焦 祥，鄭加強(qiáng)，張慧春，蘇朦朦

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

林木虛擬生長建模方法及建模工具研究綜述和展望

焦 祥，鄭加強(qiáng)，張慧春，蘇朦朦

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)受到樹種或林木個體的遺傳因素（激素信號、養(yǎng)分競爭等）和立地條件、經(jīng)營措施以及林木的競爭狀態(tài)（光照分布、溫濕度、農(nóng)藝措施等）的影響，因此，掌握各種因子影響林木生長過程的機(jī)制對于林業(yè)生產(chǎn)和精準(zhǔn)林業(yè)研究與實踐非常重要，但如果實時地對實際林木進(jìn)行生長過程影響因子研究，則存在很大的時空局限性和很高的測試成本，因而采用虛擬技術(shù)開展林木生長過程研究引起國內(nèi)外的高度關(guān)注。系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外開展林木虛擬生長研究的7種建模方法和10種建模工具，然后提出基于林木虛擬動態(tài)生長模擬的 “林木云”研究展望和基于計算機(jī)視覺系統(tǒng)的林木三維建模方法及相關(guān)建模工具的研究建議，并分析了林木4D虛擬動態(tài)生長模型等，從而促進(jìn)林木虛擬動態(tài)生長技術(shù)研究。圖1參54

森林測計學(xué)；林木虛擬模型；動態(tài)生長；林木云；4D模型；綜述

森林是人類賴以生存的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，需要通過精準(zhǔn)林業(yè)的實踐來實現(xiàn)以最小資源投入、最小環(huán)境危害來獲得最大林業(yè)收益的目標(biāo)［1］。林木虛擬生長是以可視化方式虛擬林木在三維空間中的形態(tài)結(jié)構(gòu)隨時間推移的變化規(guī)律及生長發(fā)育過程［2］。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的努力，在林木虛擬生長方面取得了一定的研究成果，在計算機(jī)上虛擬仿真林木的生長，可以非常直觀地對林木的生長過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究方法和技術(shù)手段難以觀察到的規(guī)律［3］。實踐證明，林木虛擬生長研究具有很大的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。本文系統(tǒng)地綜述國內(nèi)外開展林木虛擬生長研究的建模方法及其典型建模工具，然后結(jié)合相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展提出林木虛擬生長建模思想及新的建模方法和建模工具等的建議，促進(jìn)虛擬林木動態(tài)生長技術(shù)的研究。

1 林木虛擬生長建模方法研究綜述

美國學(xué)者Newham［4］早在1964年就建立了花旗松Pseudotsuga menziesii模型，建立該模型后Newham又對它進(jìn)行改善并對黑松Pinus thunbergii進(jìn)行分析建模。林木可視化建模的思想起源于Honda［5］在1971年提出的遞歸分枝結(jié)構(gòu)建模的思想，他提出利用少量的林木幾何屬性（分枝角度、節(jié)間的長度比例等）進(jìn)行林木的模擬。目前虛擬林木生長最常用的方法有L-系統(tǒng)（L-System），迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS），粒子系統(tǒng)模型方法（Particle System Modeling Technique）和基于圖像的林木三維重建方法以及基于激光掃描技術(shù)的林木三維建模方法等。

1.1 L-System

1968年美國生物學(xué)家Lindenmayer提出了L-系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，為林木形態(tài)結(jié)構(gòu)三維可視化奠定了基礎(chǔ)，可用于建立林木從微觀細(xì)胞發(fā)展到整棵樹的過程模型［6-8］。L-系統(tǒng)的本質(zhì)是一個重寫系統(tǒng)，通過1條公理和幾條產(chǎn)生式，一步一步進(jìn)行迭代，就能生成形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的林木［9］。L-系統(tǒng)提供了一個便捷的理論和編程框架來建立動態(tài)的林木結(jié)構(gòu)模型，同時可以生成代表林木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征和圖形等［10］。國內(nèi)外學(xué)者先后又提出了上下文相關(guān)L-系統(tǒng)、隨機(jī)L-系統(tǒng)、參數(shù)L-系統(tǒng)、開放式L-系統(tǒng)、時控L-系統(tǒng)、環(huán)境敏感型L-系統(tǒng)等［11］，其中參數(shù)L-系統(tǒng)、開放式L-系統(tǒng)及時控L-系統(tǒng)等可用來實現(xiàn)林木的動態(tài)生長建模。

