文献综述-树木可视化

基于SketchUp和ArcGIS的校园树木三维可视化孙赫;冯仲科;王海平;李影【摘要】By using data obtained from outside measuring and AutoCAD technology, campus trees and its property have been photographed and surveyed. Based on three-dimensional terrain mode which obtained by SketchUp modeling software and DEM data visualization, the campus trees of Beijing Forestry University have been operated in three-dimensional modeling and simulation, and achieved three-dimensional visualization. Combined with geographic information systems management platform and synchronization trees property information, we achieved a real and efficient visualization of trees effect.%通过外业测量获得数据并用AutoCAD 绘制校园地形图及树木点图,对校园所有树木进行拍照和属性调查,利用SketchUp 软件的建模技术,以DEM数据可视化时得到的三维地形模型为基础,对北京林业大学校园树木进行了三维建模仿真,实现树木三维可视化,并结合地理信息系统管理平台同步树木属性信息查询,实现了树木高效真实的可视化效果.【期刊名称】《林业调查规划》【年(卷),期】2011(036)006【总页数】4页(P17-20)【关键词】校园树木;三维可视化;三维建模;SketchUp;ArcGIS;DEM【作者】孙赫;冯仲科;王海平;李影【作者单位】北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083;北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;北京林业大学测绘与3S技术中心,北京100083【正文语种】中文【中图分类】S718.542;P208;P228.4三维可视化技术是目前计算机技术和信息技术发展的一个热门研究方向，而且它符合人获取外界信息的生理因素，即首先通过视觉来对信息进行直观获取.树木三维可视化技术是先进的可视化技术在林业上的一项实际应用，在计算机辅助园林和景观设计、生态环境预测与可视化、计算机动画、游戏和虚拟场景绘制等领域均具有广阔的应用前景.文中以GIS技术、三维虚拟可视化技术为核心技术，研究校园树木三维可视化表达，旨在实现校园三维场景中不同精细程度的树木三维可视化，结合地理信息系统管理平台，树木属性信息查询，实现了树木高效真实的可视化效果，为树木三维可视化技术的进一步研究提供了思路和方法.1 软件介绍1.1 AutoCADAutoCAD是美国Autodesk公司在1982年推出的计算机辅助设计软件，用于三维绘图和基本三维设计，具有强大的三维图形绘制能力.1.2 SketchUpSketchUp是Google公司推出的3D设计软件，SketchUp建模软件具有“基于实体”和“精确”建模的特性.SketchUp建模流程简单，可以让用户非常容易地在3D空间中划出边界线条，通过画线成面，然后挤压成型，这也是建筑建模最常用的方法.使用者还可以利用 SketchUp建造3D模型，并放入GoogleEarth中，使Google Earth呈现的地图更具立体感、更接近真实世界.1.3 ArcGISArcGIS是美国国家环境研究所(ESRI)经过近40年的努力开发出来的一款功能强大的地理信息系统软件.它最大的特点就是海量数据的管理、建模与空间分析、可视化等.通过ArcGIS的相应功能可以对建立的三维模型进行空间分析和数据管理.2 技术路线将GIS技术、三维虚拟可视化技术运用到校园树木三维可视化实现与研究过程中，通过对研究区内的每木进行树根点定位，同时调查树木的门、纲、目、科、属、种、栽培、原产地等信息，制作完成校园树木分布图与校园树木空间数据库，通过SketchU三维建模软件，实现对单木的三维虚拟可视化，在Arc-GIS平台中，结合遥感影像图与DEM实现所有树木的三维可视化表达.研究技术路线如图1所示. 图1 研究技术路线Fig.1 Researchon on technologies routes2.1 树木定位测量控制网的建立及每木信息调查树木定位主要以测定树根的空间坐标为主，根据地形图布设空间控制网，在控制网坐标上通过导线测量测定树根坐标点，同时对每棵树进行属性信息的调查，以便于后期制作校园树木地理信息数据库.在AutoCAD中用绘图处理功能模块里的展野外测点代码功能，可以将野外测点时规定的代码和测得的点号展到图上，这样可以方便地区分各种地物(图2).图2 校园树木点位展点Fig.2 Point exhibition of campus trees然后，对校园内的所有树木进行分类调查.制定包括名字、形态特征、观赏特征、习性、抗性栽培等方面的统计数据表，将属性数据录入，并通过序号在ArcGIS软件中利用Join功能链接到所测的树的点位图中，形成树点的地理空间数据库(图3、图4).2.2 单木三维可视化建模本次采用的建模图像数据都来源于北京林业大学校园的树木实拍照片，首先将不同种类的树木拍摄成照片，拍摄的原则是尽量选取生长条件好，周围没有遮挡的树木，且在拍摄时注意要拍摄完整，即要包括树干底部到树梢.图3 树木属性Fig.3 Trees property图4 树种属性录入Fig.4 Tree species property input照片获取后用Photoshop进行镂空化处理后才可以用来进行建模.方法为：打开Photoshop，在文件中打开要处理的树木照片，将其新建为图层1，然后对其进行处理，用多边形工具对照片多余的部分进行选择删除，并对树木枝叶间空余的部分进行镂空化处理.将处理完的相片在SketchUp软件中通过矩形框按照树木的高度与东西冠幅画矩形框，再利用给面片附纹理贴图的功能，将编辑好的镂空纹理贴到面片上.调整好纹理相片显示的位置，再将面片复制旋转90°，形成树十字简易模型，最后将模型组合封装(图5).图5 在SketchUp软件中对树木建模Fig.5 Tree modeling in SketchUp software2.3 林分三维可视化建模在DEM基础上叠加遥感影像图，实现校园三维场景的建立.此次校园DEM数据获取主要为使用全站仪实地测量控制点而得.将不同的测树点根据不同树种分成不同的图层，不同的图层在三维场景显示中调用在三维软件中建立的三维模型，实现不同树种、不同层次的树木三维可视化表达.为了使校园三维建模的地形更加逼真，将遥感影像加载到DEM三维地形上.由于校园区域不大，所获取的遥感影像图来自于Google earth.将截图拼接后形成校园遥感影像图，利用遥感影像预处理对影像进行配准，使其具有与地形图与测树点相同坐标系与投影的影像图.打开参考地形图，选取6个控制点和4个检查点.对照已纠正影像，寻找同名点.要求同名点精度误差尽量小，选刺结果不应超过1个像素的误差，若超限则重新调整控制点位.控制点的选取要求均匀分布、易辨认，如选择球场、道路交叉处等明显地物点.要注意保证典型地物的几何精度.对目标位置应多倍放大选取，尽量保证精确.一般采用自顶向下的控制点选取方法，以逐步缩小控制点的控制范围.选控制点时，控制点的多少则根据地图与图像叠加的效果来决定.一般来说，在平坦地区需要较少的控制点，而在地形起伏较大的地区则需要较多的控制点.在ArcGIS软件的Arcsence模块中，加载DEM数据与校园遥感数据，以形成校园树木三维场景与地形模型.将 DEM转换成TIN，在3D Analyst下拉工具(如果没有该工具可以在工具栏空白的地方右击弹出右健菜单，选择3D Analyst将该工具载入)选择convert下的Raster to TIN对话框，将遥感影像叠加到TIN上生成真实三维地形(图6).图6 遥感影像叠加TINFig.6 Remote sensing images superimposed on TIN 在三维地形完整的基础上就可以开始树木三维建模.①将树木的位置点加载到三维地形上，用来确定树木所在的位置.校园内树木种类较多，为了达到三维效果逼真显示，将对所有树点按树种进行分层，导入ArcGIS三维建模软件ArcScence中.将所建的三维模型加载到每个树点上，形成校园树木三维场景显示.在加载之前要调整好树木的大小和形状，使其接近真实情况.在此先加载用SketchUp制作的单木模型(图7).图7 侧柏SketchUp模型Fig.7 Oriental arborvitae SketchUp models三维可视化技术历来追求对表达物精细的三维显示，但对表达物属性信息的显示与存储难于达到，而这方面往往是地理信息系统软件的基本功能，若能结合两种软件的优点，则不仅能精细地显示树枝、树叶等细节，还可以调用树的其他相关信息. 研究中，在ArcScence界面下调用树木模型，可以实现树木的三维可视化表达，而对于树木的属性信息，可以通过点查询等功能实现属性的调用(图8).3 结语不管利用哪种三维建模软件，都很难做到根据树木调查信息而直接建模，因此有“众树一面”的问题，上面提到的不能表现树交错的问题也来源于此.因此，今后要更有效地描述森林的三维景观，还要探讨描述树的三维结构的方法与显示算法，这也是目前三维地物虚拟现实的发展方向之一.在基于树的图象的林分三维可视模型的研制过程中，笔者认为各种技术和方法的综合应用是非常有效的，图象技术与分形儿何学相结合，对解决树木的三维造型问题可能是一个有希望的研究方向.图8 树木三维显示属性信息查询Fig.8 Information query of trees 3D property display参考文献：［1］许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展［J］.现代商贸工业，2009(2)：279－280.［2］龙洁，苏喜友.国内树木三维可视化研究进展［J］.林业调查规划，2007，32(6)：44－47.［3］刘倩.树木三维可视化技术的应用研究［D］.河南农业大学.2008.［4］单楠，况明生，李营刚.基于SketchUp和ArcGIS的三维GIS开发技术研究［J］.铁路计算机应用，2009(4)：14－17.［5］洪德法，杨国东，王志恒.基于ArcScene和Sketch即时虚拟校园的建立［J］.计算机技术与发展，2008(12)：41－43，46.［6］王春华，杨克俭，韩栋.基于分枝类型和空间点的三维树木建模方法［J］.计算机应用研究，2009(4)：1591－1592，1597.。

