蔣明

摘? 要： 傳統(tǒng)的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)因景觀數(shù)據(jù)量大，使得系統(tǒng)運行流暢度較差。為此，提出基于Unity3D的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，選擇MT9V022作為核心芯片，結(jié)合FPGA控制景觀數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計FIFO與SDRAM相連電路，保證數(shù)據(jù)安全存儲;在軟件設(shè)計上，根據(jù)獲取的景觀數(shù)據(jù)，使用Unity3D生成區(qū)域景觀生態(tài)模型，通過該模型確定敏感性因子，計算各個因子的權(quán)重與評價得分，求得敏感性綜合評價值，結(jié)合敏感性評價等級表實現(xiàn)敏感性評價。結(jié)合硬件和軟件設(shè)計完成整個系統(tǒng)設(shè)計。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的敏感性評價系統(tǒng)相比，文中設(shè)計的基于Unity3D的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)隨著數(shù)據(jù)量的增加，依然能夠流暢運行，說明該系統(tǒng)適合應(yīng)用在實際項目中。

關(guān)鍵詞： Unity3D; 區(qū)域景觀; 生態(tài)敏感性; 評價系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN911.23?34; X171? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0171?04

Design of regional landscape ecological sensitivity evaluation system based on Unity3D

JIANG Ming

（Huashang College Guangdong Univiersity of Finance & Economics， Guangzhou 511300， China）

Abstract： As the traditional regional landscape ecological sensitivity evaluation system has poor running smoothness due to the large amount of landscape data， a regional landscape ecological sensitivity evaluation system based on Unity3D is proposed. In terms of hardware design， MT9V022 is selected as the core chip， which combines with FPGA to control the transmission of landscape data， and the circuit connecting FIFO and SDRAM is designed to ensure the safe storage of data. In the software design， Unity3D is used to generate the regional landscape ecological model according to the acquired landscape data， by which the sensitivity factors are determined. The weights and evaluation scores of each factor are calculated， and the comprehensive evaluation value of sensitivity is obtained， and the sensitivity evaluation is realized by combining the sensitivity evaluation level table. The overall system design is completed in combination of the hardware and software design. The testing results show that， in comparison with the traditional sensitivity evaluation system， the designed regional landscape ecological sensitivity evaluation system based on Unity3D can still run smoothly with the increase of the amount of data， which indicates that the system is suitable for application in the actual projects.

Keywords： Unity3D; regional landscape; ecological sensitivity; evaluation system; system design; system testing

0? 引? 言

進入21世紀以來，人類的破壞行為使得生態(tài)平衡遭到嚴重破壞，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)，生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重威脅，給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，生態(tài)環(huán)境問題的預(yù)防和治理變得非常迫切[1?3]。

綜合目前的研究工作，采用區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境問題的研究和防治有一定的幫助，但是傳統(tǒng)的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境的渲染時，景觀模型數(shù)據(jù)量較大，造成系統(tǒng)運行流暢度較差，嚴重影響敏感性評價水平。

對于上述中存在的問題，引用Unity3D開發(fā)工具，結(jié)合Unity3D的虛擬技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域景觀的建模，通過模型數(shù)據(jù)提取敏感因子，依據(jù)敏感性評價等級表，完成敏感性評價系統(tǒng)的設(shè)計。

Unity3D開發(fā)工具具有跨平臺發(fā)布、地形編輯、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理和版本控制等特性，是一種動態(tài)類型、弱類型的直譯式腳本語言[4]。

將該技術(shù)應(yīng)用在區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)中，有助于改善傳統(tǒng)的敏感性評價系統(tǒng)中存在的問題，對生態(tài)環(huán)境治理有一定的幫助。

1? 區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)硬件設(shè)計

區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)需要從實際的區(qū)域景觀生態(tài)中提取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，利用專業(yè)的建模軟件生成三維模型，再獲取與敏感性相關(guān)的信息，生成敏感性因子，以此來實現(xiàn)敏感性評價。

上述過程中，從實際區(qū)域景觀中獲取信息需要利用無人機與攝像機拍攝完整的景觀，使用相關(guān)硬件提取視頻中的信息[5]。選擇的硬件有圖像采集傳感器、FPGA、SDRAM存儲電路、數(shù)據(jù)緩沖模塊以及電源電路等[6]。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采集景點圖像中使用的核心芯片是MT9V022芯片，考慮實際工作中的需求，確定該芯片各個管腳的功能及定義[7]。管腳的具體功能如表1所示。

