全 文 ：第 wu卷 第 ts期
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林 业 科 学
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森林景观的计算机建模与可视化研究进展
唐丽玉 陈崇成 权 兵
k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 vxsssul
摘 要 } 从单棵树的建模 !森林场景的绘制技术 !森林生长模型分类与特点以及典型的虚拟森林景观系统等几个
方面 o对森林景观生态的计算机建模和图形可视化研究现状与发展趋势进行综述 o就该领域的发展趋势和未来需
要解决的关键问题进行总结 ∀
关键词 } 森林景观 ~虚拟现实 ~几何建模 ~绘制 ~综述
中图分类号 }≥zt{1x ~×°v|t 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylts p sts| p s{
收稿日期 }ussx p sv p vt ∀
基金项目 }国家重大基础研究计划k|zvl前期研究专项kussu≤≤≤st|ssl和省教育厅重点项目kŽswssvl ∀
Αδϖανχεσιν Φορεστ Λανδσχαπε. σ Χοµ πυτερ Μοδελινγ ανδ ςισυαλιζατιον
פ±ª¬¼∏ ≤«¨ ± ≤«²±ª¦«¨ ±ª ±∏¤± …¬±ª
k ΚεψΛαβορατορψοφ ∆ατα Μινινγ ανδ Ινφορµατιον Σηαρινγ οφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον Σπατιαλ
Ινφορµατιον Ρεσεαρχη Χεντερo Φυζηου Υνιϖερσιτψ Φυζηου vxsssul
Αβστραχτ } ≤²°³∏·¨µ°²§¨ ¬¯±ª¤±§√¬¶∏¤¯¬½¤·¬²±²©©²µ¨¶·¯¤±§¶¦¤³¨ µ¨¦¨±·¯¼ ¥¨¦²°¨ ¶¤«²··²³¬¦oº«²¶¨ ¶·∏§¼¦¤± ¥¨ ±¨ ©¬·¶∏¦«
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近 ts年来 o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 o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
k陈彦云等 ousss ~郝小琴 ousstl ∀人们已不再满足于用简单的几何图形k如圆锥体l表达生态景观中树木k含
草本植物l的分布 o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k或仿真l o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 o以及景观和花园的计算机辅助设计等k⁄¨ ∏¶¶¨± ετ αλqot||{ oussu ~°µ∏¶¬±®¬¨º¬¦½oussw¥~ ∏«¤µousstl o甚
至进行植物病虫害的管理k • ¬¯¶²± ετ αλqot||{l o最终生成自然客体的真实感模型 o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k˜∏¶¬·¤¯² ετ αλqousstl ∀
本文从单棵树木的建模 !森林场景的绘制技术 !林分及森林景观系统等几个方面 o对森林景观生态的计
算机建模和图形可视化研究现状与发展趋势进行综述 ∀
t 树木的建模技术
树木或植物种类繁多 !几何形态与结构高度复杂且差异悬殊 o是自然景观可视化中最难建模与表达的要