树种。
1 02
林业科学研究
第 21卷
可见, 混交度表明了任意一株树的最近相邻木 为它种的概率 [ 18] 。惠刚盈等 [ 12] 研究认 为, n = 4 可 以满足对混交林空间结构分析的要求, 即以参照树 及相邻最近 4株树组成最小结构单元, 分析混交林 的树种空间隔离程度。
2 林分空间结构的可视化
林分可视化的一般流程为: 通过林分调查数据 获得林分的基本属性值, 如树高、胸径、位置等, 并根 据属性特征建立相应的生长模型 [ 10] , 结合三维图形 模拟系统实现可视化结果。目前发展比较成熟的林 分可视化软件包括: 美国农业部林务局 ( USDA ) 太 平洋西北部 实验站 ( Pacific N orthw est Research Stat ion) 研发出的林分可视化系统 SVS 3. 31, 法国农业 开发国际研究中心 ( C IRAD) 推出 AMAP 的软件系 统, 德国哥廷根大学研发的 TREEDRAW 和 TREESCA PE 软件等 [ 11 ] 。现有的林分可视化技术多数只基 于林分的生长模型进行了研究, 结合林分空间结构 特征的可视化研究很少。比较通用的林分空间结构 可视化方法有二种: 一种是不考虑树木的具体位置 坐标, 利用随机函数对单株木进行随机分布, 缺点是 其真实度和准确度很难预测; 第二种方法是通过对 林分的单株木进行坐标测量, 将其按照实际位置再 现, 这样需要繁重的工作量, 实现大面积的林分模拟 比较困难。因此, 这两种方法均不能达到让人满意 的效果。本文将结合二种方法, 充分考虑林分空间 结构的基本特征, 论述林分空间结构的可视化方法。
建立植物形态数据库保证了数据的完整性, 同时 也有利于今后数据的增减和更新 [ 20] 。由于目前国外 的林分可视化软件还没有符合我国森林资源特点的 植物形态特征库, 在使用前需要进行比较繁琐的数据 标准统一和转换, 因此, 建立我国植物形态特征数据 库应是林分可视化研究的基础。植物形态特征的主 要因子根据数据类型和精度需要进行设计和建库。

基于SpeedTree的树木三维可视化摘要：以某高校为例，研究树木的三维可视化。

首先通过外业实地拍摄校园树木，获取树木树皮以及树叶贴图，使用Photoshop对图片进行处理生成材质贴图，经过Crazybump转换生成法线贴图。

建模材质完成后，利用 SpeedTree 软件对树木进行建模，完成的模型制作3D符号，导入ArcGIS中，对学校局部区域的树木进行三维林分建模仿真，实现一定的树木属性查询功能，分析树木三维可视化效果。

结果表明使用SpeedTree软件制作的树木模型对于模拟三维林分场景效果较好。

关键词：SpeedTree；三维可视化；ArcGIS；建模；林分场景一、国内外研究现状目前国内很多学者对于树木三维可视化技术有很多研究，并大致分为以下三种方式：基于 L-System理论的分形研究、运用迭代函数系统的IFS（Iterated Function System）方法及粒子系统模型方法，这种分类方法是依据选择模型的异同进行的。

本文采用第一种方法，使用SpeedTree软件对树木进行建模。

目前大多数文章探讨使用Sketch up，3ds max等软件对树木进行建模，虽然已获得了初步的研究成果，但由于软件的局限性，对于树木在自然中的状态的展现还是有所不足。

