周湘紅，羅為檢

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

引言

隨著近年來計算機技術、“3S”技術等學科的發(fā)展，“數(shù)字林業(yè)”已是當今林業(yè)信息化發(fā)展的一個必然趨勢，數(shù)字化的浪潮極大地促進了林業(yè)生產力的發(fā)展[1]，三維虛擬林相的建立與可視化經(jīng)營管理已成為當今國內外相關學者研究與關注的焦點。三維可視化是指在三維環(huán)境中觀察圖像或建立貫穿飛行，在虛擬的信息環(huán)境中進行查詢檢索、三維分析等的現(xiàn)實模擬技術[2-3]。DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型在研究與應用方面受到了廣泛關注，它是由麻省理工學院的Chairesl Miller教授在1956年設計高速公路模型時提出的[4]。目前現(xiàn)行的數(shù)字高程模型(DEM)獲取方式大致可以歸納為三類，即遙感立體影像構建法、采集等高線法與地面實測法。其類型主要有等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID)和不規(guī)則三角網(wǎng)格模型(TIN)，每一種模型都有其獨特的特點，TIN和GRID格網(wǎng)模型是目前應用最廣泛的連續(xù)表面數(shù)字表示的數(shù)據(jù)結構[5-9]。3D Max具有真實的三維模型、逼真的色彩和高精度的輸出產品，其紋理貼圖技術在構建真實的單木三維模型方面具有重要的意義，但是在將模型轉移或在其他軟件載入模型時，往往會存在丟失貼圖的現(xiàn)象，導致模型失真甚至不可用，目前相關學者常采用的是利用相對路徑與絕對路徑的相互轉換[10]，由于二者的優(yōu)缺點是相對的，因此合理的使用相對路徑與絕對路徑，使得紋理映射技術使用非常方便。在系統(tǒng)開發(fā)方面，利用.NET技術與ArcEngine技術實現(xiàn)二次開發(fā)，是當前常用的技術手段之一，ESRI公司發(fā)布的ArcEngine軟件提供的ArcObjects組件含有豐富的封裝程序集模塊以及類型的對象，用戶可以通過其特定的接口調用所需的功能，使用非常方便[11-13]。

目前國內外關于對如何利用ArcGIS技術、ArcEngine技術、計算機技術與可視化技術來實現(xiàn)森林資源可視化管理以及對采用OpenGL技術與軟件開發(fā)工具構建三維虛擬林相的研究鮮有報道，在此基礎上，研究提出結合圖像處理工具與三維建模工具對黃豐橋林場的地形和樹木進行模擬，利用面向對象的交互式編程語言與ArcObject二次開發(fā)組件包，實現(xiàn)林場的虛擬經(jīng)營與可視化管理，它能實現(xiàn)森林場景的真實感表達，為用戶提供視覺上的感受，彌補二維森林資源信息系統(tǒng)對于現(xiàn)實世界表達的逼真程度低的不足，提高森林場景的交互性與實時性，同時，為滿足當前基于林場生產任務和業(yè)務管理的實際要求，做一些基礎性的工作，使經(jīng)營決策真正建立在科學規(guī)劃及設計的基礎之上，能因地制宜地依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃進行科學地管理資源，從而使生產做到科學化、智能化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃豐橋國有林場呈帶狀跨株洲攸縣東西部，地處113°04′—113°43′E，27°06′—27°04′N，地貌以中低山為主，境內最高海拔1270 m，最低海拔115 m，坡度一般在20°～35°之間。林場地處中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.8 ℃；平均無霜期為292 d；平均日照時間為1612 h，太陽輻射量年平均448.965 kJ/m2；年平均降水量1 410.8 mm；現(xiàn)有林地總面積10 122.6 hm2；森林覆蓋率達86.24%；典型地物類型主要有針葉林、闊葉林、竹林、灌木林地、農田、裸土地、水體、建設用地等。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

所用遙感影像為ASTER影像的3A01數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)名稱為正射圖像，影像成像時間為2012-04-20，空間分辨率為15 m，所用影像質量比較理想。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