素 ∀在自然资源管理领域 o树木的可视化建模主要采用 v种主流技术 }tl基于多面体的建模技术 ~ul基于图
像的真实感建模技术 ~vl基于过程建模技术 ∀
各种技术各有优缺点 o也各有适用范围k场景远近和树种类型lk陈彦云等 ousssl }基于多面体可以与森
林资源清查数据相支持 o且数据量较小 o绘制速度较快 o但通常无法表达树木外表及场景的外观细节 o真实感
较差 ~基于图像建模将森林看作一个整体而不强调树木差异 o以追求逼真效果 o难于说明底层的树木数据间
的紧密关系 ~基于过程建模可以与植物生理学和形态学相结合 o也可以与森林资源的清查数据相结合 o但数
据量较大 o适于近景绘制 ∀
111 基于多面体的建模方法
基于多面体的建模方法侧重描述树木几何形态结构 o通过设定相关参数利用有限个数的几何图元k如多
边形 !线段l来完成对植物外观模型的构造 ∀相对于其他方法 o在确定参数时对生物和林学方面的知识要求
较少 ∀如 • ¥¨¨µ等kt||xl提出了参数化过程建模 o从整体几何形态 !结构出发 o提出了经典的基于几何要素
的三维植物构造模型 o用若干参数对树木造型进行控制 ∀ ⁄¨ ∏¶¶¨±等kt||{l围绕一套工具流水线开发一个开
放体系结构的自然景观建模与绘制系统及其算法 o其中地形设计采用各个交互式编辑器 o植物的分布可以随
手或基于生态系统建模法或两者的结合 o给定单棵树参数化过程模型 ∀陈彦云等kusssl分别采用多边形 !纹
元k·¨¬¨ l¯ !体纹理k√²¯∏°¨ ·µ¬¦·¨¬·∏µ¨l作为工具来构造不同的植物 ∀
为了让生成的树木在近距离观察时具有自然分枝过渡的模式 o在每一尺度上拥有丰富的细节 o结果图象
比例匀称自然 o几何模型需要有大量且复杂的参数空间 ∀ ¤¬¨µ«²©¨µ等kussul 提出了一种直接从植物相片中
半自动提取植物模型参数 o以简化真实感树叶和分枝形态 o其具体做法是直接指定可观察分枝长度和角度取
代大量参数的人工定义 ∀ ¯∏¦«等kusstl提出利用单一的多边形网格进行树木分支结构的建模 ∀树皮是树
木成长和组织分化的结果 o树皮的合成是林木局部建模的重要部分 o但在技术处理上存在较多困难 o如采用
纹理贴图表达树皮在近距离观察时难于得到真实感效果 o出现分枝部分纹理不连续 !表皮特征难于控制等现
象 ∀ ¨©¨ ¥√µ¨等kussul认为开发一个完美的树皮模拟器不切合实际 o因为这不利于使用者随时根据需要调整
各种参数而改变树皮外表 ∀与树皮建模有关的模型包括基于过程纹理贴图建模和物理模拟 u个部分 ∀过程
技术局限于特定的树种和需要很多的参数调整才能得到满意的效果 ∀ …¯²²°¨ ±·«¤¯kt|{xl采用树皮样本的 ÷
光线图像产生树皮的隆块图斑纹理 ~而物理模拟法主要集中在枝皮的开裂k©µ¤¦·∏µ¨l构造上 ∀此方面有较多
的研究成果 o如 ƒ §¨¨µ¯等kt||yl用一个 °¤¶¶p¶³µ¬±ª网络贴到树面生成树皮 ∀ • ¤±ª等kussvl将具有中尺度结
构特征的树皮真实感建模为研究任务 o在分析树皮外表的复杂性导致建模困难基础上 o提出了从单一图像来
源 !基于外表模样法进行树皮表面建模的框架 o并将其总结为特征定义 !高度场分配和纹理校正等 v个问题 ∀
¨©¨ ¥√µ¨等kussul认为由于各种树皮特征k如硬皮 !皮裂 !皱纹等l延伸长 !原始表皮具有一定的保持特性 o以
及树皮表面随树枝年龄变化但各个部分具有连续性等原因 o传统的纹理贴图方法难于模拟树皮外表 ~在分析
有关树生长和树皮建模相关机理基础上 o提出了一个基于裂纹模拟的树皮生成模型 ∀该模型不仅能实时交
互 !参数化 o而且模拟的树皮具有随时间变化和各个部位的连续性 ∀
112 树木的过程建模
¬±§¨±°¤¼¨ µkt|y{l从生物学意义上提出了一个基于一组规则的植物形态特征造型符号复写系统k即 
系统l o并在后来的树木和植物的过程建模中得到广泛应用 ∀如林木的形态结构和成长的精确重构 !揭示结