文中利用SpeedTree软件进行树木三维建模，SpeedTree能最大程度地平衡性能和视觉效果，满足植物景观可视化需求，较好的展现自然界树木形态。

并且以 GIS 技术为辅助，功能强大，包含数据管理、三维分析、空间数据分析等。

二、制作过程及方法1、前期准备建模前期的准备工作十分重要，准备工作充分与否直接影响后期树木模型的制作。

树木的定位主要根据树根坐标位置，根据具体树木位置布置树木坐标，同时调查树木属性信息，为建立树木数据库奠定基础。

树木可视化建模时，首先拍摄校园内所需树种的树木，拍摄的原则是选取树木生长状况良好，叶子尽量多。

拍摄过程中，尽量以一张白纸为背景，为后期图片处理做好准备工作，减少工作量。

第42卷第11期2006年11月林业科学SCIE NTI A SI LVAE SI NIC AE V ol 142,N o 111N ov.,2006虚拟树木生长建模及可视化研究综述雷相东1　常　敏2　陆元昌1　赵天忠2(11中国林业科学研究院资源信息研究所　北京100091;　21北京林业大学信息学院　北京100083)摘　要:　虚拟树木,就是应用计算机模拟树木在三维空间中的生长发育状况,近年来已成为植物学、农林业、环境科学和计算机领域的研究热点。

生长模型和可视化技术是它的核心内容。

虚拟树木生长模型包括形态结构模型、功能模型和结构-功能模型等,其中结构-功能模型可以模拟树木与环境间的相互关系,其结果为树木的三维结构,因此它最为接近现实树木的生长,是虚拟树木生长模型的发展方向。

树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾一直是可视化研究中的难点。

树木可视化还有不同于其他物体的特性,如多级分枝、枝条的弯曲、自相似、向光性、树木分枝间的光滑与非光滑连接等。

树木可视化软件可分为2类:纯图形学软件和基于结构-功能模型的软件,其应用已涉及娱乐、商业、计算机辅助景观设计、教育、科研和林业生产等方面;但在树木构筑型数据的采集和管理、结构-功能模型的建立、树木可视化技术的研究及面向林业生产等方面仍需要大量的工作。

关键词:　虚拟树木;生长模型;可视化中图分类号:S71;TP39118 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2006)11-0123-09收稿日期:2005-04-28。

基金项目:国家863计划项目(2003AA209020),国家自然科学基金项目(30371157)。

A R eview on G row th Modelling and Visualization for Virtual T reesLei X iangdong 1　Chang M in 2　Lu Y uanchang 1　Zhao T ianzhong 2(11Institute o f Forest Resources In formation Techniques ,C AF Beijing 100091;21College o f In formation ,Beijing Forestry Univer sity Beijing 100083)Abstract :　Virtual trees are m odels that describe the grow th and development of a tree in 3D space by com puter simulation.The study of virtual plants has been m ore and m ore popular in botany ,agriculture ,forestry ,environmental sciences and com puter.G row th m odelling and visualization techniques are essential parts of virtual plants.G row th m odels of virtual trees include m orphological structural m odels ,functional m odels and functional 2structural m odels.Functional 2structural m odels may simulate the interaction between trees and its environment ,whose outputs are 3D structure of trees.Therefore ,functional 2structural m odels are m ore close to realistic tree grow th process and lead the trend of tree grow th m odelling.One of the major difficulties in tree visualization is the contradiction of between com puter time and mem ory occupation and tree m orphological structure com plexity.S pecific features different from normal objects for visualization cover self 2sim ilarity ,ram ification ,branch bending ,phototaxy ,sm oothly and un 2sm oothly blending branching etc.T ree visualization software is based on either pure graphics or functional 2structural m odels ,which has been applied in games ,commerce ,com puter 2assistant landscape design and forestry education ,research and practice.Further w ork should be done in the collection and management of tree architecture data ,the development of functional 2structural m odels ,the visualization techniques and forestry 2oriented application.K ey w ords :　virtual trees ;grow th m odelling ;visualization森林是一个复杂的动态生态系统。

目 前，已 有 众 多 形 态 不 一 的 层 次 数 据 可 视 化 方 法，或结合多种方法 设 计 适 用 不 同 数 据 的 可 视 化 系 统 ，但 很 多 工 具 和 系 统 难 以 严 格 归 类 ．本 文 认 为 树 图 在本质上是一 种 以 （数 据 关 系－内 隐 空 间 关 系 ）映 射 来呈现层次数据的 思 路，这 种 映 射 表 现 为 用 空 间 表 示数据个体，用空 间 之 间 的 包 含、覆 盖、相 邻 等 内 隐 关系表示 层 次 数 据 间 的 逻 辑 关 系．在 这 种 界 定 下， Ｊｏｈｎｓｏｎ等 在 树 图 创 始 工 作 中 ［１］ 提 出 的 严 格 使 用 矩 形划分二维屏幕空 间 的 方 法，以 及 基 于 此 方 法 的 直 接改进为树图的基 本 算 法；其 他 使 用 或 结 合 这 种 映 射思想的 可 视 化 方 法 可 视 为 树 图 可 视 化 方 法 的 扩 展．本文在详细介绍 和 分 析 基 本 树 图 可 视 化 方 法 的 同时，也广泛地简介 其 他 树 图 可 视 化 的 扩 展 方 法 和 系 统 ，并 对 其 效 果 和 实 用 性 进 行 分 析 总 结 ．
Ｂｒｕｌｓ 等 在 ２０００ 年 提 出 了 更 具 实 用 性 的 Ｓｑｕａｒｉｆｉｅｄ Ｔｒｅｅｍａｐ［４］，增 强 了 静 态 树 图 的 视 觉 体 验 和可视化效果．该算 法 力 图 使 生 成 的 节 点 尽 量 接 近 矩 形 ，使 用 一 种 贪 心 策 略 来 平 衡 算 法 效 果 和 效 率 ．当 划 分 每 一 个 节 点 时 ，其 按 权 重 从 大 到 小 加 入 子 节 点 ， 并比较２种加入的 位 置，按 加 入 后 的 整 体 长 宽 比 选 择其中较好的一个．因 其 生 成 的 节 点 具 有 很 好 的 长 宽 比 ，使 树 图 更 加 美 观 和 便 于 操 作 ，但 缺 点 是 当 节 点 的 权 重 发 生 变 化 时 ，新 旧 树 图 会 有 很 大 的 跳 变 ，视 觉 效 果 不 连 续 ．而 在 静 态 数 据 情 况 下 ，该 算 法 受 到 了 广 泛的欢迎．

