全 文 ：第 v|卷 第 v期
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林 业 科 学
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三维虚拟林相的制作技术研究
罗传文
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
关键词 } 虚拟现实 o虚拟林相 o林相图 oŠŒ≥ o图像处理
收稿日期 }ussu p sy p sy ∀
基金项目 }国家/十五0攻关课题kusst…„xts…2sz2sul ∀
ΣΤΥ∆ΙΕΣ ΟΝ ΤΗΕ ΧΟΝΣΤΡΥΧΤΙΟΝ ΟΦ3∆ ςΙΡΤΥΑΛ ΦΟΡΕΣΤ
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Κεψ ωορδσ} ∂¬µ·∏¤¯ µ¨¤¯¬·¼o∂¬µ·∏¤¯ ©²µ¨¶·oƒ²µ¨¶·°¤³oŠŒ≥ oŒ°¤ª¬±¨ ³µ²¦¨¶¶
虚拟现实k√¬µ·∏¤¯ µ¨¤¯¬·¼l又称为临境技术 o是一种具有很强的人 p机交互能力的现实模拟技术 ∀它
的基本特征是/临境感0和交互性k¬±·¨µ¤¦·¬√¨ l ∀ /临境感0是指虚拟的事物给用户有身临其境的感觉 ∀
/交互性0是指用户通过视觉或其它感官与计算机对话和操作 ∀
应用虚拟现实技术对森林进行模拟是林学家和生态学家的梦想 ∀国外一般使用林窗模型在时间轴
上对森林进行模拟k•∏±®¯¨ot|{t ~ • «¬·°²µ¨ ot|{| ~…∏ª°¤±±ousstl o林窗模型对森林的模拟是要素指标
模拟 o一般不产生很好的视觉效果 ∀倪强等kt||{l和周洪玉等kusssl应用多媒体和虚拟现实语言对建
筑结构进行模拟取得很好的可视效果 ∀李俊清等kusstl对欧洲水青冈k Φαγυσ σψλϖατιχαλql的构筑型进
行了研究 o为模拟植物体的形态发生过程垫定了基础 ∀本文结合图像处理技术和植物形态发生的理论
对地形和树木进行了模拟 o产生了较好的视觉效果 ∀
图 t 用规则分布表现人工林
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原则上讲 o数字林相图是对森林的一种较为
简化的模拟 ∀但迄今数字林相图从信息荷载的意
义上讲已经相当饱和 o它一直是森林信息的主要
表现手段 ∀数字林相图相对而言有如下缺点 }平
面特性 o虽然使用者可以通过等高线来理解森林
所在的地形 o但必须通过思维的分析转换过程 ~树
种用抽象的符号表示 o阅读者要看懂图必须先将
树种符号记住或一一对比 o不直观 ~在同一小班内
难以表现树种组成及宽间分布等信息 ∀
而虚拟林相则相对弥补了这些缺点 ∀虚拟林
相可以描述为 }直观 !准确 !交互地在计算机上模
拟大面积森林所在的地形 !树种组成 !树高 !起源 !分布等信息的过程 ~它由三维图像显示 !属性数据处理
和导航 v个部分组成k见图 t ∗ vl ∀从图中可见 o图的右上角有一个导航窗口用于显示虚拟区域的平面
图 o这样在近地面浏览时也不至于迷失方位 ∀所以虚拟林相具有如下的基本特点 }信息准确包含全部小
班数据库的数据 o并能提供查询手段 o能够方便地查询所见到的小班的全部属性k见图 ul ~图像直观性
所提供的图像能表现森林所在的地形 !树种组成 !树种分布 !树高 !龄组 !所在林班 !小班等信息 ~面积
大 一般以林场或林业局为基本单位 ~包含林相图的全部信息 虚拟林相的基础是林相图 o所以要能全
面地表现林相图的信息 o本研究将林相图单独做为一层来进行处理 ∀
图 u 林班和小班的各种信息一目了然
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本项研究综合地理信息系统和图像处理系统的优点 o最终在 ∞• ⁄„≥软件的平台上合成了虚拟林
相 o它与现实的森林林相已相当逼近 o它充分渲染了森林调查的成果 o是表现森林信息的很好的手段 ~但
是 o由于受计算机计算速度的限制 o还不能虚拟林下灌木和草本植物 ~随着计算机计算速度及算法水平
的提高 o虚拟林相将进一步虚拟林下植物而更直观地表现整个森林生态系统信息 ∀
t 研究对象与方法
本文的研究地区上甘岭林业局位于小兴安岭中部 o东经 tu{βuvχ ∗ tu|βtuχ o北纬 wzβxtχ ∗ w{βwwχ o属于
黑龙江省伊春林管局 o全局分布较为分散 o分为北部 !中部 !南部 v个空间上相对独立的部分 o全局划分
为 tv个林场 owss多个林班 o近 z sss个小班 ∀经过多年的过量采伐 o其地带性植被阔叶红松林已退化
为以白桦k Βετυλα πλατψπηλλαl !蒙古栎k Θυερχυσ µονγολιχαl !落叶松kΛαριξ γ µελινιl为主的次生林 o还有一定