主要采用圖像幾何校正和圖像增強處理，幾何校正利用SPOT5的5 m分辨率多光譜影像為標準影像對ASTER數(shù)據(jù)進行幾何校正，共選取26個明顯地物點，系統(tǒng)均方根誤差為0.49，即精度控制在半個象元以內，基本滿足研究所需的精度；圖像增強主要采用了對比度增強和彩色增強兩種圖像增強方法，以提高影像質量，通過ENVI4.8軟件的Equalization(直方圖均衡化拉伸)功能，設定指定的DN值，對影像進行均衡化處理，達到了預期的效果。研究區(qū)影像處理后效果圖如圖1。

圖1 研究區(qū)影像處理后效果圖

1.3 研究方法

1.3.1 地形建模

地形模型是構成三維場景的基本要素，是進行三維可視化和空間分析的基礎，對于地形建模的方法有許多種，數(shù)字高程模型(DEM)是目前進行三維可視化建模常用的模型之一，此次采用ArcGIS軟件，對具有高程值的等高線進行處理，包括等高線的平滑、稀疏等處理，完成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的構建。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)具有數(shù)據(jù)冗余少、構網(wǎng)靈活的優(yōu)點，但是計算過程比較復雜，不便于與遙感圖像進行直接復合分析，雖然表示的地形是連續(xù)的，但是三維顯示的表面比較粗糙，而基于規(guī)則格網(wǎng)的表示方法計算簡單，存儲方便，因此將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉換成規(guī)則格網(wǎng)(GRID)，以實現(xiàn)地形建模。

1.3.2 單木建模

樹木是森林的主體，三維真實樹木模型的構建是再現(xiàn)森林可視化的一個重要組成部分，利用預先生成的一些樹木二維圖像映射圖，來實時生成不同視點的場景畫面，可以實現(xiàn)用戶全方位觀察三維樹木，這一過程稱之為單木建模[17]。利用Photoshop軟件對所需的杉木、馬尾松等研究區(qū)常見樹種的二維圖像進行特定的處理，以滿足樹木三維建模的需要，采用3D Max軟件的紋理貼圖功能，結合森林二類調查數(shù)據(jù)，為每個單木模型都賦予一個唯一的ID號，實現(xiàn)單木的三維模型(圖2)，這種方法既能保證圖像的顯示效果，又能減少模型的數(shù)據(jù)量，從而實現(xiàn)用較小的數(shù)據(jù)量實現(xiàn)真實的三維場景。

圖2 基于圖像的三維單木模型

1.3.3 系統(tǒng)設計

利用ArcGIS Engine技術進行二次開發(fā)是當前常用的技術手段[18]，本系統(tǒng)采用C#作為開發(fā)語言，利用ArcGIS Engine9.3方法完成林分3D可視化經(jīng)營系統(tǒng)的開發(fā)，是一個典型的林業(yè)GIS二次開發(fā)系統(tǒng)，主要包括森林經(jīng)營管理子系統(tǒng)、林木管理子系統(tǒng)、屬性漫游子系統(tǒng)和三大模塊；設計的主要內容包括：一是虛擬林相表達：此次研究采用了數(shù)字高程模型(DEM)與單木三維模型疊加遙感影像的方法實現(xiàn)虛擬林相的表達，根據(jù)林場范圍內的等高線數(shù)據(jù)和林相圖，以小班為單位，直接讀取等高線數(shù)據(jù)，通過Arcengine系列提供的Arcobject組件讀取DEM格網(wǎng)數(shù)據(jù)與3 ds單木三維模型，并且疊加上ASTER數(shù)據(jù)，生成虛擬的森林三維場景；二是森林經(jīng)營：研究根據(jù)林分的采伐量不超過間隔期內林木的生長量原則，綜合考慮蓄積量采伐強度和株數(shù)采伐強度等，制定上層林郁閉度不應小于0.5的規(guī)則，用林木材積、冠幅、樹高等要素來實現(xiàn)此規(guī)則。