基于OpenGL和VC的树木三维可视化研究摘要：本文给出了visual c++下的opengl通用基础框架程序架构，并基于图形纹理映射技术，在visual c++中利用opengl，通过纹理实时处理方法、纹理贴图方法实现了栎树的建模，取得了较好的仿真效果。

关键词：树木可视化 opengl visual c++景观可视化建模是当前3dgis、虚拟现实等领域研究的热点之一，其核心技术是计算机图形学。

对于计算机图形技术而言，生成植物、地形等一类具有真实感的自然景物比人造物体的仿真要复杂得多[1]。

由于自然景物没有规则的几何外形，而且自然景物具有丰富的无限细微的结构，很难用传统的几何方法加以描述。

树木无疑是自然场景的重要构成因素，树木种类繁多、形态各异，复杂的结构使其无论在造型、存储还是绘制上都存在相当的困难。

本文基于opengl与visual c++对宝天曼自然保护区的栎树进行仿真，取得了较好的可视化效果。

1、开发框架在目前众多的windows应用程序开发工具中，微软公司的visual c++6.0已经成为opengl图形应用的首选开发工具，而要使用opengl图形库来开发2d/3d的应用程序，就必须首先解决程序框架的问题[2,3]。

下面就如何建立一个通用基础框架程序做详细的介绍。

(1)首先启动visual c++6.0程序，建立一个新的工程；(2)完成opengl基础库设置；(3)添加变量和函数。

主要包括添加公共成员变量、数组、成员函数、消息响应函数到类等操作；(4)变量初始化；(5)设置像素格式。

在初始化opengl时，初始化函数需要一种叫做pixelformatdescriptor的结构，来完成对像素属性的设置，包括缓存设置、颜色模式、颜色位数、深度缓存位数等。

(6)使用渲染描述表。

创建渲染描述表可以使用以下语句来完成：(7)opengl 其他设置。

2、实现方法2.1 纹理实时处理方法void crenderview::loadtextureimage(cstring strfilepath) {glint m_treetexwidth=256,m_treetexheight=256;image=auxdibimageload(strfilepath);myimage=(unsigned char*)malloc(m_treetexwidth*m_treetexheight*3);glpixelstorei(gl_unpack_alignment,1);glteximage2d(gl_texture_2d,0,4,m_treetexwidth,m_treetexhe ight,0,gl_rgba, gl_unsigned_byte, rgba);/*glteximage2d()函数表示定义一个二维纹理映射。

参数化林木个体及林分场景可视化模拟技术李永亮;鞠洪波;张怀清;蒋娴;刘海【摘要】以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,以1块林分边界规整的典型杉木人工同龄纯林为研究对象,测定林木胸径、树高、冠幅、冠高与活枝下高等测树因子及林木位置信息.研究冠形曲线函数,利用Direct 3D技术,实现冠形控制下的参数化林木模拟.研究林木模型格式转换方法,为林分场景构建提供模型数据,结合MOGRE 技术,研究林分场景模拟技术方法,实现林分场景可视化模拟.结果表明:参数化林木个体建模算法简单适用,测树因子信息可直接用于林木个体可视化模拟,所建模型可体现林木个体差异,形态逼真;利用MOGRE技术可快速、有效模拟林分场景,所建场景真实感较强.此方法所需数据易于获取,适用性强,可对林木个体及林分场景进行逼真模拟,可为研究林木竞争关系、林分生长、林分结构与林分经营提供新思路.【期刊名称】《林业科学研究》【年(卷),期】2013(026)006【总页数】6页(P704-709)【关键词】参数化;林木;林分场景;MOGRE;可视化模拟【作者】李永亮;鞠洪波;张怀清;蒋娴;刘海【作者单位】中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091【正文语种】中文【中图分类】S711森林可视化模拟技术是当前林业科学研究与林业生产领域的热点研究内容。

树木可视化建模技术主要有:基于几何体的建模技术、基于过程的建模技术与基于图像的真实感建模技术［1］。

Deussen等［2-3］对使用相对少量原始要素(点、线)实时逼真绘制复杂场景进行了研究。

吴谦［4］、Oppenheimer［5］通过分析各级枝条结构，利用分形算法建立了树木模型。

宋铁英［6］以现实树木图像为原型，采用计算机图形与图像技术，构建了林分中各株树木图像。

树木三维可视化论文：树木三维可视化模拟研究与系统实现【中文摘要】数字林业飞速发展,采用可视化技术与虚拟技术模拟树木生长和森林经营管理有着非常重要的意义。

现有的可视化软件存在与树木生理学结合不紧密等不足,因此,需要开发一种基于实测数据的树木形体结构的可视化模拟软件。

本文以黑龙江省牡丹江市穆棱地区天然次生林中的红松为研究对象,于2008年设置了14块标准样地,通过树干解析、枝解析的方法获取了18株红松的树干和树枝变量因子的数据资料(包括树高、直径、着枝深度、枝长、方位角等)。

本文以VC++为编程语言,结合OpenGL开放式图形库,开发了三维树木可视化系统,实现了基于实测数据和生长模型的红松形态结构模拟、外部3DS树木模型导入和森林环境场景的构建。

本文是林业公益性行业科研专项—森林经营规划软件的一部分,主要详细研究内容如下：1、研究树木三维可视化模拟技术和建模方法的发展状况,分析树木三维可视化模拟过程中存在的不足和缺陷,提出基于实测数据和生长模型的形态几何建模方法。