构参数如何影响林木的形态 !研究管理行为和外界条件对植物成长的影响等k°µ∏¶¬±®¬¨º¬¦½oussw¤l ∀在
°µ∏¶¬±®¬¨º¬¦½等学者的努力下 o先后提出了能定性反映环境变化的表格 系统 !定量反映环境影响的参数化
系统 !强调局部影响的环境敏感性 系统 !能处理植被 p环境双向相互作用的开放式 系统k°µ∏¶¬±®¬¨º¬¦½
ετ αλqot|{{ ~t||s ~usst ~°µ∏¶¬±®¬¨º¬¦½oussw¤~ussw¥l o以及在 系统模型中集成了能提高真实感的 v个表
达要素k树干和叶子的伸长姿态 !特征渐变和绘制过程粗细级数l ∀除了 系统模型采用各种参数控制植物
形态外 o还有些学者开发了可定制的过程植物模型 o以便提供更直观的参数和更方便控制模型 o如根据 ⁄¨
• ©¨©¼¨ 等kt|{{l提出的过程模型开发的系统 „„°∀
基于规则和基于多面体的对象实例化方法主要差别在结构信息的表达方式上 o前者使用原型图链而后
者由衍生要素的参数规定 ∀近年来的发展趋势是 }将上述 u种建模途径有机结合 o实现在形态学上逼真而又
遵守植物生长规则原理的通用建模方法k¬±·¨µ°¤±± ετ αλqot|||l ∀如 ƒ²∏µ±¬¨µ等kt||{l将基于 系统的软件
系统与局地微气候模型集成实现枫树生长的三维模拟 ∀
粒子系统的建模算法由 • ¨¨ √¨ ¶等kt|{xl提出 o最初用于构造森林和草地的美丽景象 o后应用到爬行植物
的行为模拟上 ∀从粗到精的多层次场景粒子系统建模的四步法k数字地形生成 !地形之上的植被的交互式或
stt 林 业 科 学 wu卷
过程式铺设 !林木的建模以及模型的绘制l已成为通用途径k≤«¬¥¤ ετ αλqot||zl ∀实现粒子系统另一途径是
„„°法 ∀ „„°法由 ⁄¨ • ©¨©¼¨ 等kt||xl详细描述 ∀ „„°系统中 o基于 us多种植物结构的基本模型库 o某
一种特定植物可选用其中的基本模型进行结构定量化和客户化 ∀同时 o植物的生长具有一定的随机性 o如某
个位置的侧芽是否产生分枝 !分枝的类型与出现的时间等 o该系统应用概率分布和随机过程理论可描述其规
律 ∀ „„°模型适用于模拟高大植物k如各种类型的树l o已实现了对从热带到温带不同气候带生长的植物
的模拟 o此外还有 ˜·²²¯ 和 ˜√¬¨º侧重于分析 ∀与此类似 o≤«¬¥¤等kt||yl提出的粒子系统则重点在于解决植
物与光线 !剪枝之间的交互效应 ∀基于多分辨或分级参数控制机制 o…²∏§²±等kussvl提出了一个基于/多尺
度树图或分解图0进行植物建模操作的方法 ∀ ’³³¨ ±«¨¬°¨ µkt|{yl利用分形几何的自相似原理 o利用分叉角 !
枝条与母体长度之比等参数建立了植物和树木的分形生成模型 ∀孙敏等kussul将树的分形模型与其图像替
代模型结合 o解决了树木的三维可视化研究 ∀
113 基于图像的树木建模
将基于图像的建模与绘制技术应用于森林场景的建模与可视化是近年来林业 !景观生态学与图形学等
交叉融合的最新成果 o为高度真实感k逼真得如相片一样l的树木绘制提供了一种替代方案 ∀基于图像的森
林场景建模与绘制算法也多数采用通用的算法 o少部分是面向植物或森林专用的算法 ∀实际上 o基于图像的
树木建模是根据一定的算法 o利用少量典型的 !具有高度真实感的场景相片生成任意视点处观察的整个场
景 o关键是如何提高场景的绘制速度 ∀ ¤¬等kt||yl提出了基于图像的建模方法 o一种在预先计算不同视点
的树木之间内插的算法 ∀宋铁英kt||{l利用计算机图形与图像相结合的方法 o提出一种基于图像的林分三
维可视模型 ∀
¯∏¦«等kusswl将树干和树枝采用多边形建模 o而叶子采用图像方式建模 o在叶子与树木相比很小时效
果特别好 o其中树的绘制采用随视点距离改变的多分辨率模型 o最粗的 ’⁄k层次细节模型l取整棵树的所有