Dorr等［12］開發(fā)基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)模型融入霧滴運動軌跡，模擬分析了草甘膦在棉花Gossypium hirsutum var.sicala，苣苦草Sonchus oleraceus和野燕麥Avena ludoviciana上的沉積，該耦合模型可使人們對噴施農(nóng)藥的分布情況（如植物表面的沉積量、地面的沉積量或是殘留在大氣中的農(nóng)藥量等）有更直觀的了解，從而可以提高農(nóng)藥在靶標(biāo)植物上的有效沉積量，使農(nóng)藥施用的效益最大化并使農(nóng)藥對環(huán)境的影響最小化。Sun等［13］提出了基于L-系統(tǒng)的林木智能建模方法，并通過實驗驗證了該方法的可行性，結(jié)果表明：通過改變一些相關(guān)參數(shù)便可虛擬林木的生長。Wu等［11］以龍眼Dimocarpus longan為研究對象開發(fā)了LSTD（a tree designer based on L-Systems）系統(tǒng)。劉東平等［14］基于參數(shù)L-系統(tǒng)，建立了環(huán)境變化的植物動態(tài)生長模型，并建立了簡單的植物趨光性、背離性模型，較為真實地仿真林木生長過程。Hamon等［15］提出了實時交互型L-系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讓用戶和所構(gòu)建的三維植物進(jìn)行實時互動，即可進(jìn)行拉伸植物莖干長度、改變枝莖著生角度和調(diào)整枝干彎曲度等操作。

1.2 迭代函數(shù)系統(tǒng)方法

迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS是Hutchison（1981）和Bamsley（1985）提出并發(fā)展起來的一種研究分形集的數(shù)學(xué)方法［7］，屬于分形構(gòu)形系統(tǒng)。由于林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的自相似性，因此可借助計算機(jī)強(qiáng)大的迭代計算能力，應(yīng)用分形理論的自相似性、層次的多重性和不同層次的規(guī)則的統(tǒng)一性，并利用紋理、光照等多種已有的多邊形幾何面構(gòu)圖技術(shù)對樹體渲染，生成具有高度真實感的三維分形林木［16-17］。

Wang［18］將云模型和分形方法結(jié)合在一起得到云分形模型，并用于植物的模擬。結(jié)果表明：該模型對于不確定性問題的分析非常有效。鄒運蘭等［19］利用IFS建模方法和雙緩沖技術(shù)實現(xiàn)了隨風(fēng)搖擺的蕨葉和生長林木的動態(tài)模擬。趙鵬飛［20］基于迭代函數(shù)系統(tǒng)，對林木的組成部分（樹枝和樹葉）進(jìn)行受力分析，實現(xiàn)林木隨風(fēng)搖曳的動態(tài)模擬。Xu等［21］提出基于分形理論并結(jié)合林木形態(tài)特征的林木三維模擬方法，并借助Visual C++和OpenGL的開發(fā)平臺實現(xiàn)了三維林木的優(yōu)化建模和可視化虛擬。

1.3 粒子系統(tǒng)模型方法

1983年，Reeves［22］提出不規(guī)則模糊物體的建模方法，即粒子系統(tǒng)，其基本思想是將許多形狀簡單的微小粒子作為基本元素聚集起來，形成一個不規(guī)則的模糊物體［23］。林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)可以用不同的粒子排列組合來模擬，粒子在生命周期中的變化反映了林木生長發(fā)育甚至死亡的過程［7］。粒子系統(tǒng)被看作是模擬不規(guī)則動態(tài)物體最成功的方法。Reeves［22］利用粒子系統(tǒng)模型分別虛擬了陰影林木、近森林場景等。宋萬壽等［24］運用基于粒子系統(tǒng)的方法，用粒子的誕生、活動和死亡3個階段來描述火焰模型及從植物生長來描述林木模型。雷蕾等［23］基于粒子系統(tǒng)思想提出了一種基于能量模型的葉片紋理構(gòu)造算法，充分發(fā)揮了粒子系統(tǒng)在模擬自然界中復(fù)雜且有規(guī)律事物的優(yōu)勢，模擬出的葉片具有較高的真實性。