當(dāng)使用FPGA訪問該芯片時，根據(jù)S_C_ADR0和S_C_ADR1兩個信號的不同狀態(tài)，配置圖像傳感器，設(shè)置芯片的輸出是并行的10 bit數(shù)據(jù)，將芯片的數(shù)據(jù)線的高8位傳給FPGA[8]。其接口電路設(shè)計如圖2所示。

通過上述中的MT9V022和FPGA連接實現(xiàn)圖像中景觀信息的傳輸和處理。完成處理后，提取的景觀數(shù)據(jù)暫時存儲在外部存儲器SDRAM中，數(shù)據(jù)的緩存是為了保證數(shù)據(jù)的安全性。該部分直接調(diào)用FIFO來作為數(shù)據(jù)緩沖模塊，為了保證不同的數(shù)據(jù)帶寬的數(shù)據(jù)安全傳輸，設(shè)計4個端口的FIFO來實現(xiàn)SDRAM的讀/寫，這4個端口包含2個寫緩存和2個讀緩存[9]。FIFO與SDRAM的連接如圖3所示。

通過上述過程實現(xiàn)景觀信息數(shù)據(jù)的提取，完成區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

2? 區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 確定敏感性因子

將獲取的多源景觀數(shù)據(jù)集成在一起生成DEM數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Unity3D中生成景觀模型，使用該軟件管理景觀三維模型，實現(xiàn)景觀的渲染與展示，通過三維模型的不斷調(diào)整與測試，確定區(qū)域景觀生態(tài)敏感因子。使用Unity3D開發(fā)工具需要用到大量程序代碼，通過GetComponent（）引用組件，利用pragma strictvar speed制作第一人稱控制器控制景觀模型，初始定義一個浮點數(shù)變量作為移動模型的初始控制速度[10]。模型的旋轉(zhuǎn)與移動由其自動添加的transform組件實現(xiàn)，其內(nèi)部存在已經(jīng)定義好的移動和旋轉(zhuǎn)的函數(shù)，分別為Translant（）和Rotate（），直接調(diào)用便可實現(xiàn)模型的多角度展示與調(diào)整[11?13]。

在區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性因子確定中，根據(jù)三維模型展示出的景觀生態(tài)環(huán)境，按照層次原則，進行合理的分類與選擇，經(jīng)過對上述內(nèi)容的分析，確定的敏感性因子如圖4所示。

通過上述過程確定敏感性因子，計算各個敏感性因子的權(quán)重及評價結(jié)果值，確定敏感性分級標(biāo)準。

2.2? 求取區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價等級

將上述確定的區(qū)域景觀敏感性因子的原始信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準，為求取區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價做準備。統(tǒng)一標(biāo)準后，計算權(quán)重來衡量敏感性因子的相對重要性，權(quán)重值越大，表示因子對敏感性的影響越大。權(quán)重計算公式如下：

[αj=j=1nejej] （1）

式中：[n]表示區(qū)域景觀生態(tài)敏感性因子個數(shù);[ej]表示第[j]個敏感性因子的比較值，該值是通過成對比較法中的比例矩陣獲得的[14]。利用權(quán)重計算單獨一個敏感性因子的評價得分。公式如下：

[Kj=j=1nαjn] （2）

式中：[αj]表示第[j]個敏感性因子的權(quán)重;[Kj]表示區(qū)域景觀生態(tài)第[j]個敏感性因子的評價得分[15]。將通過上述計算過程得到的權(quán)重與評價得分結(jié)合在一起，利用加權(quán)疊加法計算出區(qū)域景觀生態(tài)敏感性綜合評價值。計算公式為：

[C=j=1nKjαj] （3）

將計算出的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性綜合評價值與生態(tài)環(huán)境敏感性評價等級標(biāo)準表相對應(yīng)，如表2所示。完成區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價。以表2中獲得的等級標(biāo)準作為參照，實現(xiàn)區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價，完成系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計。

3? 區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)性能測試

3.1? 測試平臺及約束條件

選擇某一區(qū)域景觀，根據(jù)其真實的地形、植被和地物等景觀構(gòu)建相應(yīng)的模型，結(jié)合測試的實際需求搭建測試平臺，并設(shè)置相應(yīng)的約束條件。

搭建的硬件平臺為內(nèi)存4 GB DDR2667，200 GB硬盤內(nèi)存，8 MB緩存以及Radeon HD2300的圖形加速卡。制定的約束條件如表3所示。