叶子包括的框 o最细的 ’⁄由一组纹理贴的多边形大小 o一片叶子一个多边形 ∀刘彦宏等kussul实现了一
个从双视点图像来重建无叶树木三维模型系统 ∀
u 森林场景的绘制
树木或植物建模理论和方法已有大量研究 o而实时绘制方面目前还是个待解决的问题k• °¨²¯¤µετ αλqo
ussul o特别是大场景 !大数据量森林景观的实时绘制 ∀
传统的树木和森林场景绘制方法主要采用基于多面体的绘制方法 o而近年来涌现的基于图像的 !体纹理
绘制方法是解决大场景或大数据量的更有效的途径 ∀与此同时 o不少学者也提出相应的加速绘制和增强绘
制效果的处理技术 ∀各种植被 o特别是自然森林场景格外复杂 o大多数快速绘制方法失效或得到的可视化效
果不尽人意 o在自然场景生成应用中植物往往做近似处理 !真实性比其他要素相差甚远 o要么干脆忽略 ∀
¤±·¯¨µ等kussvl根据基本绘制图元进行各种真实感植被实时绘制算法划分 o并对比分析了各种绘制算法的
适用对象k枝条和叶l !优缺点以及性能 ∀
211 绘制技术
u1t1t 基于多面体的绘制 利用简单的几何要素k如圆锥体l表达树木是传统的绘制技术 o最初可以说只是
象征性的表示树木分布 o由于当时计算机性能限制绘制的速度 ∀ ’³³¨ ±«¨¬°¨ µkt|{yl用多棱柱绘制粗大的树
干 o用线代表细的树干 ∀ • ¥¨¨µ等kt||xl提出类似的方法 o用线代表柱状的树枝 o用点代表树叶 o甚至省略 o以
达到简化模型的目的 ∀ ¤µ¶«¤¯¯等kt||zl的多分辨率表达是将大对象的多边形表达与次要部位四面体近似
表达相结合 ∀
在建好的几何模型表面贴上树纹理是实现树木绘制走向真实感 !实时的一种最常用的方法 ∀简单易行
的方法就是将树图像纹理贴到 u个十字交叉矩形面上 o并实现漫游过程正对观察者 o其中最常用是采用单个
矩形面的广告版k¥¬¯¯¥²¤µ§¶l技术k• °¨²¯¤µετ αλqoussul o而更多的应用是采用基于图像的绘制技术 ∀另外 o一
些改进的绘制途径 o如动态纹理替换k¬°³²¶·²µ¶l和 ≥³µ¬·¨¶法 o能处理拥有大量多边形数的场景实时绘制 ∀动
态纹理替换方法利用帧间相关性可以减少相当数量的多边形绘制 o图像在没有超过指定的容限时可以在多
帧之间重复使用 ∀
高度分叉植物结构与其他诸如房子 !街道等人造地理对象很不一样 o后者只要有限个数的连接面就可实
ttt 第 ts期 唐丽玉等 }森林景观的计算机建模与可视化研究进展
现 o而植被通常由很多细小且相互孤立的面才能构成k⁄¨ ∏¶¶¨± ετ αλqoussul o并且有时呈现高度的稀疏性 o传
统的层次细节 ’⁄模式难于奏效 ∀为解决该问题 o不少人提出基于点绘制技术或者两者结合k≤²«¨ ± ετ αλqo
usstl o并在相关领域有着较多成功应用 ∀基于点的绘制有许多成功的应用例子 o但该法用于树木绘制时需
要处理节点几何变换 o绘制时间比多边形充填慢 us 倍 o此外该方法弱点还体现在距离适应性方面
k⁄¤¦«¶¥¤¦«¨µετ αλqoussvl ∀ • ¨¨ √¨ ¶等kt|{xl提出的粒子系统虽然不是实时 o但其过程绘制众多简单基本图元
的思想已用于植被绘制 o单木的粒子模型过程化生成 o依次绘制 o内存占用只决定于单棵数的粒子树 ∀
u1t1u 基于图像的绘制 传统的图形绘制技术均是面向场景几何模型的 o因而绘制过程涉及到复杂的消隐
和光亮度计算过程 o但对于像森林景观这样高度复杂的野外场景 o现有的计算机硬件仍然无法实时绘制简化
后的几何场景 ∀基于图像的绘制kŒ…• l技术是一种提高绘制效率的有效途径 o因为绘制时间复杂度和内存开
销不受实体复杂度的影响 o只受结果分辨率控制 o因此很适合于像树木和植物这样复杂对象的绘制k¤±·¯¨µ
ετ αλqoussvl ∀
¤¬kt||xl提出一种预处理的 Ζ p缓冲视点法进行树木的图像绘制 ∀绘制过程中任一个视点的图像得