1.4 基于類二叉樹的三維林木重構(gòu)

為了提取自然界分枝植物的生長規(guī)則，方逵等［25］提出一種基于類二叉樹結(jié)構(gòu)的虛擬植物分枝結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)方法，以克服L-系統(tǒng)對植物生長規(guī)則的描述和定義的不直觀性與不確定性，闡述分枝植物生長規(guī)則描述的可操作性。但由于植物生長結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該方法在建立類二叉樹模型時，還需要人工進(jìn)行識別，影響適用性，還需要研究類二叉樹模型的自動化改進(jìn)，自動建立正確的類二叉樹模型。

1.5 基于圖像的林木三維重建

基于圖像的虛擬方法是指通過采集林木2D圖像，并利用基于圖像的林木三維重建技術(shù)生成林木的3D模型的方法［26-27］?；趫D像的三維重建技術(shù)分為基于單幅圖像的三維重建技術(shù)和基于多幅圖像的三維重建技術(shù)。其中，基于多幅圖像的三維重建技術(shù)已能生成具有強(qiáng)烈真實感的三維圖像；對基于單幅圖像的三維重建技術(shù)的研究相對來說較少，但由于其建模效率高，越來越得到人們的重視［28］。Quan等［27］實現(xiàn)了奈弗臺屬Poinsettia植物、鵝掌柴Schefflera octophylla及1株室內(nèi)樹的三維重建。Tang等［29］提出最大限度地減少用戶干預(yù)的圖像建模方法，并分別對盆栽樹和大中型林木進(jìn)行三維重建，達(dá)到了非常逼真的建模效果。Teng等［30］提出了用幾幅從很窄的可視角度范圍捕獲的圖像來重建林木三維模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)在進(jìn)行三維重建時僅需少量的幾幅圖像，因而在實際應(yīng)用中具有更大的靈活性。Lopez等［31］提出一種新型的基于圖像的無葉林木的三維重建技術(shù)，實現(xiàn)了對三維林木的真實還原。顏君萍等［26］提出基于圖像的造型方法，結(jié)合從圖像上提取林木枝干的相關(guān)信息和實測數(shù)據(jù)得到林木的分枝信息，實現(xiàn)了林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的重建。

1.6 基于激光掃描技術(shù)的林木三維建模

激光掃描技術(shù)能反映林木實時、動態(tài)變化的樹冠特征以及對林木結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行有效捕捉，有助于構(gòu)建精準(zhǔn)的單木3D模型［32］。在林木的掃描測量過程中，有2種不同的方法：①單一掃描方法，即直接將掃描儀固定于樣本地中心，將周圍的景物掃描一遍；②復(fù)合掃描方法，即在樣本地中心選擇3個以上的點，在每個點各掃描1次，并保證掃描區(qū)域有一定的重疊部分［33］。相比之下，利用復(fù)合掃描方法得到林木的相關(guān)數(shù)據(jù)更加詳盡，但測量時間比較長。激光掃描儀測量林木生成的3D點云可用于林木的定量分析和林木的三維重建，同時可以測量林木的位置、高度、冠層、樹種和樹干曲線等特征［34］。然而由于林木形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、枝葉遮擋等問題，造成測量所得的林木點云數(shù)據(jù)存在一定的誤差，而且激光掃描儀技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用缺少必要的嘗試，將它應(yīng)用于林木3D建模將是林木建模研究中的新的發(fā)展趨勢。Park等［35］利用地面激光掃描儀測量所獲取的三維點云數(shù)據(jù)來對單株林木進(jìn)行建模，但由于樹葉和枝干不能很好地從背景中分割出來從而使建立的模型具有一定的誤差。高士增［36］基于地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建林木枝干的等值線模型和Delaunay三維網(wǎng)模型，實現(xiàn)林木形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動和人機(jī)交互式提取。Kelbe等［37］開發(fā)了一套激光掃描系統(tǒng)并用該掃描系統(tǒng)自動重建了樹干模型，模型中樹干的細(xì)節(jié)（如錐度、延伸和傾斜度）得以重建再現(xiàn)。王曉輝等［38］基于三維激光掃描獲得的林木離散點云數(shù)據(jù)，開發(fā)出一個交互式半智能化的單樹幾何建模系統(tǒng)。