為了更好的研究測試渲染數(shù)據(jù)量與系統(tǒng)運行效率之間的關(guān)系，將其分級比較。分級關(guān)系表如表4所示。

依據(jù)上述FPS與流暢度的分級關(guān)系表對獲得的測試結(jié)果進行分級比較。

3.2? 測試結(jié)果及分析

在搭建的測試平臺中，使用所設(shè)計的基于Unity3D的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)對構(gòu)建的景觀模型進行敏感性評價，同時引用傳統(tǒng)的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)在相同的測試平臺測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖中顯示，使用傳統(tǒng)的敏感性評價系統(tǒng)測試，隨著渲染面片數(shù)的增加，其流暢度呈下降趨勢，以流暢度分級關(guān)系表為參照，當(dāng)渲染面片數(shù)達到6萬～7萬時，對應(yīng)的流暢度下降到6以下，存在卡頓現(xiàn)象，并且越來越小，說明卡頓越來越嚴重;使用設(shè)計的敏感性評價系統(tǒng)，其流暢度并沒有隨著渲染面片數(shù)的增加而出現(xiàn)明顯的變化，并且一直處在較高的位置，說明系統(tǒng)能夠流暢運行。

4? 結(jié)? 語

生態(tài)敏感性評價對區(qū)域景觀生態(tài)環(huán)境的保護與治理有重要意義。傳統(tǒng)的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)越來越不能滿足現(xiàn)今的需求，通過引用Unity3D改善傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題。經(jīng)過對比測試，證明了設(shè)計的基于Unity3D的區(qū)域景觀生態(tài)敏感性評價系統(tǒng)性能更優(yōu)越，對做出切實合理的專項規(guī)劃方面有著重要的應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 盛曉雯，周偉，曹銀貴，等.基于景觀格局和生態(tài)敏感性的右玉縣景觀脆弱度分析[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2018，33（4）：167?174.

[2] 周菲菲.生態(tài)旅游開發(fā)對張家界自然保護區(qū)植物景觀生態(tài)的多尺度影響[J].浙江林業(yè)科技，2018，38（2）：21?28.

[3] 黨二莎，胡文佳，陳甘霖，等.基于VSD模型的東山縣海岸帶區(qū)域生態(tài)脆弱性評價[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2017，36（2）：296?302.

[4] 劉世梁，武雪，朱家蘺，等.耦合景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)承載力評價[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報（中英文），2019，27（5）：694?704.

[5] 康婧，孫永光，李方，等.遼河口海域使用變化下的生態(tài)敏感性分析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2017，37（12）：4722?4733.

[6] 李耀斌，張遠東，顧峰雪，等.中國溫帶草原和荒漠區(qū)域春季物候的變化及其敏感性分析[J].林業(yè)科學(xué)研究，2019，32（4）：1?10.

[7] 徐秋陽，王巍巍，莫罹.京津冀地區(qū)景觀穩(wěn)定性評價[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（12）：4226?4233.

[8] 張紅偉，王占岐，柴季，等.基于“源”“匯”景觀理論的山區(qū)農(nóng)村居民點整治適宜性評價研究：以湖北省十堰市房縣為例[J].中國土地科學(xué)，2018，32（11）：65?72.

[9] 高風(fēng)矚，李娟莉，謝嘉成.基于Unity3D的綜采工作面全景虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)設(shè)計[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2017，37（12）：68?72.

[10] 韓鵬冉，嚴成，孫永秀，等.克拉瑪依市中部城區(qū)外圍生態(tài)敏感性評價[J].干旱區(qū)研究，2018，35（5）：1217?1222.

[11] 張鵬，馬東，續(xù)化蕾，等.南海流花油田儲層特征及敏感性評價[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（16）：112?117.

[12] 陸劍鋒，王正平，金紅軍.三維激光掃描與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市景觀中的應(yīng)用[J].激光雜志，2019，40（7）：174?178.

[13] 洪步庭，任平，苑全治，等.長江上游生態(tài)功能區(qū)劃研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2019，35（8）：1009?1019.

[14] 趙恒謙，張文博，朱孝鑫，等.煤炭礦區(qū)植被冠層光譜土地復(fù)墾敏感性分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2019，39（6）：1858?1863.

[15] 蔡凌雁，王麗妍，伍陽，等.城市擴張生態(tài)效應(yīng)預(yù)測對輸入數(shù)據(jù)的敏感性研究[J].水土保持研究，2017，24（1）：272?278.