于对预先计算好的树的 Ζ p缓冲器的插值 ∀ Ζ p缓冲器呈多层 o记录着每个像素的色彩 !法矢量和 Ζ值 o因
没有阴影信息 o特别耗时 ∀¤®∏¯¬±kusssl采用切片和缝合的绘制法 o通过退化不直接正对视点的广告牌
k¥¬¯¯¥²¤µ§¶l来消除明显的人工痕迹 ∀采用纹理贴图的方式控制树冠的颜色和透明度也是一种场景绘制的策
略 ∀  ¼¨¨ µ等kusstl在开发基于图像绘制系统时 o提出了一个绘制具有复杂效应k如暗淡 !阴影等l的树绘制
框架 ∀¬°等kussvl利用虚拟现实建模语言k∂ • l o基于仿真二维图像 o实现 ts万棵树以上规模的森林场
景的实时绘制 ∀
≥¤®¤ª∏¦«¬kt|||l基于 Œ…• 技术 o采用自上而下方法确定树形态和分枝结构实现树的建模以适应于外力
作用下k如风和人干预l的序列模拟 ∀同时他指出了图像绘制法的缺点是 }虽然能产生极其逼真的视觉 o但也
存在诸如缺乏数据 o因原始图像导致产生的图像不连续 o也难于更新原始图像等缺陷 ∀
u1t1v 体纹理绘制方法 体纹理方法是采用三维数据集作为纹理模式将一个三维纹理贴到树表面上 ∀
Ž¤­¬¼¤等kt|{|l表达毛皮时提出体纹理做以克服纹理贴图多边形缺陷 o体纹理特别适用于有连续植被覆盖的
景观中 o而后适用于硬件绘制 ∀针对传统几何方法绘制高度复杂场景时遇到大量的细小图元造成效率低下 o
易产生高频信号导致走样现象 o‘¨¼µ¨·kt||{l开展了体纹理绘制新方法研究 o其中三维纹理帖图与几何网格
剖分分别进行 o纹理模式可以是任意形状 o绘制时某个体纹理只存在某个面的附近 o参考体所包含的实例k纹
元 o·¨¬¨ l¯通过空间变形实现不断重复出现 ∀ ⁄¨ ¦¤∏§¬±等kusswl在实时绘制茂密的森林场景时 o采用一组边缘
一致的棱柱体形成的体纹理表达树木 o并将 u种切片方法结合实现实时绘制 ∀
212 绘制的优化技术
由于精细地表达自然森林场景的几何数据容量大大超过计算机处理能力 o因此需要认真考虑 ≤°˜时
间 !内存和磁盘空间等资源的合理分配 ∀以往实现的各种方法 o均是在自然场景真实感程度与资源消耗之间
的一种平衡选择k⁄¨ ¦∏¶¶¨± ετ αλqot||{l ∀在硬件条件受限情况下 o如何采用合适的加速绘制和增强绘制效果
的技术便成为众多学者研究的对象k⁄¨ ¦∏¶¶¨± ετ αλqoussul ∀这些技术方法中主要有新型绘制算法 !多分辨
率方法 !动态纹理替换 !类对象实例化 !空间索引与剖分方法 o以及提高绘制过程的人 p机实时交互性能或者
它们的有机结合 ∀
u1u1t 新型绘制算法或组合 ¤¬等kt|||l将层次树模型与图像绘制方法相结合加速硬件绘制速度 ∀具体
做法是利用标准的 Ζ缓冲硬件预先计算多层深度图像k包含色彩和法向信息l o绘制时层次取代不同部分的
树木 ∀¤®∏¯¬±kusssl成功地将传统的多边形绘制方法k用于树干和树枝l与基于图像绘制方法k用于表达树
冠l相结合 o通过切片和合并机制实现交互式植被的绘制 ∀针对树叶的真实感实时绘制问题 o¯∏¦«等kusswl
提出了基于 系统预处理生成的层次图像 o将参数信息存储在一个纹理数据树结构中 ∀ ±¬±等kussvl 提出
了一种不同光照条件下相片级真实感树的快速绘制方法 o其通过利用 u⁄缓冲器组合将三维模型转换成拟
p v⁄数据库实现树几何和颜色深浅的配准 ∀
u1u1u 多分辨率模型 树木的真实感建模研究已比较深入 o但实现巨大数量的多边形表达的实时绘制实际
上是不可能的 ∀这些交互式场景绘制的制约因素在于大量的几何体处理效率问题k‹¤µ·ετ αλqot||yl ∀建立
树木的多分辨率模型k层次细节模型 o’⁄l o突出重要而忽略次要细节也是解决树木实时绘制的另一有效途
utt 林 业 科 学 wu卷
径 o研究如何用相对少量的点和线原始要素来实时逼真地绘制复杂户外场景k⁄¨ ¦∏¶¶¨± ετ αλqoussul ∀