1.7 基于三維數(shù)字化儀的林木三維重建

三維數(shù)字化儀已經(jīng)迅速發(fā)展成為一種重要的數(shù)據(jù)獲取途徑，該儀器能夠快速精確地獲取360°的XY-Z空間坐標(biāo)，并通過配套的軟件迅速重建研究對象的三維模型。三維數(shù)字化儀在獲取林木三維坐標(biāo)參數(shù)時，同時記錄每個枝條的直徑，其值用游標(biāo)卡尺等測量工具來測量，從而得到林木的三維拓?fù)渲貥?gòu)模型［39］。章蘭芬等［40］基于三維數(shù)字化儀，并利用Piaf Digit和 Vege STAR軟件，建立了13年生高紡錘形蘋果樹Malus domestica的數(shù)字化模型。王菲［41］利用三維數(shù)字化儀并結(jié)合Piaf Digit軟件和Vege STAR軟件構(gòu)建了蘋果樹三維模型。

2 林木虛擬生長建模工具綜述

要實現(xiàn)林木虛擬生長，必須有良好的軟件開發(fā)環(huán)境，目前包括C，C++，VC++，Java，VB，Matlab等軟件，但多選用OpenGL作為圖形編程平臺。OpenGL是一種與硬件、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)相獨立的一系列應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提供一種直觀的編程環(huán)境，由大量功能強(qiáng)大的圖形函數(shù)組成，大大簡化三維圖形程序，開發(fā)人員可以利用這些函數(shù)對整個三維圖形進(jìn)行光色渲染，從而方便地繪制出客觀世界逼真的三維景象［42］。國內(nèi)外虛擬植物建模工具包括AMAP，Vlab/LStudio，SpeedTree，Xfrog，GreenLab，LSTree，Plantstudio，LMS/SVS，Smart-Forest等，其中不少是基于L-系統(tǒng)開發(fā)的，而也有不少僅用于虛擬游戲場景等中的林木虛擬設(shè)計或用于提高虛擬林木生長教學(xué)效果。

2.1 AMAPstudio

法國農(nóng)業(yè)發(fā)展國際合作研究中心（French Centre for International Cooperation in Agriculture Research for Development，CIRAD）的de Reffye等［43］建立的AMAPstudio系列植物結(jié)構(gòu)建模軟件具有描述植物生長、死亡、枝條分布情況和三維可視化模擬植物生長過程的功能。AMAPstudio模型從植物結(jié)構(gòu)角度包括植物重建、探索、分析和研究植物生長的應(yīng)用程序和模型，適用于模擬高大植物。

2.2 Vlab/L-Studio和TreeSketch

加拿大Calgary大學(xué)Prusinkiewicz等［44］分別開發(fā)了基于L-系統(tǒng)的虛擬植物模擬軟件Vlab/L-Studio和TreeSketch。Vlab/L-Studio可在Windows，MAC OSX和Linux系統(tǒng)下，能生成各種植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖，但使用復(fù)雜，不能很好地虛擬植物和環(huán)境間的交互影響，且不能構(gòu)建大型、可擴(kuò)展的植物模型。TreeSketch可在iPad上進(jìn)行全功能交互式三維林木建模，即可在平板電腦上進(jìn)行林木的互動過程建模［45］。創(chuàng)建1株樹正如簡單地在屏幕上繪畫并觀察林木生長的過程。TreeSketch能在數(shù)秒內(nèi)創(chuàng)建各種形式的、復(fù)雜而自然的林木模型。該系統(tǒng)將林木生長過程集成于多點觸控平板電腦界面，提供詳細(xì)的、基于林木自組織概念來控制生成林木形式的程序，并模擬林木從幼苗生長過程中樹枝對空間和光線的競爭。建模人員可以控制林木的生長過程，即能用程序刷引導(dǎo)生長過程，隨林木生長可改變參數(shù)，實現(xiàn)交錯控制和自動生長以及編輯生成林木的形式。

