园猿苑
第 远 期 白摇 静等院合轴分枝树木可视化模拟系统设计与实现
圆郾 圆摇 系统功能设计
根据系统需求袁系统功能主要有以下几部分袁系
统功能图如图 猿院
图 猿摇 系统功能结构图
形态结构参数设置院用户输入树高袁胸径袁仰角袁
方位角袁分枝个数等参数遥
蕴燥早蚤泽贼蚤糟生长模型参数设置院对生长模型参数进
行设置袁预测生长后各参数值遥
纹理渲染院对主干尧分枝以及树叶进行纹理贴
图袁增强模拟真实感遥
操作院包括对模拟结果进行旋转尧平移尧缩放等
操作曰视图变换主要有俯视图尧正视图以及侧视图曰
分级显示包括主干尧一级枝尧二级枝等不同级数分枝
和叶子的分别显示曰生成的三维模型可以援 曾 格式文
件输出袁增强了与其余软件的交互性遥
圆郾 猿摇 形态结构模块与生长模块设计
圆郾 猿郾 员摇 形态模块设计摇 本模块供用户输入形态结
构参数遥 根据用户输入的形态参数对树木分枝形态
进行设置袁分析合轴分枝树木的枝系结构袁确定描述
和控制树木三维形态的指标袁如分枝级数控制分枝
的层数袁枝长比约束枝长等遥 根据参数构建三维可
视化模型遥
圆郾 猿郾 圆摇 生长模块设计摇 本模块提供 蕴燥早蚤泽贼蚤糟 生长方
程作为模拟的生长模型遥 树木的整个生长过程遵循
一条野杂冶形曲线咱员源暂 袁尽管会受到环境的影响出现一
些波动袁但是总的生长趋势是比较稳定的遥 通过数
学形式的生长方程表示这种生长关系可以从理论上
对未来生长趋势进行预测遥 给出初始值后袁预测树
木生长后每一年冠幅袁树高袁胸径等值袁公式如式
渊员冤院
赠 越 砸 辕 噪员 垣 砸 辕 噪 原 赠园赠园[ ]藻 原砸贼
渊员冤
其中院赠为预测值袁赠园 为初始值袁砸 为相对生长
率袁噪为环境限制因子袁贼为生长年限遥
采用开放式设计袁除 蕴燥早蚤泽贼蚤糟 生长模型袁也提供
树木其余生长模型接口袁用户可根据实际需求选取
合适的生长模型遥
圆郾 源摇 系统类结构设计
树木三维可视化模拟指运用计算机图形学中的
科学可视化技术与方法模拟树木的形态结构尧空间
结构及动态生长过程咱员缘暂 遥 本系统最主要的功能需
求是将现实中合轴分枝树木的形态结构真实的在计
算机上显示出来袁采用面向对象设计方法据此设计
系统主要类结构如下院
杂赠皂陨云杂栽则藻藻类的主要功能是利用 陨云杂 方法来创
建树木模型袁包括 陨云杂旋转袁收缩袁位移矩阵的确定袁
建立树木模型主干和分枝的所有节点遥
杂赠皂杂糟藻灶藻 类实现对枝干尧树叶纹理的渲染袁同
时设置用户的交互信息院缩放袁旋转等遥
杂赠皂栽则藻藻晕燥凿藻 类定义数据结构袁采用链表结构
组织分枝数据袁同一级的分枝做为单链表结构袁每一
个分枝做为一个节点遥 即每一个分枝为一个
杂赠皂栽则藻藻晕燥凿藻袁所有分枝都建立好后袁遍历所有的
杂赠皂栽则藻藻晕燥凿藻袁得到该合轴分枝树木的枝系结构遥
杂赠皂蕴藻葬枣类对树叶长宽袁数量进行设置袁实现绘
制不同大小和类型的叶子遥
猿摇 合轴分枝树木可视化模拟系统实现
猿郾 员摇 关键技术
本系统以 阅蚤则藻糟贼载怨郾 园 为开发平台袁主要应用 阅蚤鄄
则藻糟贼载中的 阅蚤则藻糟贼猿阅组件进行模型的构建与渲染遥
阅蚤则藻糟贼载渊 阅蚤则藻糟贼 藻载贼藻灶泽蚤燥灶冤袁简称 阅载袁运行于