通过定义树木相关变量因子的结构体、类、函数及变量,加载实测数据文件并读取相关字段到树木结构体中,在经过初始化和渲染完成树木形态结构的绘制,实现了红松静动态模拟。

这种方法得到了较好的树木可视化效果,为其...【英文摘要】Nowadays, with the rapid development of the figures forestry, using the visualization techniques and virtual technology to simulate the growth of tree and forestmanagement process is very important. But the obvious biologyis not so close to the structure of tree, it needs developmentsuch as a tree-dimensional visualization software which basedon data mapping. This study was performed in Korean pine (Pinus koraiensis Sieb) plantations in muling, mudanjiang,heilongjiang province. Based on stem and branch...【关键词】树木三维可视化 OpenGL 虚拟森林【英文关键词】Three-dimensional visualization OpenGLVirtual forest【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848 同时提供论文写作一对一辅导和论文发表服务.保过包发【目录】树木三维可视化模拟研究与系统实现摘要3-4Abstract4 1 绪论7-25 1.1 引言7-8 1.2 树木三维可视化研究概况8-22 1.2.1 树木可视化模拟技术8-10 1.2.2 树木三维可视化图形建模方法10-18 1.2.3 树木三维可视化常用软件18-22 1.2.4存在的问题和不足22 1.3 研究目标与研究内容22-25 1.3.1 研究目标22-23 1.3.2 研究内容23-24 1.3.3 技术路线24-25 2 树木生长模型和几何形态模型的建立25-35 2.1 数据收集与整理25-28 2.1.1 红松简介25 2.1.2 地理位置及地形地势25 2.1.3 森林资源及评价25 2.1.4 数据收集及整理25-28 2.2 树木生长模型28-31 2.2.1 树木生长理论方程28-30 2.2.2 树木生长经验方程30-31 2.3 红松部分生长模型的确定31-32 2.3.1 树高生长模型31-32 2.3.2 胸径生长模型32 2.4 红松几何形态建模与绘制方法32-34 2.4.1 树干模型与绘制方法32-33 2.4.2 枝条模型与绘制方法33-34 2.4.3 树叶模型与绘制方法34 2.5 本章小结34-35 3 树木三维可视化系统的设计35-42 3.1 系统设计原则35 3.2 系统需求分析35-36 3.3 系统可行性分析36 3.4 系统总体框架36-37 3.5 程序结构与功能37-38 3.6 系统开发平台的选择38-41 3.6.1 VC++6.0编程语言38 3.6.2 OpenGL图形函数库简介38-40 3.6.3 OpenGL在VC++6.0环境下的框架建立40-41 3.7 本章小结41-42 4 树木三维可视化系统的实现42-58 4.1 系统类结构42-43 4.2 程序结构与功能实现43-57 4.2.1 用户界面的设计43 4.2.2 地面场景的设置43-45 4.2.3 红松单木实测数据的读取45-46 4.2.4 单木静动态三维可视化模拟46-50 4.2.5 虚拟生长环境的模拟50-53 4.2.6 3DS树模型的导入53-56 4.2.7 简单虚拟森林场景的模拟56-57 4.3 本章小结57-58结论58-59参考文献59-64攻读学位期间发表的学术论文64-65致谢65-66。

三维可视化技术论文：三维可视化技术在林业中的应用研究进展目前三维可视化技术已广泛应用于林业，从简单的林木三维建模到辅助进行林分空间结构合理化提供了一种全新的森林生产经营理念和方式.现主要介绍在林业中最常见和最重要的应用方式.林木可视化化技术在林业应用中的基础.结合森林空间结构特征信息，可为森林经营决策提供可视化的、精准的决策标准.反演成具体的林木空间形态，采用光照、纹理、渲染等手段绘制林木图像.20世纪70年代诞生的分形几何学仍是目前林木三维可视化的主要理论依据.根据所选的分形造型的模型不同，可将产生林木分形图像的方法分为3种：基于l-system 的分形图形、迭代函数系统ifs方法及粒子系统模型方法［11,12］.分形理论的应用大大缓解了林木结构和生长复杂性给模拟带来的困难.l-系统( l-system) 是美国生物学家aristid lindenmayer于1968年提出的，指用形式语言的方法来描述植物形态的发生和生长过程.1990年清华大学郑卓嘉等率先使用l-system理论生成树木的三维逼真图形，随后，北京林业大学的郝小琴等也通过此算法，提出了与林业结合的dol算法.迭代函数系统ifs（iterated function system）是hutchison(1981)和bamsley(1985)提出并发展起来的一种研究分形集的数学方法.ifs是以仿射变换为框架，根据几何对象的整体与局部具有自相似结构，将总体形状以一定的概率按照不同的仿射变换迭代下去，直至得到满意的分形图形.粒子系统方法是1983年reevs提出的一种模拟不规则模糊物体的方法.其基本思想是采用许多形状简单的微小粒子( 例如点、小立方体、小球等) 作为基本元素来表示自然界不规则的模糊景物如粒子的产生、运动与死亡，模拟景物的动态变化.2004年雷蕾等基于粒子系统思想提出了一种基于能量模型的叶片纹理构造算法，不仅提高了模拟叶片的真实性，也避免了传统纹理贴图带来的复杂性和局限性可以看出可视化对研究森林这样复杂的生态系统来说是必不可少的.林木可视化为森林三维可视化系统提供了基础的模型.利用生长模型可以快速地模拟林分生长状况，为选择合理的竞争指标和应用不同的方法来建构竞争指标提供了依据；林火模拟能够有效地避免和减少火灾带来的灾害，同时结合通视域分析等信息可以建立合理的防火设施；空间格局的研究是和森林经营管理结合最紧密的应用方式，值得注意的是，影响空间结构参数的计算公式大多与林木间距、胸径、相邻木角度、树高等因素有关.通过研究某一区域的林木生长状况，可以得出不同树种的冠—径和冠—高模型，从而可以通过树冠面积计算林木的胸径和树高；借助大比例尺遥感数据可获得林冠投影、树木间距等信息，评估林分空间格局，极大地减少了野外调查工作.林中，也可通过模拟选择最优的经营方式，避免经营失误带来的经济和环境的损失，减少林业工作者传统作业的工作量.随着计算机的进步和软件的不断开发，可视化在林业中的应用将会更为便利.如新发布的arcgis 10版本就着重增强了其三维可视化和分析能力，不仅可以在三维环境中调用二维分析工具并展现最终的二维分析结果，还新增加了26个分析工具，实现了真正的三维分析.其时态gis的功能也可用于对比不同时期的林分结构等.。

基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟马载阳;张怀清;李永亮;杨廷栋;陈中良;李思佳【摘要】[目的]定量研究杉木林分中不同空间结构对林木冠形生长变化的影响,实现基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟.[方法]以湖南省攸县黄丰桥国有林场为试验区,在林分中选择并划分空间结构单元,进行冠形和空间结构数据调查,将林木东南西北4个方向的活枝下高、冠高、冠幅作为林木冠形描述因子,将周围木影响距离、相对树高定义为水平空间结构参数Ph和垂直空间结构参数Pv,使用多元逐步回归的分析方法,分析冠形描述因子与年龄、水平、垂直空间结构参数的关系,建立不同空间结构下杉木冠形的生长变化模型.基于B样条曲线模拟杉木冠形,构建不同生长阶段的三维杉木模型,结合三维动态渲染技术,实现杉木树冠生长的可视化模拟.[结果]通过对年龄和水平、垂直空间结构参数的逐步回归分析,结果表明:林木活枝下高、冠高和年龄、垂直空间结构参数呈现显著相关关系,模型决定系数R2分别为0.754和0.813;林木各向冠幅和年龄、水平空间结构参数呈现极显著相关关系,模型决定系数R2为0.623.基于杉木树冠生长模型和三维动态渲染技术,实现了树冠在东南西北不同方向的生长可视化.[结论]通过划分空间结构单元的方法选择研究目标并进行数据调查,使用逐步回归的方法,分析杉木冠形数据和年龄与空间结构数据的关系,建立树冠各方向活枝下高、冠高、冠幅的生长模型,结合三维动态渲染技术,使用MOGRE三维渲染引擎作为工具,实现了基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟.【期刊名称】《林业科学研究》【年(卷),期】2018(031)004【总页数】8页(P150-157)【关键词】空间结构;冠形;三维动态渲染;生长可视化【作者】马载阳;张怀清;李永亮;杨廷栋;陈中良;李思佳【作者单位】中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091;湖南省攸县黄丰桥国有林场,湖南株洲 412307;中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091【正文语种】中文【中图分类】S758在林木生长过程中，林木冠形特征除了由其自身的遗传特性决定，还会受到林木生长环境的影响[1]。