2.3 Xfrog

由德國Greenworks公司開發(fā)的植物制作軟件Xfrog，通過改變植物生長的相關(guān)參數(shù)（生長速度、分枝數(shù)量、向地性和趨光性等）來虛擬植物從種子到成年的動態(tài)生長過程。從而可以讓用戶簡單快捷、逼真詳細(xì)地構(gòu)造復(fù)雜林木、灌木、花卉的三維模型，并能夠有效實現(xiàn)林木的生長模擬［46］。

2.4 SpeedTree

美國Interactive Data Visualization,Inc.（IDV）的SpeedTree軟件專門用于三維林木建模，可快速建立和渲染大片林木，并且其本身帶有強(qiáng)大的林木庫［47］。利用SpeedTree建立林木動態(tài)生長模型時，可以在使用極少多邊形情況下創(chuàng)造高度逼真的植物，如果在SpeedTree中加入風(fēng)場，可以實現(xiàn)林木隨風(fēng)飄動的效果［48］。熊壯等［48］基于SpeedTree實現(xiàn)了動態(tài)三維林木的建模；吳曉暉［47］通過對Virtools二次開發(fā)機(jī)制及SpeedTree林木開發(fā)機(jī)制的研究，驗證了林木在虛擬森林場景中繪制、運行效率及風(fēng)效效果。

2.5 GreenLab

以中法實驗室（Laboratoire Sino’Européend’Informatique，d’Automatique et de MathématiquesAppliquées/Sino French Lab in Computer Science，Automation and Applied Mathematics，LIAMA）為代表，建立了GreenLab模型，并在可控環(huán)境下用西紅柿Lycopersicon esculentum，小麥Triticum sestivum，菊花Chrysanthemum morifolium對GreenLab模型進(jìn)行標(biāo)定和驗證［49］，對棉花和玉米Zea mays地上部分和根系的三維數(shù)字化和可視化進(jìn)行了研究，但虛擬林木的研究相對較少［42］。利用數(shù)學(xué)、自動化、軟件工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)圖形學(xué)和渲染技術(shù)，GreenLab可以進(jìn)行不同類型的應(yīng)用實踐，如促進(jìn)植物建模及其可視化以及植物生長相關(guān)技術(shù)、促進(jìn)植物建模及其可視化技術(shù)轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)、林業(yè)和生物科學(xué)領(lǐng)域［49］。2009年，國紅等［50］以油松Pinus tabulaeformis為對象，首次將GreenLab模型應(yīng)用于林業(yè)，實現(xiàn)了油松幼樹動態(tài)三維可視化的模擬。2011年，國紅等［51］基于GreenLab模型建立了18年生和41年生油松形態(tài)的動態(tài)三維可視化模型。

2.6 LSTree

林郁欣等［52］基于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生長發(fā)育的生理生態(tài)過程，提出由器官尺度上升單樹尺度的L-系統(tǒng)文法規(guī)則組合拼接方法，設(shè)計了單株植物建模工具軟件的功能和體系結(jié)構(gòu)，在VC++開發(fā)環(huán)境下采用Open GL圖形標(biāo)準(zhǔn)、VRML虛擬現(xiàn)實建模語言開發(fā)完成單樹建模工具軟件LSTree。系統(tǒng)具有單樹三維建模、生長過程模擬、林木與環(huán)境交互模擬、三維可視化交互等功能，支持通用三維模型格式。

2.7 PlantStudio

Plantstudio植物圖形軟件（Botanical Illustration Software），基于參數(shù)驅(qū)動模擬建立草本植物（非木質(zhì)），如野花、鮮花、蔬菜、雜草、牧草等的3D植物模型。在使用Plantstudio植物圖形軟件進(jìn)行植物3D建模時，可直接調(diào)用植物庫里相應(yīng)的植物3D模型，也可對已有的植物進(jìn)行變異得到新植物品種，甚至可以創(chuàng)建多植物成分的植物群，因此可用于林區(qū)雜草的虛擬生長模型研究。