宰蚤灶凿燥憎泽操作系统袁是微软公司推出的多媒体编程
接口渊粤孕陨冤袁它在硬件设备与程序之间提供了一套
完整一致的接口袁为设计人员提供了一个共同的硬
件驱动标准袁即提供了硬件无关性袁便于开发人员最
大限度的利用硬件的优秀特性遥 本系统中三维模型
的显示主要借助的 阅蚤则藻糟贼 猿阅 组件是一个接口和函
数集袁基于微软的通用对象模式 悦韵酝渊悦燥皂皂燥灶 韵遭鄄
躁藻糟贼 酝燥凿藻冤袁目的是使 宰蚤灶凿燥憎泽应用程序与计算机显
卡能够直接对话袁即图形处理时可不通过 郧阅陨袁直接
调用显卡驱动程序袁提高了图形处理速度遥
猿郾 圆摇 系统实现
合轴分枝树木可视化模拟系统平台的主界面如
图 源 所示袁界面上部为菜单栏和工具栏袁左边为三维
显示区袁右边为形态结构参数设置区与绘制纹理设
员猿苑
林摇 业摇 科摇 学摇 研摇 究 第 圆苑 卷
置区遥 通过设置不同的形态结构参数袁选择相应树
种纹理可以建立不同合轴分枝树种三维可视化
模型遥
图 源摇 合轴分枝树木可视化模拟系统平台主界面
在建模时提供静态和动态两种建模方式袁动态
建模根据输入的树龄袁通过形态和生长模型袁可以计
算出树高尧胸径等预测值袁绘制所输入年龄的合轴分
枝树木可视化模型渊图 缘冤遥
图 缘摇 参数设置
猿郾 猿摇 模拟结果
在中国林科院内选取槐树进行形态结构测量遥
一株槐树的形态结构参数如表 圆 所示遥
表 圆摇 槐树形态结构参数
调查指标 数值 调查指标 数值
树高 辕 皂 猿郾 苑 分枝级数 缘
胸径 辕 糟皂 愿 仰角 员 辕度 圆园
仰角 圆 辕度 员缘 冠幅 辕 皂 圆郾 远
建立该模型耗时约 缘 毫秒袁导出援 曾 格式文件后
大小为 猿愿圆运月袁模拟效果如图 远遥
图 远摇 槐树形态结构真实图与模拟图渊葬为真实图袁遭为模拟图冤
通过生长模型控制槐树的生长袁生长的模拟效
果如图 苑院
图 苑摇 槐树生长前后对比图渊葬为生长前袁遭为生长后冤
源摇 结论与讨论
根据可视化模拟的需要袁指出了构建合轴分枝
树木模型所需的形态结构参数袁并给出了这些参数
与 陨云杂因子对应关系遥 以槐树的实测形态参数数据
为依据袁结合 蕴燥早蚤泽贼蚤糟 生长模型袁采用 陨云杂 算法构建
了槐树三维可视化模型袁实现了单株槐树静态和动
圆猿苑
第 远 期 白摇 静等院合轴分枝树木可视化模拟系统设计与实现
态的三维可视化模拟遥 采用面向对象方法设计系统
主要类结构袁使用 悦裕语言袁基于 阅蚤则藻糟贼载平台完成了
合轴分枝树木可视化模拟系统的开发袁实现了形态
结构参数袁生长模型参数设置以及模型输出等功能袁
可以将生成的三维模型输出为援 曾 格式袁增强了与其
余三维软件的交互性遥 且通过选择不同的树木纹
理袁可以生成不同的合轴分枝树种三维模型遥
但是需要指出的是袁本研究没有考虑环境因素
和树木生理因素对树木生长的影响袁这也是目前树
木可视化研究的重点和难点袁因此本研究在这一方
面还有很大的探讨和研究空间袁以后的工作可考虑
树木生长与环境交互作用对合轴分枝树木的影响袁
进一步改进提高模拟效果遥 并且考虑到合轴分枝树
木形态结构的复杂性以及计算机运算能力的有限
性袁建立更加完善与通用的合轴分枝树木可视化模
