蘇逸平

（1.浙江省測繪資料檔案館，浙江 杭州 310012）

基于GIS的林木三維可視化分析技術(shù)

蘇逸平1

（1.浙江省測繪資料檔案館，浙江 杭州 310012）

運(yùn)用GIS組件技術(shù)，對空間結(jié)構(gòu)分析與森林可視化系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)和優(yōu)化。首先需要?jiǎng)?chuàng)建符合樹木紋理貼圖特征的三維樹木模型；然后運(yùn)用Voronoi圖優(yōu)化傳統(tǒng)的森林空間結(jié)構(gòu)指數(shù)運(yùn)算方式；最后利用ArcGIS完成分析。研究結(jié)果表明，所開發(fā)的軟件能為森林經(jīng)營中的一些重大決策提供直觀、精確的資料，可在一定程度上為常綠闊葉林等林業(yè)資源的保護(hù)以及經(jīng)營管理提供幫助，促進(jìn)林業(yè)的健康發(fā)展。

森林可視化；GIS組件技術(shù)；空間結(jié)構(gòu)；森林經(jīng)營

在人類從原始社會走向文明社會的進(jìn)程中，森林起到了至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[1]用L-system理論對樹木結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描繪，從而制作出較逼真的樹木三維立體圖形。這一研究促進(jìn)了L-system在林業(yè)可視化中的應(yīng)用[2]。文獻(xiàn)[3]基于L-system理論，在可視化研究上取得明顯進(jìn)步，主要是將DOL算法融入到林業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中。文獻(xiàn)[4]對L-system在表述植物形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的能力進(jìn)行了研究，并運(yùn)用該技術(shù)對一類竹子的外形進(jìn)行了模擬演示。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及地理信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，林業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了“數(shù)字林業(yè)”的概念，計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)在林業(yè)研究中得到了日益廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，GIS/CAD和可視化專業(yè)軟件可以完成森林可視化的操作任務(wù)。GIS可用于制作大范圍的森林虛擬景象[4-7]，但對基于真實(shí)樹木位置的林分不能進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀地描述。CAD對綠籬、行道樹和株距固定的人工林等規(guī)則形態(tài)物體的描述比較擅長，但對無規(guī)則生長的天然林則無法滿足要求。這些軟件所具備的技術(shù)都是宏觀層面的，沒有從微觀世界的角度對林木本身進(jìn)行三維可視化研究。

本文基于GIS技術(shù)，將宏觀上的林木可視化和微觀上的空間結(jié)構(gòu)有機(jī)融合，進(jìn)而形成一套新方法，以期為恢復(fù)、保護(hù)和重建森林生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 森林可視化技術(shù)

1.1 林地三維可視化

DEM是地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。DTM以DEM為基礎(chǔ)建立，通過DEM直接或間接地導(dǎo)出其他地形要素，因此采集DEM數(shù)據(jù)非常重要。但DEM存在數(shù)據(jù)信息量大，難以即時(shí)、經(jīng)濟(jì)、方便地獲取原始數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。現(xiàn)在，獲取三維地形數(shù)據(jù)的方法一般有：

1）全野外數(shù)據(jù)采集。它適合小范圍區(qū)域開展，主要采用實(shí)時(shí)動態(tài)GPS和全站儀等技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)林地區(qū)域現(xiàn)場沿三維坐標(biāo)逐點(diǎn)獲取要素特征，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)編輯成圖。其優(yōu)點(diǎn)是成圖精度高、質(zhì)量好，缺點(diǎn)是成本較高。

2）航空航天遙感。地面紋理數(shù)據(jù)、高程信息以及拓?fù)湫畔⒌榷伎赏ㄟ^航空攝影測量影像來獲取，航空攝影測量影像已經(jīng)成為GIS和DEM最重要的數(shù)據(jù)來源，是目前獲取三維信息的主要方式之一。

3）掃描儀采集。在一些陡坡地區(qū)，比例尺較小，等高線密集排列；而且注記的地物、地貌符號、高程數(shù)據(jù)會將一些地方切斷，導(dǎo)致等高線不連貫，這時(shí)可用掃描儀減輕數(shù)據(jù)獲取工作量：掃描地形圖，提取等高線矢量數(shù)據(jù)；這樣不但效果好，而且簡單易行。

4）混合集成方法。它可以建立單株楊樹的材積收獲模型，從而獲取數(shù)據(jù)。這種模型是建立在分樹種分級別楊樹生長模型和材積模型基礎(chǔ)上的。

1.2 林木空間結(jié)構(gòu)

本文利用基于Voronoi圖的方法來確定結(jié)構(gòu)單元。將實(shí)驗(yàn)林地區(qū)域的每一棵林木視為一個(gè)點(diǎn)，然后利用這些離散點(diǎn)生成Voronoi圖（如圖1所示）。每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)一棵林木，一個(gè)Voronoi多邊形內(nèi)只包含一棵林木。這些相鄰的Voronoi多邊形對象就構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)林地區(qū)域的林木空間結(jié)構(gòu)單元。