2.8 LMS/SVS

美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局Pacific Northwest Research Station開發(fā)了集成軟件LMS（Landscape Management System）和可視化軟件工具SVS（Software Virtualization Solution），應(yīng)用生長預(yù)測模型和可視化工具相結(jié)合，進(jìn)行植物的生長模擬，建立起虛擬植物的通用模型，最終實現(xiàn)對不同類型植物的模擬。LMS由許多獨立的程序組成，進(jìn)行生長預(yù)測、生成表格和圖形顯示、存儲庫存信息和將這些不同程序連接到一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。

2.9 Smart-Forest

美國University of Illinois空間成像實驗室開發(fā)的Smart-Forest森林模型引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將巨大的森林?jǐn)?shù)據(jù)庫和模擬結(jié)果用虛擬陸地森林圖像在景觀水平直觀地展示出來［53］。幾何建模方法通常展示單株林木，Smart-Forest提供的方法能有效地展示不同景觀場景的區(qū)域，特別適用于林木茂密但其鄰近觀測點已失去有效性的區(qū)域。

2.10 GFSM

貢嘎山森林演替模型(GFSM：Gongga Forest Succession Model）是以林窗模型為基礎(chǔ)的單木模擬模型，以多個小面積（斑塊、patch）上的林分表現(xiàn)作平均，描述林地斑塊中單木的萌發(fā)、生長、死亡過程、樹種更替及與環(huán)境因子（水分、光照、熱量、養(yǎng)分）的關(guān)系，并按隨機(jī)過程方式模擬環(huán)境條件的變化，仿真模擬林木的更新與死亡中的外在和內(nèi)稟不確定性［54］。模型基本上代表了中國西南山區(qū)生長的36種主要建群樹種類型，可分析優(yōu)選各樹種的生態(tài)學(xué)參數(shù)以反映中國南方山區(qū)林地演替和物種的基本特性。

3 林木虛擬生長建模研究展望

3.1 創(chuàng)建基于林木虛擬生長模擬的林木云

單純林木結(jié)構(gòu)的虛擬已發(fā)展較成熟并取得較理想的虛擬效果，結(jié)構(gòu)模型可以實現(xiàn)利用較少的參數(shù)虛擬出漂亮的林木結(jié)構(gòu)圖形。但對于農(nóng)林生產(chǎn)領(lǐng)域，相對于林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)，開展林木功能(生長過程）模型特征的相關(guān)模型耦合的研究將更有意義。為結(jié)合前面分析的國內(nèi)外有關(guān)林木虛擬生長建模方法、建模工具等，提出如圖1所示的林木虛擬生長模擬的林木云的構(gòu)建框圖。即通過先進(jìn)的傳感技術(shù)測試與分析林木生長因子，利用 “大智移云（大數(shù)據(jù)、智能化、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算）”平臺創(chuàng)建 “林木云”，同時利用和創(chuàng)新林木生長虛擬建模方法與工具建立林木虛擬生長三維模型，更能真實地反映林木生長過程及周圍環(huán)境對其的影響，為林業(yè)生產(chǎn)提供高效可行的管理措施，推動中國精準(zhǔn)林業(yè)研究及林業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

隨著 “大智移云”技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及智能科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新，所有作業(yè)設(shè)備可能具有識別、語言、運算、控制甚至意識、精神等生物特性，而林木就是有生命的生物體，則作業(yè)設(shè)備的智能化與生物體之間的信息交換和虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究，將極大地促進(jìn) “大智移云”在農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用，農(nóng)林動態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測與信息化的水平和程度將得到極大的提高。利用大數(shù)據(jù)對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合挖掘，可將枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動態(tài)變化的三維模型，能夠形象直觀地研究林木生長規(guī)律和周圍環(huán)境對其生長的影響以及對其采取相應(yīng)的管理措施后林木發(fā)生的種種變化等。

圖1 林木虛擬生長模擬的林木云構(gòu)建Figure 1 Forest tree cloud construction for virtual forest tree growth model