2 結果與分析

2.1 DEM建模比較

為了取得較好的實驗結果，研究在構建數(shù)字高程模型(DEM)時分別運用了不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)法與規(guī)則格網(wǎng)(GRID)法，進行對比分析，結果表明不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)在計算過程中比較復雜，而且不便于與遙感影像進行直接的復合分析，而規(guī)則格網(wǎng)形式的DEM，其每一個格網(wǎng)都是一個立體四邊形，直接用格網(wǎng)(立體四邊形)來表示三維地面，數(shù)據(jù)組織簡單、存儲效率高、檢索速度快、使用十分方便。所以最終利用ArcToolBox工具箱將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉換成規(guī)則格網(wǎng)(GRID)，實現(xiàn)地形建模。研建的黃豐橋林場DEM圖如圖3。

圖3 黃豐橋林場DEM圖

2.2 基于ArcScene中的虛擬林相分析

ArcScene是ArcGIS三維分析模塊3DAnalyst所提供的一個三維場景工具，它可以高效地管理三維GIS數(shù)據(jù)、創(chuàng)建三維要素、建立具有三維場景屬性的圖層以及進行三維分析，實現(xiàn)基本空間瀏覽功能包括放大、縮小、漫游、導航、飛行等，但是要實現(xiàn)相對復雜的森林可視化經(jīng)營管理，讓用戶更加簡單方便的交互式操作，滿足林場基層的需求，進行ArcGIS二次開發(fā)成為了當前三維分析基本需求，研究利用ArcGIS的二次開發(fā)，更好的實現(xiàn)空間瀏覽和空間分析功能。

對于研究區(qū)樹種圖像只分了幼、中、成3個齡組(圖4)，這和實際情況有較大誤差，為了更為真實地反應樹種在不同年齡的外形特征，應分更多的年齡段進行模擬才能讓樹種外形有連續(xù)性。

圖4 三維數(shù)據(jù)庫屬性表

2.3 森林經(jīng)營

通過IFeatureLayer接口獲取用戶輸入的擇伐條件(如胸徑、樹高、年齡等)或者間伐種類(群狀間伐與帶狀間伐)，利用IQueryFilter接口遍歷數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，根據(jù)判斷規(guī)則if(useroles.Size> PlantSize)，調用Delete方法與Refresh方法，最終完成森林經(jīng)營與管理(圖5)；利用MSSQL Server建立詳細的屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎對森林資源的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進行修改、插入、刪除以及查詢等操作，實時的更新林場森林狀況。

(a) 擇伐效果顯示圖

(b) 間伐效果顯示圖

3 結論與討論

從森林虛擬技術入手，以小班為單位，建立DEM模型，利用基于圖像的建模技術，構建單木三維模型，并疊加上遙感影像圖，對森林進行三維場景的逼真顯示，在此基礎上，利用ArcGIS系列組件包開發(fā)出一套可行的森林可視化經(jīng)營管理系統(tǒng)，并結合二類調查數(shù)據(jù)進行模擬和驗證，主要結論如下：

1) 利用ViewGIS構建新的線狀圖層，然后對研究區(qū)掃描后的點陣數(shù)字圖像進行手扶自動跟蹤數(shù)字化處理，即地形圖矢量化，方法操作簡單，計算機運行速度快，而且在對等高線賦值時，可以進行等高線的連續(xù)處理，并且得到了較好的結果。

2) 規(guī)則格網(wǎng)(GRID)形式的DEM，其每一個格網(wǎng)都是一個立體四邊形，直接用格網(wǎng)(立體四邊形)來表示三維地面，數(shù)據(jù)組織簡單、存儲效率高、檢索速度快、而且與影像紋理疊加取得的效果較為理想。

3) 利用ArcEngine技術與ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，并結合上當前強大的MSSQL Server 2005數(shù)據(jù)庫功能，在Visual Stadio 2008平臺上，運用C#面向對象語言進行軟件的二次開發(fā)，大大的降低了開發(fā)的難度，提高了人機交互操作的能力，符合當前開發(fā)需要。

4) 虛擬林相的表達與森林可視化經(jīng)營管理的模擬，是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，由于森林資源信息量很大，涉及面廣泛，而且各類信息之間具有相

當復雜的關系，所以森林可視化要調用的數(shù)據(jù)量非常龐大，因此今后的研究與工作中要加強三維場景的簡化與優(yōu)化研究，簡化地形模型、樹木模型等，增強三維場景的實時顯示功能以及動態(tài)監(jiān)測過程。

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