数量的水曲柳k Φραξινυσ µανδσηυριχαl !胡桃楸kϑυγλανσ µανδσηυριχαl !黄波罗k Πηελλοδενδρον αµυρενσεl等珍
贵硬阔叶树种分布 o其次是红松k Πινυσ κοραιενσισl !樟子松k Πινυσ σψλϖεστρισl !云杉k Πιχεα ασπεραταl等k见图
tl ∀图 t表现了较为典型的人工林和次生林的林相 o右上为平面位置导航图 o导航图上用 u个红点代表
观察者所在位置和观察的目标位置 o它们之间的距离即是观察者与观察目标之间的距离 ∀
虚拟林相由三维图像显示 !属性数据处理和导航 v个部分组成 ∀虚拟林相的制作过程应用了 „µ¦Π
Œ±©²o„µ¦∂¬¨º o方正智绘 o∞• ⁄„≥Π∂¬µ·∏µ¤¯ Š¬¶o∂¬¶∏¤¯ ≤ nn等软件 o最终合成由 ∞• ⁄„≥软件完成 o需要经过
如下 ts个步骤 }数字林相图的制作 ~森林资源数据库标准化处理 ~等高线获取及高程数据输入 ~⁄∞ 模
型的建立 ~立体地形图的制作 ~数字林相图着色处理 ~立体地形图与数字林相图的配准 ~各树种的外观处
理 ~在虚拟林相中出现的每株树的位置处理 ~虚拟林相的合成 ∀
在本项研究中 o由上甘岭林业局提供调查数据 o黑龙江省第一林业调查规划院完成前 v步的数据处
理工作 ∀
在树种的处理过程中 o因为天然林和人工林中的同一树种在外形上没有差别 o所以在虚拟林相中很
难分辨天然林和人工林 o为此笔者以规则分布和随机分布格局来区别天然林和人工林 o这一点使虚拟林
szt 林 业 科 学 v|卷
相较为逼真k见图 tl ∀但是 o由于计算机运行速度的限制 o在小班中各树种的株数仅约为现实株数的
v h o而树高则约为现实树高的 x倍 o所以虚拟林相中每株树的尺寸与实际尺寸有较大差别 o这是权宜之
计 ∀这些参数的设定 o并没有建立准确的模型来相互约束 o而是根据视觉感受和计算机的可用资源来进
行调整 ∀从图 t上可见左下部为规划分布的人工红松林 o其它可见的小班为次生林 ∀用这种方法也有
缺点 o因为树种分布以小班为基本单位 o当一个小班较小或形状很不规则时 o随机分布与规则分布之间
也难以区别 o有关此类问题留待以后研究 ∀
对于树种图像只分了幼 !中 !成 v个龄组 o这和实际情况有较大误差 o为了更为真实地反应树种在不
同年龄的外形特征 o应分更多的年龄段进行模拟才能让树种外形有连续性 ∀
u 虚拟林相浏览与分析
u1t 北部区域 通过虚拟林相对整个上甘岭林业局的空中浏览可见 o该局北部区域地势平坦河流纵
横 o库尔滨河流过该区 o该区有很广的水泡和沼泽分布 o有明显的林区湿地特征 ∀在该区东面有一个千
山村 o已开垦了大面积的农地k见图 vl o该区湿地若不加保护 o经开垦定会丧失湿地生态系统的特征 ∀
林业局已向有关部门申请湿地保护区 o若得批准将为保护好该区的湿地生态系统提供有利条件 ∀
u1u 中部区域 中部区域海拔为 wys ∗ zss ° o多为缓坡 o主要由白桦 !云冷杉 !落叶松 !水曲柳等树种组
成 o该区域与上部和下部不同的是蒙古栎分布很少 o红松 !落叶松和云冷杉等针叶树比重较大 o是较为丰
富的后备资源 o但成熟资源较少 ∀
u1v 南部区域 汤旺河缠绕该区 o汤旺河以南地形复杂 o全局最高峰黑顶山海拨约 t sws ° o黑顶山周
围山体陡峭 ∀汤旺河以北 o地势较为平坦 o该区以白桦 !落叶松 !蒙古栎混交的次生林为主 ∀该区保留了
{ss «°u 以上的红松母树林 o共有 ts片分散保存了下来 o这是该局唯一幸存的地带性植被k见图 wl ∀
图 v 千山村附近
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图 w 仅存的阔叶红松林
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v 结论
虚拟林相所表达的地形 !树种组成 !起源和分布等信息较为完整和全面地反应了森林的现状 o若能
与 Š°≥集成将更会有实用价值 ∀虚拟林相在微机上运行主要受到运算速度的限制 o有待硬件水平的进
一步提高 ∀
参 考 文 献
倪 强 o唐家祥 q多媒体仿真与虚拟现实技术在建筑结构动态分析中的应用 q微型机与应用 ot||{ otskxl }| p tw
周洪玉 o王慧英 o周 岩 q虚拟现实及应用研究 q哈尔滨理工大学学报 ousss oxkwl }w| p xt
李俊清 o臧润国 o蒋有绪 q欧洲水青冈k Φαγυσσψλϖατιχαλql构筑型与形态多样性研究 q生态学报 ousst outktl }txt p txx
冯仲科 o余新晓 q/ v≥0技术及其应用 q北京 }中国林业出版社 ousss }uxv p uz{
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