’⁄法有静态与动态之分 ∀前者是通过几组离散的表达来存储林木对象 o后者则对几何体生成进行更
为精细的控制 ∀静态方法 o最简单的方法就是使用广告牌k¥¬¯¯¥²¤µ§¶lk缺点是模型均采用二维表达 o缺少不
同细节l o还有离散的多分辨率 ’⁄方法≈缺点是占用存储空间大 o采用缝合技术 ¥¯ ±¨§¬±ª·¨¦«±¬´∏¨ 实现不连
续过度  ∀
• ¥¨¨µ等kt||xl开发了一个专门用于树表达的启发式多分辨率模型 ∀ ¯∏¦«等kusswl在处理树叶的真实
感实时绘制时 o采用树体轮廓内 y片纹理按对角排列和 Α缝合法 o以克服不同级 ’⁄过渡时出现纹理/突
变0或不平滑现象 ∀为了解决常规多分辨率简化绘制模型难于保持树木特性的不足 o基于参数化 系统 o
¯∏¦«等kusstl提出了一个带有分辨率参数符号链机制的过程多分辨率绘制新模型实现树木几何简化和结
构可视表达 ∀他们主要针对树枝建立 ’⁄¶o而未对树叶处理 ∀ • °¨²¯¤µ等kussul提出树叶的简化算法 o通过
迭代折叠不断得到新的树叶 ∀为克服各种方法不能实时地随着摄像机取景的不同而简化场景几何 o针对传
统的视点独立的离线简化的算法无法用于树叶的表达 o• °¨²¯¤µ等kussvl提出了视点依赖k√¬¨ºp§¨ ³¨ ±§¨±·l的
多分辨率模型 ∀
u1u1v 动态纹理模型 °¨ µ¥¨µ·等kusstl开发了一种基于纹理替换k¬°³²¶·²µ¶l !虚拟草地的高效绘制和动画
漫游方法 ∀光滑物体的动态 ’⁄表达研究自 t||y年来开始 o用于地形的绘制始于 ⁄∏¦«¤¬±¨ ¤∏等kt||zl的工
作 ∀由于叶子的离散结构 o绘制过程中边缘破坏k §¨ª¨ ¦²¯ ¤¯³¶¨¶l只能允许在很小范围内 o故不能用该法 ∀
¯∏¦«等kusswl指出加速树木绘制的最常用方法是采用纹理替换 o其用一个或多个带有纹理的多边形取代树
或树的某个部位 ∀有 u类纹理替换 }广告牌是将一个图像纹理贴到一个多边形上 ~另一类是采用贴有透明纹
理的相互垂直的 u个多边形 ∀采用这 u种方法的缺点是近距离观察时失去真实感 ∀
u1u1w 实例化 类对象的实例化也是一个有效的加速绘制措施 ∀场景中多次使用的对象只需定义一次 o以
后便可经过仿射变换调整大小和变形处理达到多次出现k实例l ∀场景通过/近似实例化0方法实现降低几何
复杂性 o其中植物群组 !单棵植物 !植物器官均可看成森森景观的不同层次实例k⁄¨ ∏¶¶¨± ετ αλqot||{l ∀由于
表达变换所需要的空间很小 o因此整个场景占用的空间主要取决于不同对象类型的数量和复杂性 o而不是实
例数量 ∀
u1u1x 分块管理与实时调度 • ¨¨ √¨ ¶等kt|{xl采用结构化的粒子系统 o其中单树的粒子模型按过程顺序依
次生成 o每一模型绘制完整后即时放弃 o场景生成所需要的内存取决于单棵树占有的粒子数而不是场景中所
有的粒子数 ∀该方法需要进行近似阴影k¤³³µ²¬¬°¤·¨ ¶«¤§¬±ªl计算 o这样也可减少绘制所需要的时间 ∀
‹¤°°¨ ¶kusstl提出了将场景要素分层和四叉树结构绘制方法实现地形上植物位置生成以实现场景的快速绘
制并保证变化多样 ∀在解决植物整体表达机制基础上 o⁄¨ ∏¶¶¨±等kussul又进行复杂大对象的空间八叉树划
分和小植被群组合绘制等方法实现场景真实感绘制时的优化 ∀
213 交互绘制
实时绘制的交互是植物可视化建模一个突出问题k⁄¨ • ©¨©¼¨ ετ αλqot||x ~ j¦« ετ αλqot||yl ∀因早期基
于分形的植被建模技术无法解决植物 p环境交互行为模拟问题 o绘制过程的实时才逐渐为人们所重视 ∀根
据植被 p环境系统的信息流特点 o可将交互及其对应的模型分为 v类 }tl环境因素全局影响如白昼长短对花