Ｖａｕ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｌ ｅＥｎ ｉ ｅ ｒｎ
・５ ・
林 业可 视 化 技 术 推 广 模 式 及 其创 新
Ｆｏ ｅ ｔＶｉｕ ｌｚ ｔｏ ｆｕｓｏ ｏ ｌａ ｔ ｎ ｖ ｉ ｎ ｒ ｓ ｓ ａ ｉａ ｉ ｎ Ｓ Ｄｉ ｉ ｎ Ｍ ｄｅ ｎｄ ＩｓＩ ｎｏ ａｔｏ
中图 分 类号 ：２ ８ Ｆ０
文 献标 识码 ： Ａ
文 章 编 号 ２ １ ）５ ０ ０ — ２
０ 引言
的 考验 ， 知 识 形 态 的技 术 结 合 市 场 需 求 转化 为 即 时 实 用 的 产 品 。 把
林 业 可 视 化 是 近 ２ 来 随 着 信 息 技 术 和 计 算 机 技 术 的快 速 发 可 以为人们产生某 个方面的效益 ，是成 功的推 广模 式不可或缺 的 ０年 性。 展 而 出现 的新 兴 研 究 领 域 ， 是 在 充 分利 用 二维 或 三 维 图 形信 息 及 特 ’ 它 １ 结构 性 结 构 决 定 功 能 。要 强化 技 术 推 广 后 的 功 能 ， 必 须 － ２ 就 与 之 相 关 的几 何 模 型 、 照 模 型 、 光 纹理 映像 和 渲 染 等 算 法 基 础 上 ， 将 模 所 建 立 的植 物 生 长 模 型 中 获 取 的一 些数 据 信 息 转 换 为 图 形 信 息 的 有 严 谨 的模 式 结 构 。 式 内部 层 次 与层 次 之 间 能够 充 分 地 密 切 合作 模 协 过 程 。目前 ， 林业 可视 化 技 术 在 实 际 生 活 中 已有初 步 应 用 ， 所用 之 处 为纵 向 合 作 结 构 ， 式 与 外 部 环 境 之 间 实 现 相 互依 靠 ， 调 一 致 为 横 向合 作 。２ ［ １ ， 织 的 结 构还 要 有 一定 的灵 活 度 和 较 为 完 善 的 管 而且 组 均 为 农 民或 管 理 者 提 高 了效 率 ， 约 了成 本 。 如 果 能 将 此 项 技 术 大 节 随 范 围推 广 ， 么 随之 带来 的经 济 效 益和 人本 效 益 将 是 不 可 估 量 的 。 理 制 度 ， 时应 对 变幻 莫 测 的市 场 。 那 １３ 系统 性 这 就 是 “＋ ＞ ” 系统 原 理 。 广 模 式 是 运行 着 的 ． １ １２ 的 推 １ 林 业可 视 化 技 术 推 广 模 式 的 理论 依 据 大 系 统 ， 由一 个 个 子 系 统 构 成 。 每 一 个 子 系统 的健 康 运 行 是 大 系 它 科 技 推 广 模 式 是 指 由技 术 推 广 主体 在 推 广 动 机 的导 引 下 所 运 而 用 的 有 关 推 广 方 式 、 法 和 措 施 等 的 总 和 ， 同 的 方式 方 法 以 及 与 统 运 行 安 然 无 恙 的 保证 ， 且 各 个 子 系统 团结 起 来 的 力量 会 大干 每 方 不 个子系统的分力相加。 之相 适 应 的 途 径 措 施 可 以形 成 不 同 的推 广 模 式 。［ 业 可 视 化 技 术 １ １ 林 １４可 控 性 该 特 性 具 体 表 现 在 ， 式 运 作 前 ， 否 预 先 建 立 了 ． 模 是 推 广是科技推广 的一种 ， 其模式构建 时 ， 要从 林业可视化技术 本身 完 善 的 监 督 体 系 ： 式 运 作 时 ， 督 方 是 否履 行职 责 ， 导 方是 否能 模 监 主 的技 术 特 点 出 发 ， 明确 目的 ， 守 原 则 ， 于 原 理 ， 于 创 新 。 有 这 恪 基 善 只 够 对 出现 的 问题 及 时控 制协 调 。 样， 我们 才 能找 到 ～ 种推 广林 业 可视 化 技 术 的最 佳 模 式 。 １５效率性 所谓效率 ， ． 就是林业可视化推广模式 的运行效 率。 借 鉴 其他 技术 推 广 理 论 ， 我们 可 以 得 出 成 功 的 林 业 可 视 化 技 术 这 与 众 多 因 素 都 有 关 系 ， 合 理 的激 励 制度 ， 泛 的 宣 传 途 径 ， 如 广 主 推 广 模 式 应 该 具 有 以下 五 种 特 性 ： 导 方 的 社 会 影 响 力等 ，都 可 以加 快 林 业 可 视 化 技 术 的推 广 速度 ， 提 １１结 合 性 林 业 可 视 化 技 术 推 广 模 式 应 该 注 重 林 业 可视 化 技 ． 高 其推 广 效 率 。 术 的市 场 结 合 性 。技 术 要 想 转 化 为现 实生 产 力 ， 必 须 经 得 住 市 场 就 ２ 林业 可 视 化 技 术 的 推 广 模 式 ２１依 据 推 广 主体 的 不 同进 行 分 类 ． 基 金 项 目 ： 文 受 国 家 ９ ８项 目（ ０ ９ ４ ４ ）北 京 市 哲学 社 会科 学 规 划 项 本 ４ ２０—— １、 ２１１政 府 主 导 型推 广模 式 政 府 为 主 导 的推 广模 式 ， 要 依 赖 ．． 主 目（９ ａＧ ５ ）北 京市 学 科 与研 究 生 教育 项 目（ＸＭ２ １— １ ２４ ０ＢＪ２９、 Ｐ ０ ０ ０４ ２ ＿ 现有政府推广机构 ， 特别是基 层推 广组织的力量来实现。政府 除了 ０ ５ ０ 资助 。 ９ ６ ０） 还 作者简介： 刘云 玲 （９ ６ ， ， 南 安 阳人 ， 理 学 硕 士 ， 京 信 息 科 技 大 学 制 定 有 关林 业 可 视 化 技 术 项 目 的推 广 发 展 政 策 外 ， 直 接 负 责 推 广 １８ ～）女 河 管 北 研 究 生 ， 究 方 向为 项 目管理 。 研 项 目计 划 ， 组 织 实 施 ， 国 家 推 广 机 构 的人 、 、 进 行 管 理 ， 家 并 对 财 物 国