云計算作為一種新的技術(shù)趨勢得到快速發(fā)展。在林業(yè)生產(chǎn)實踐中，可通過搭建一個林木生長云計算平臺，來構(gòu)建基于云計算的林木生長過程中各類數(shù)據(jù)信息的資源共享系統(tǒng)。也就是，利用傳感與智能化、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)，建設(shè) “林木云”，融合林木生長歷史數(shù)據(jù)、林木生長發(fā)育實時數(shù)據(jù)、林木生長環(huán)境調(diào)控數(shù)據(jù)，以及挖掘森林資源信息元數(shù)據(jù)、林木新品種圖像描述數(shù)據(jù)、林分樹高立地分級、植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)等調(diào)控因子與林木脅迫因子及其危害預(yù)測與預(yù)報和森林火災(zāi)信息數(shù)據(jù)等，并將其接入林木生長云計算平臺，從而可讓不同林業(yè)部門和科研單位的科研人員能方便快捷地共享 “林木云”。利用 “林木云”對林木進(jìn)行三維模型構(gòu)建時，可方便地利用其提供的林木生長參數(shù)，解決費時、費力且誤差較大的人工實地測量。

3.2 林木虛擬生長模型建模方法和建模工具的創(chuàng)新研究建議

目前，基于計算機(jī)視覺系統(tǒng)的三維建模在工業(yè)方面應(yīng)用較多，技術(shù)也較成熟，如：考古學(xué)及文物保護(hù)領(lǐng)域，即 “數(shù)字遺產(chǎn)”；建筑物三維建模；人頭部和臉的三維重建，并能夠?qū)崿F(xiàn)人臉部動畫。但該建模方法在農(nóng)林方面缺少必要的嘗試。德國MVTec公司開發(fā)的HALCON軟件支持C，C++，C#，Visual Basic和Delphi等多種編程語言進(jìn)行開發(fā)。HALCON 11具有三維表面比較功能，即將一個三維物體的表面形狀測量結(jié)果與預(yù)期形狀進(jìn)行比較。HALCON提供的所有三維技術(shù)（如多目立體視覺或片光即sheet of light），都可用于表面重構(gòu)；同時也可通過三維硬件掃描儀進(jìn)行三維重構(gòu)。而且HALCON還支持多種三維目標(biāo)處理的方法，如點云的計算和三角測量、形狀和體積等特征計算、通過切面進(jìn)行點云分割等。因此可以考慮應(yīng)用HALCON研究虛擬林木生長模型。用HALCON軟件建立林木生長三維模型時，可采用三維激光-掃描儀從不同的角度對林木進(jìn)行掃描，然后用三維激光掃描儀自帶的拼接軟件將從不同角度掃描獲取的林木點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接得到林木的三維點云數(shù)據(jù)，再將林木的三維點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HALCON軟件中，用HALCON軟件的三維目標(biāo)處理功能，計算林木生長參數(shù)（樹干高度、直徑，樹枝長度、直徑和著生夾角等），最后利用HALCON軟件的三維數(shù)據(jù)快速可視化功能將獲取的林木生長參數(shù)進(jìn)行三維可視化處理，從而實現(xiàn)林木生長三維模型的重構(gòu)。利用HALCON對林木進(jìn)行三維重建的優(yōu)點是可以利用其三維表面比較功能對重建的三維模型與測量結(jié)果進(jìn)行比較，驗證林木三維模型的精確度。同時可以利用HALCON的三維目標(biāo)處理，對所建的林木三維模型計算其形狀和體積等特征，從而可以對林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為園林工作提供最佳的管理措施；同時對林木三維模型體積的計算，可以實現(xiàn)對成材量估量，為木材的生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