期的控制和日气温极值对生长速率的调节 ~ul环境的局部影响 o如障碍物对草地扩展控制 !树根生长导向 !爬
行类植物支持 !植物分枝修剪带来的表面效应 ~vl环境 p植物在空间 !水和养分 !光等方面表现的双向作用 ∀
因需要对环境和植物进行完整的描述 o上述对应的第三类模型最难描述 !实现和表达 o生物学行业研究仅限
于个别种类植物 o计算机图形学行业虽使用了很多真实感表达的先进技术 o但也很少顾及各类植物拥有的生
物学机制的再现 ∀
j¦«等kt||yl提出了植物 p环境双向交互的建模和可视化通用框架k软件l o并示范性地实现了枝条相
互挤压 !繁殖蔓延 !树冠相互争夺日光等效应 ∀ ⁄¨ ∏¶¶¨±等kussul提出了一种交互式户外大场景绘制方法 o主
要贡献在于模型数据的预处理方法k线 o如细长的叶子和树干 !点Π面 o如更多紧凑对象l !采用基于点和线层
次细节方法的高效绘制算法k混合表达法l ∀ Š∏¨µµ¤½等kussvl在解决风对植被作用 !运动物体对草地踏压效
应基础上 o以一群虚拟人在游玩草地的漫步为例提出了交互式生动模拟自然景观的过程方法 ∀¬±·¨µ°¤±±等
kt|||l将传统的几何造型技术与基于规则的方法结合起来 o提出了一种交互式植物建模方法 ∀在国内 o潘云
vtt 第 ts期 唐丽玉等 }森林景观的计算机建模与可视化研究进展
鹤等kusstl提出一个基于树木交互变形处理的树木三维建模方法 o以用于表达树枝增删 !弯曲 !伸缩 !旋转以
及整体美学控制效果 ∀
v 虚拟森林景观系统
us世纪 |s年代以来 o随着虚拟现实技术 !计算机图形学 !地理信息系统的发展 o世界上面向森林或植物
建模与绘制的软件或工具不下 us种 o主要分布在美国 !法国 !德国 !日本 !澳大利亚等发达国家 o国内的相关
工作未形成稳定的系统k°¨ µµ¬± ετ αλqousstl ∀各系统的功能和支撑平台 !应用范围均差异很大 o有的是通用
的模型生成与绘制工具k如 ’±¼¬×µ¨¨!≥³¨ §¨×µ¨¨!∂¬µ·∏¤¯ °¯¤±·¶!÷©µ²ªl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k„„° !∂¤±·¤ª¨ ³²¬±·!⁄¬ª¬·¤¯ ¤±§¶¦¤³¨ !2≥·∏§¬¤²Π∂¬µ·∏¤¯ ¤¥q!≥°¤µ·ƒ²µ¨¶·!≥Π≥∂≥Π
∞±√¬¶¬²±等l o具有植物或森林生长模拟 !景观生态分析与规划评价 !信息管理与维护等功能 ∀
建模方法及其绘制上 o主流的树木建模和虚拟景观系统基本上还是采用传统的几何面或基于过程k规
则l的建模方法 o纹理映射的绘制技术 o但对于大场景还无法达到实时绘制 ∀个别软件还保留用简单图形的
非真实感技术表示树木的痕迹 o而具有高度真实感的 !基于图像或体纹理建模和绘制新技术虽在较多的文献
中已论述但尚未体现在成熟的软件中 ∀ ≥°¤µ·ƒ²µ¨¶·k’µ¯¤±§ot||wl系统的经营管理模式 o树木是用简单的规
则几何面表示 o而地面用不同颜色来表达不同的林分 o以实现快速 !高效查询和分析林分和树木的特征 ∀景
观模式中 o树木和地面则是用二维图像纹理映射到复杂的对象几何面上 o该模式构建的森林真实感强 ∀目前
绘制速度与真实感两者兼顾的要数 …¬²±¤·¬¦¶k„„°的发展版l o绘制速度可达数亿个多边形数据量的实时绘
制 ∀
用途上 o„„° !≥已具有单木 !林分 !场景 v个尺度的建模与可视化 o同时可与 ŠŒ≥数据和森林资源的
二类调查数据相结合 o具有林分生长模拟的功能 ∀此外 o∂¤±·¤ª¨ ³²¬±·具有单木和场景的建模与可视化 o基于
ŠŒ≥数据和林业调查数据建模 ~三维场景中可增加文化特征数据 o模型可以分层管理 ∀以上的系统较符合林
业科学研究人员和林业决策管理者等用户需求 o基本都具有经营管理 !景观规划 !设计的辅助决策功能 ∀而