拟系统也是本方向进一步研究的内容遥
参考文献院
咱员暂 赵春江袁陆声链袁郭新宇袁等援 数字植物及其技术体系探讨咱 允暂 援
中国农业科学袁圆园员园袁源猿渊员园冤院圆园圆猿 原 圆园猿园援
咱圆暂 胡宝国袁胡国宣援 植物学咱酝暂援 北京院中国农业出版社援 圆园园圆援
咱猿暂 阅藻 砸藻枣枣赠藻 孕袁耘凿藻造蚤灶 悦袁云则葬灶 燥灶 允袁藻贼 葬造援 孕造葬灶贼 皂燥凿藻造泽 枣葬蚤贼澡枣怎造 贼燥 遭燥鄄
贼葬灶蚤糟葬造 泽贼则怎糟贼怎则藻 葬灶凿 凿藻增藻造燥责皂藻灶贼咱悦暂援 杂陨郧郧砸粤孕匀 愿愿 孕则燥糟藻藻凿蚤灶早泽
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猿员渊猿冤院 猿缘苑 原 猿远愿援
咱远暂 卢康宁袁张怀清袁刘摇 闽袁等援 杉木单木生长可视化模拟系统设
计与实现咱允暂 援 林业科学研究袁圆园员圆袁圆缘渊圆冤院圆园苑 原 圆员员援
咱苑暂 吴摇 谦袁张怀清袁陈永富袁等援杉木形态三维可视化模拟技术研究
咱允暂 援 林业科学研究袁圆园员园袁圆猿渊员冤院缘怨 原 远源援
咱愿暂 雷相东袁常摇 敏袁陆元昌袁等援长白落叶松单木生长可视化系统设
计与实现咱允暂 援 计算机工程与应用袁圆园园远袁源圆渊员苑冤院员愿园 原 员愿猿援
咱怨暂 郧怎燥 再袁 蕴蚤 月 郧援 晕藻憎 葬凿增葬灶糟藻 蚤灶 增蚤则贼怎葬造 责造葬灶贼 则藻泽藻葬则糟澡咱允暂 援 悦澡蚤灶藻泽藻
杂糟蚤藻灶糟藻 月怎造造藻贼蚤灶袁圆园园员袁源远渊员员冤院愿愿愿 原 愿怨源援
咱员园暂 郧怎燥 再袁 酝葬 再 栽袁 在澡葬灶 在 郧袁 藻贼 葬造援 孕葬则葬皂藻贼藻则 燥责贼蚤皂蚤扎葬贼蚤燥灶 葬灶凿 枣蚤藻造凿
增葬造蚤凿葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 枣怎灶糟贼蚤燥灶葬造鄄泽贼则怎糟贼怎则葬造 皂燥凿藻造 郧砸耘耘蕴粤月 枣燥则 酝葬蚤扎藻
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咱员员暂 匀怎 月 郧袁 阅藻 砸藻枣枣赠藻 孕袁 在澡葬燥 载袁 藻贼 葬造援 郧则藻藻灶蕴葬遭院 葬 晕藻憎 皂藻贼澡燥凿燥鄄
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贼蚤燥灶泽袁 月藻蚤躁蚤灶早袁 悦澡蚤灶葬袁 圆园园猿院 圆员 原 猿缘援
咱员圆 暂唐丽玉袁陈崇成袁王钦敏袁等援 马尾松的形态结构分析与三维可
视化咱允暂 援系统仿真学报袁圆园园远袁员愿渊员冤院猿员缘 原 猿员愿援
咱员猿暂 月葬则灶泽造藻赠 酝 云袁阅藻皂噪燥 杂援 陨贼藻则葬贼藻凿 枣怎灶糟贼蚤燥灶 泽赠泽贼藻皂泽 葬灶凿 贼澡藻 早造燥遭葬造
糟燥灶泽贼则怎糟贼蚤燥灶 燥枣 枣则葬糟贼葬造泽 咱 悦 暂援 孕则燥糟 砸燥赠 杂燥糟 蕴燥灶凿燥灶袁 员怨愿缘院 圆源猿
原 圆苑缘援
咱员源暂孟宪宇援 测树学咱酝暂援 北京院中国林业出版社袁圆园园苑援
咱员缘暂郝小琴援林业科学与科学可视化咱 允暂 援 林业科学袁圆园园员袁猿苑渊远冤院
员园缘 原 员园愿援
猿猿苑