3.3 林木4D虛擬動態(tài)生長模型研究

目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的林木虛擬生長模型研究，但均是在2D平面、3D空間研究林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及動態(tài)生長信息。在3D空間對林木進(jìn)行虛擬時，只能研究林木的空間結(jié)構(gòu)特征，無法便捷地研究林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化和時間的關(guān)系，林木真實感和動態(tài)性能還相對較差。在3D空間坐標(biāo)系中引入和耦合時間維度，即可變?yōu)樵?D空間建立林木動態(tài)生長模型，這樣便可以將林木的空間結(jié)構(gòu)特征的變化和時間關(guān)系實時地聯(lián)系在一起，由此得到的數(shù)據(jù)更有利于建立林木的動態(tài)生長模型，因此4D可視化將攜帶更多信息量，并提高信息密度。特別地，當(dāng)林木4D虛擬生長將以實際林木為基礎(chǔ)，獲取真實林木圖像，對實際林木的細(xì)節(jié)（如同葉位的葉長、葉寬、葉形、葉片空中伸展曲線、葉色、葉片衰亡、不同節(jié)間的節(jié)間長、不同葉位的葉鞘長度和顏色）進(jìn)行盡可能100%還原，然后定制融入一系列隨時間軸變化的參數(shù)和生長因子（如光合作用等），強(qiáng)化脅迫因子的逆境記憶，不斷采取逆境鍛煉，就可以更加真實地模擬林木生長動態(tài)過程。甚至可以通過虛擬基因信息對林木3D結(jié)構(gòu)生成工作機(jī)理，優(yōu)化樹種，為選育新品種提供理論依據(jù)，可縮短培育周期。

4 結(jié)束語

林木虛擬生長從簡單的2D字符串重寫，發(fā)展到具有動態(tài)效果的3D虛擬，乃至4D虛擬動態(tài)生長，從簡單的林木結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展到考慮林木生理生態(tài)功能的結(jié)構(gòu)-功能模型以及隨機(jī)模型。本文綜述了林木虛擬生長建模方法和建模工具，結(jié)合 “大智移云（大數(shù)據(jù)、智能化、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算）”技術(shù)，分析探討了基于林木虛擬動態(tài)生長模擬的 “林木云”，提出了基于計算機(jī)視覺系統(tǒng)的建模方法和林木4D虛擬動態(tài)生長模型等。今后，隨著相關(guān)技術(shù)及精準(zhǔn)林業(yè)研究的進(jìn)一步發(fā)展，對林木虛擬動態(tài)生長模型的研究必將成為精準(zhǔn)林業(yè)的研究熱點，由試驗研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)應(yīng)用，由技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)，推動中國林業(yè)建設(shè)開創(chuàng)嶄新的局面。

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Research and perspectives of modeling methods and modeling tools of virtual forest tree growth

JIAO Xiang,ZHENG Jiaqiang,ZHANG Huichun,SU Mengmeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China）

The morphological structure of forest trees are affected by tree species or individual tree genetic factors（hormone signal and nutrient competition）,site conditions,management measures and competition status of forest（light distribution,temperature,humidity,and agronomic measures）.Mastering the mechanism study on the determinants of the forest trees growth process is very important for the forestry production and precision forestry research and practices.The real-time field survey of the determinants of the forest trees growth process is constrained greatly by time and space,and requires high test cost.Therefore,applying virtual technology to conducting the research on the forest trees growth has drawn great attention at home and abroad.This paper systematically reviewed 7 modeling methods and 10 modeling tools for studying the virtual forest tree growth, proposed the research prospect of forest tree cloud based on the simulation of dynamic growth of virtual forest trees,suggested on computer vision system based 3D forest trees modeling and the modeling tools,analyzed the models of forest trees growth in 4D to promote the research on the technology of the virtual dynamic growth of forest trees.［Ch,1 fig.5 4 ref.］

forest measuring;virtual model of forest trees；dynamic growth；forest tree cloud；4D model;review

S758

A

2095-0756（2015）06-0966-10

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報，2015，32（6）：966-975

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.021

2014-12-10；

2015-04-21

國家自然科學(xué)基金資助項目（31371963）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項目（BK20130965）；“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2014BAD08B04）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目；江蘇省杰出青年教師培育聘專項目（2012256）；南京林業(yè)大學(xué)高學(xué)歷人才基金資助項目（GXL201208）

焦祥，博士研究生，從事農(nóng)林機(jī)械化和植物虛擬生長研究。E-mail：js_jiaox@126.com。通信作者：鄭加強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)林信息化、植保機(jī)械和智能測控研究。E-mail：jqzheng@njfu.edu.cn