’±¼¬×µ¨¨!≥³¨ §¨×µ¨¨!∂¬µ·∏¤¯ °¯¤±·¶!÷©µ²ª偏图形学方面 o注重树木的逼真性 o主要用于游戏 !动画 !电影制作 ∀
系统集成能力上 o一种发展趋势是建模和景观系统与主流的图形或图像处理耦合形成可扩展或定制的
专门组件 o增强系统的数据或平台应用范围 o如 „„°提供了 „∏·²≤„⁄! „≠„ !v⁄ ¤¬!Œ°¤ª¬¶!ŠŒ≥等产品的
集成 ~另一发展方向 o系统提供与 ŠŒ≥的集成 o以实现空间分析和森林资源信息的查询与连接 ∀ ∂¤±·¤ª¨ ³²¬±·
系统的数据源主要有 ŠŒ≥中的线状 !面状图 o如道路 !水系 !林相图等 ∀这些文化特征数据加在 v2⁄地形上 o
林班分布界线可以用/墙0表示 ∀单林分的信息由树种 !密度 !树木尺寸构成 o从而生成三维景观 o具有经营管
理的功能 o能进行交互式的规划 o如间伐 o同时能用三维加以表达 ∀ „„° !≥等系统或工具可以实现与
ŠŒ≥软件的松散集成 o实现各种森林资源数据的空间分析和规划 ∀在国内 o罗传文kussvl开展了基于现有三
维遥感软件系统 o集成林相图数据管理 o实现了三维林分的展示和再现 ∀
w 结论与展望
森林景观的计算机建模与可视化研究的目标是构建虚拟森林三维空间 o实现反演过去 !再现现实 !预测
未来的森林动态生长变化过程 o实现具有沉浸感 !交互式森林经营 !管理 !规划等 ∀在不断完善和引进先进树
木建模和林分场景绘制算法的同时 o未来几年的研究与开发重点将集中在 }
tl 发展基于图像的树木建模与林分场景高度真实感实时绘制算法 o研究加速绘制和增强绘制效果 !场
景优化管理的技术 o并实现在成熟或商业的软件工具或系统中得到体现 ∀现有模型与新近出现的肌体组织
和分子级模型结合推动建模方法发展 o导致对植物生长机制从基因到景观全面深入理解 ∀
ul 采用新型体系结构和群体决策模式 ∀传统孤立的工作方式 !以单一媒体进行交互的方式已远远无法
满足信息时代人们要求 o需要基于崭新的体系结构 o建立协同虚拟森林景观或环境 o人与人之间合作 !信息交
流及共享 !协同决策 ∀
vl 与地理信息系统 !数据库管理系统紧密结合 o实现虚拟现实与信息管理一体化 o系统往实用化 !业务
化发展 o用户交互界面更加友好 ∀遥感 !ŠŒ≥ !Š°≥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
wtt 林 业 科 学 wu卷
据 ∀
wl 虚拟森林环境还应与面向区域 !典型树种的森林生长模型等模拟计算结果紧密结合起来 o才有助于
在更大的空间尺度上预测和模拟森林生长全过程 ∀用真实感强的三维几何树模型表达 !并实现实时地绘制
森林 o为管理者们提供一个实实在在的森林环境 o从而才能让他们走入不同生长阶段下的虚拟森林环境 o这
也是森林经营资源管理对虚拟森林环境的需求 ∀
参 考 文 献
陈彦云 o林 珲 o孙汉秋 o等 qusss q高度复杂植物场景的构造和真实感绘制 q计算机学报 ouvk|l }|tz p |ux
郝小琴 qusst q林业科学与可视化 q林业科学 ovzkyl }tsx p ts|
刘彦宏 o王洪斌 o杜 威 o等 qussu q基于图象的树类物体的三维重建 q计算机学报 ouxk|l }|vs p |vx
罗传文 qussv q三维虚拟林相的制作技术研究 q林业科学 ov|kvl }ty| p tzt
潘云鹤 o毛卫强 qusst q基于交互变形的树木三维建模研究 q计算机辅助设计与图形学学报 otvkttl }tsvx p tswv
宋铁英 qt||{ q一种基于图像的林分三维可视模型 q北京林业大学学报 ouskwl }|v p |{
孙 敏 o马蔼乃 o薛 勇 qussu q树模型的三维可视化研究 q遥感学报 oykvl }t{{ p t|v
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