林业科技推广中可视化技术的应用研究作者：莫潇来源：《科学与信息化》2018年第20期摘要近些年随着可视化技术的发展，可视化技术广泛应用于包括通信行业在内的各行各业，甚至可以发展园林科技的可视化，可视化技术作为一种先进的技术可以有效推动园林科技的发展，比如说，通过可视化技术，相关的林业从业人员可以及时观测到植被的状况，此外，可视化技术还可以实现对林地植被的模拟，包括可以对防火、病虫害进行模拟，甚至还可以对林木生长状况进行模拟，这样能够节省大量人力、物力财力的先进技术具有巨大的发展前景和应用前景，所以对林业科技推广中的客户化技术进行研究刻不容缓。

本文在对园林可视化技术的内涵进行分析的基础上，对可视化技术在园林科技中的应用进行了分析，包括对应用范围、应用方式和应用重难点进行了分析，以为林业科技的推广工作提供借鉴。

关键词林业科技；可视化技术；推广前言所谓可视化技术，通常是指那些用来直观表达事物最基本的图形手段和技术等，它是人们最熟悉的计算机显示方式，其优点是快速、直观。

在林业生产中，可视化技术能对大量抽象的数据进行分析，帮助决策者观察到数据中隐含的现象，并为发现、理解和预测事件动态提供有力的辅助，其能够使决策者能把握事件的整体演进，发现其内在规律，并做出准确、及时的判断，可视化技术在林业科技推广中具有广阔的应用前景。

1 林业可视化技术的定义和分类林业可视化这一术语是由美国计算机成像专业委员会于1987年提出的，其目的是把由数值计算或试验获得的大量数据按照自身的物理背景进行有机结合，用图像的方式展示林业相关科学数据所表现的内容及其相互关系，以便把握林业发展过程的整体演进，发现其内在规律，缩短研究周期，丰富科学研究的途径。

林业可视化技术是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，显示方式主要分为二维和三维2种。

“林业可视化”的数据包括多比例尺、多分辨率的空间矢量或栅格数据，多光谱、多角度和多种分辨率的遥感卫星影像，实地测量的地形数据和各种普通地图以及专题图、图像照片，数字、文本、符号等文字符号数据和视频音频等多媒体数据形式，不仅数据类型复杂，而且在大规模的地域数字化中，涉及领域众多，因此数据量非常大[1]。

基于GIS的林木三维可视化分析技术苏逸平【摘要】运用GIS组件技术，对空间结构分析与森林可视化系统进行了开发和优化。

首先需要创建符合树木纹理贴图特征的三维树木模型；然后运用Voronoi图优化传统的森林空间结构指数运算方式；最后利用ArcGIS完成分析。

研究结果表明，所开发的软件能为森林经营中的一些重大决策提供直观、精确的资料，可在一定程度上为常绿阔叶林等林业资源的保护以及经营管理提供帮助，促进林业的健康发展。

【期刊名称】《地理空间信息》【年(卷),期】2016(014)009【总页数】2页(P60-61)【关键词】森林可视化;GIS组件技术;空间结构;森林经营【作者】苏逸平【作者单位】浙江省测绘资料档案馆，浙江杭州 310012【正文语种】中文【中图分类】P208在人类从原始社会走向文明社会的进程中，森林起到了至关重要的作用。