圖1 基于 Voronoi 圖的林木空間結(jié)構(gòu)單元

1.3 建立十字交叉式的三維樹木建模

1）獲取樹木紋理圖像。為使樹木模型比較直觀，便于查看，本文采用實(shí)地拍攝的方式獲取樹木紋理。拍攝要求如下：①適當(dāng)?shù)年柟饪臻g，不要被相鄰樹木或其他建筑物的陰影遮擋；②不要讓樹冠中通過其他物體，如電線等；③透視效果要好；④選取背景時(shí)，一定要與樹木有明顯區(qū)別。除此之外，拍攝過程中需要嚴(yán)格保持一定比例，公式為：比例C=樹高/拍攝點(diǎn)到樹木的距離。拍攝第一張樹木照片時(shí)確定C值，比如使用測高器量得樹木高度是7．2 m，用皮尺測量拍攝點(diǎn)到樹木的長度是 15 m。這樣C=7.2/15=0.48。同樣，對于其他樹種，也必須先量出樹的高度，再通過C值來確定拍攝距離，最后再對目標(biāo)樹木進(jìn)行拍照。

2）三維樹木建模。在十字交叉的兩個(gè)平面上，通過不透明貼圖以及樹木圖像紋理貼圖的方法來創(chuàng)建三維樹木的過程，就是三維樹木建模。隨著觀察者觀察點(diǎn)的變化，創(chuàng)建的樹木圖像會跟隨觀察者變向，在視覺上總是朝向觀察者，因?yàn)闃淠究梢試@樹干軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種建模方法不但簡便快捷，圖像觀賞性強(qiáng)，而且占用內(nèi)存小。

2 基于 GIS 的林木三維可視化實(shí)現(xiàn)

2.1 三維林地構(gòu)建

構(gòu)建三維林地首先需要獲取林地的DEM和DOM數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)能夠提供林地的高程信息，展現(xiàn)林地地形起伏狀況；DOM數(shù)據(jù)能夠提供林地的地表紋理，展現(xiàn)林地真實(shí)地貌。利用攝影測量及遙感技術(shù)，獲取林地的航空遙感影像，構(gòu)建立體像對，對影像進(jìn)行正射糾正等技術(shù)處理，以獲取林地的DOM和DEM數(shù)據(jù)。然后利用GIS技術(shù)，將DEM和DOM數(shù)據(jù)基于ArcGIS平臺（ArcGlobe或ArcScene）構(gòu)建三維模型，展現(xiàn)林地真實(shí)地形地貌，從而實(shí)現(xiàn)林地的三維可視化。

2.2 樹木可視化的實(shí)現(xiàn)

為了使視覺效果更加逼真，必須要獲得樹木實(shí)際的紋理，因此需要實(shí)地拍攝使用該系統(tǒng)的森林樹木的照片。獲得圖片信息后，創(chuàng)建樹木三維立體模型，需要采用不透明貼圖的方法；然后使用軟件系統(tǒng)對立體模型進(jìn)行處理，從而形成不同樹種和不同大小的樹木；再將微觀樹木與宏觀林地相結(jié)合，形成三維立體森林可視化結(jié)構(gòu)。這里的技術(shù)核心是如何確定樹符號，因此，對點(diǎn)符號的渲染是樹木可視化技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。渲染技術(shù)包括：獨(dú)特渲染和分類渲染。獨(dú)特渲染按照樹木的特點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，呈現(xiàn)基礎(chǔ)分類的屬性；將胸徑大小不同的樹木進(jìn)行等級劃分，同等級的樹木分成一 類，然后對同類型的樹木進(jìn)行同等符號的分類渲染。

若想達(dá)到森林可視化（或林分可視化）的效果，可將樹木可視化圖層和樹木所在林地的三維可視化圖層進(jìn)行疊加，這樣，林分中地形的高低起伏、地貌情況、不同樹種間的相互關(guān)系以及樹種的分布等特征都能比較清楚地展現(xiàn)出來。以短尾柯為例，將樹木根據(jù)胸徑大小劃分為12 個(gè)等級，以展現(xiàn)單個(gè)樹種的可視化效果，得出的分類渲染效果如圖2所示。

圖2 短尾柯的三維可視化效果

3 結(jié) 語

本文運(yùn)用決策支持系統(tǒng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)，結(jié)合GIS技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)，對森林培育過程中的政策制定以及優(yōu)化進(jìn)行了研究。在研究過程中，先后運(yùn)用無線通信技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取速生林培育規(guī)律，并根據(jù)提取規(guī)則的形式，對相應(yīng)的知識庫和推理機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并使用三維可視化表達(dá)（林分三維場景）的方式將預(yù)測和決策結(jié)果形象地表述出來。本研究為更好地在森林培育經(jīng)營過程中獲取科學(xué)、直觀、準(zhǔn)確的決策，提供了一個(gè)借鑒。

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P208

B

1672-4623（2016）09-0060-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.019

蘇逸平，高級工程師，研究方向?yàn)榈乩硇畔?shù)據(jù)管理與挖掘。

2015-07-10。

項(xiàng)目來源：測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201412007）。