文献[1]用L-system理论对树木结构特征进行描绘，从而制作出较逼真的树木三维立体图形。

这一研究促进了L-system在林业可视化中的应用[2]。

文献[3]基于L-system 理论，在可视化研究上取得明显进步，主要是将DOL算法融入到林业生产实际中。

文献[4]对L-system在表述植物形态结构方面的能力进行了研究，并运用该技术对一类竹子的外形进行了模拟演示。

随着计算机技术的飞速发展以及地理信息技术的不断进步，林业应用领域出现了“数字林业”的概念，计算机技术和GIS技术在林业研究中得到了日益广泛的应用。

当前，GIS/CAD和可视化专业软件可以完成森林可视化的操作任务。

GIS可用于制作大范围的森林虚拟景象[4-7]，但对基于真实树木位置的林分不能进行准确、直观地描述。

CAD对绿篱、行道树和株距固定的人工林等规则形态物体的描述比较擅长，但对无规则生长的天然林则无法满足要求。

这些软件所具备的技术都是宏观层面的，没有从微观世界的角度对林木本身进行三维可视化研究。

本文基于GIS技术，将宏观上的林木可视化和微观上的空间结构有机融合，进而形成一套新方法，以期为恢复、保护和重建森林生态系统提供理论依据和技术支撑。

２ 树 木 的 建模
２ １ 杉木 交互式 参数 建模 约束 规则 ．
根据 杉 木 的形态 特征 ， 在建 模 时要 突 出考 虑 以下 几 个 方 面 Ｊ（ ） 高 。杉木 为 速 生树 种 之 一 ， 木 ：１ 树 苗 定植 后 ２ ， 长较缓 慢 ， 均生长 ３ ５ ｍ； ０年生高生长迅 速 ， —３ａ内 生 年平 ０— ０ｃ ３—１ 平均年生 长量一般可达 ０５一 ．
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｐ ｅ ｅ ｔ ａｌｉ ｔ ｒｃ ｉｅ ｙ ｐ ｒｍｅｅ ｉ ｄ ｍｏ ｅ ｉｇ ｍｅｈ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ａ ｅ ｏ ｉ ｅ ｅ ｆ ，ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｅ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ｓ ｎｓ ｌ ｎ ｅ ａ ｔ ｌ ａ ａ ｔ ｒ ｅ ｄ ｌ ｔ ｏ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｈ ｐ ｆＣｈｎ ｓ ｒ ｎ ｉ ｌ ｔ ｓ ｖ ｚ ｎ ｄ ｉ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｍｅｒｃ ｌｍｏ ｅ ｓｏ ｅ ｅ ａ ｅ ｒ ．Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｅ ｔ ｉ ｓｔ ａ ｈ ｔ ｏ ａ ｉ ｌ ｔ ｈ ｎ ｓ ｒｗ ｌ． ｉ ｅ ｅ ｔｇ ｏ ｔ ａ ｄ ｌ ｆｓ ｖ ｒ ｙ ａ ｓ ｈ ｘ ｅｉ ｎ ｓｔ ｓ ｆｅ ｈ ｔ ｅ ｍｅｈ Ｃ ｓｍｕ ａｅ Ｃ ｅ ｅ ｆ ｅ１ ｉ ｌ ｉ ｔ ｄ ｎ ｉ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ：Ｃｈｎ ｓ ｒ ｅ ｍｅ ｒ ｄ ￣ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｅ ｅ ｆ ；ｇ ｏ ｔｉ ｍｏ ｅ ｎ ；ｍｏ ｐ ｏｏ ｉａ ｈ ｒｃ ｅ ｓ ｒ ｗ ｈ ｐ ｔ ｒ ｉ ｃ ｒ ｈ ｌ ｇｃ ｃ ａ ａ ｔｒ ；ｇｏ ｔ ａｔ ｎ ｌ ｅ
程， 并对马尾松进行 了相关的建模研究 。 笔者以我国特有 的用材树种杉木的生长发育观测数据为依据 ， 分析了 ３９ ３ 年生的杉木形态结构特 、、１ 征参数 ， 抽象出杉木的三维逻辑模型 ， 拟合和表现 出杉木生长参数的变化规律 ， 提出了一种交互式、 参数化 的树 木动态 建 模 的方 法 。

第13卷第10期2001年10月计算机辅助设计与图形学学报JOU RNAL O F COM PU T ER 2A I D ED D ES IGN &COM PU T ER GRA PH I CS V o l .13,N o.10O ct .,20013D G IS 中树的表达与可视化研究孙　敏　马蔼乃　毛善君(北京大学遥感与地理信息系统研究所　北京　100871)摘要　在3D G IS 中,树的表达是一个难点问题.由于树木与一般实体对象不同,具有明显的分形空间特征,因此用常规简单的建模方法很难表达一棵树.在V R 中常用的方法是利用分形算法来生成树木模型,具有逼真的可视效果,但数据量对于G IS 环境来说太大,可视化困难;在3D G IS 中常用的方法是利用树的图像替代树模型,但在近视点效果较差,同时也没有表达出树木所固有的空间特性.文中综合以上两者的优点,将树的分形模型与其图像替代模型结合起来,初步解决了树模型在3D G IS 中的可视化问题,以达到逼真、高速的可视效果.关键词　树模型,可视化,3D G IS中图法分类号　P 208Tree Represen ta tion and V isua l iza tion i n 3D GISSU N M in M A A i 2N ai M AO Shan 2Jun(Institu te of R e m ote S ensing and Geog rap h ical Inf or m ation S y ste m ,P ek ing U niversity ,B eij ing 100871)Abstract R ep resen tati on of tree is a difficu lt p rob lem in 3D G IS .T ree differs from comm onob jects in its obvi ou s fractal character ,being difficu lt to m odeling w ith comm on app roaches.N ow ,fractal is in comm on u se to p roduce vivid effect of tree .B u t the data am oun t is too large fo r its app licati on in G IS ;u sing tree i m age in stead of tree is ano ther app roach in comm on u se ,bu t in the clo se sho t ,tree i m age w ou ld give bad effect ,and the essen tial characters of tree are igno red .In th is p ap er ,w e p u t fo rw ard a new m ethod ,w h ich com b ines the tree fractal m odel w ith i m age m odel u sing LOD techno logy .B y th is app roach ,w e can p reli m inarily realize the h igh 2sp eed visu 2alizati on and vivid effect .Key words tree m odel ,visualizati on ,3D G IS 原稿收到日期:2000211206;修改稿收到日期:2001203226.本课题得到国家自然科学基金(59904001)资助.孙　敏,男,1968年生,博士后研究人员,主要从事三维城市模型及三维图像方面的研究工作,已发表学术论文10多篇.马蔼乃,女,1936年生,教授,博士生导师,主要从事遥感、地图与地理信息系统、地理等学科的研究,已出版专著4部,发表学术论文60多篇.毛善君,男,1964年生,博士,副教授,主要从事地理信息系统及计算机图形学的研究,已发表学术论文20多篇.1　引 言近年来,在G IS 领域中对3D G IS ,V R G IS 和3DC M 等相关方向的研究,一直是国际前沿的研究热点.这些研究方向有一个共同的特点,就是需要对现实环境进行逼真的描述和表达,换言之,可视化在这些领域内是一个十分重要的研究内容.树木是地理环境中一种十分重要的地物,在自然景观中起着十分重要的地位,但在现有G IS 中,对植物包括树木的表达一直是一个难点问题.原因在于:首先,植物形体的特殊性使得用分形算法生成的模型(在本文称其为分形模型)需要大量的数据,不仅计算复杂,而且效率低,可视化困难,特别在需要表达大批量的植物时这种问题更加突出;其次,使用图像替代模型(在本文称其为图像模型)往往在近视点效果不够理想,同时这种方式没有表达出植物的真实形体,对G IS 来说,不能满足其表达现实对象准确性的要求.为了在3D G IS中较好地表达树木对象,实现其高速可视化,同时达到逼真的可视效果,本文提出一种矢栅结合的方法(由于该方法结合了分形模型与图像模型,为便于说明将其称为矢栅结合的方法),该方法有以下优点:(1)能较好地表达树木所固有的空间信息;(2)兼顾了分形模型的逼真特点和图像模型的简单特点,具有较好的逼真效果;(3)对每个树模型可按屏幕上投影的象素大小,自动切换其LOD,因而具有较高的可视化速度;(4)可选择性地控制模型转换,使动画过程具有相对平稳的帧速率;2　研究现状由于分形的产生,人们早就对树木模型进行了大量研究,目前最佳的树木模型是用分形算法生成的[1].分形树木模型在V R(V irtual R eality)中运用广泛,添加有树木分形模型的自然场景往往十分逼真,但G IS与V R有着本质的区别.G IS的主要功能特点在于其空间分析与处理,V R中所强调的可视化逼真性是其研究的一个方面.在G IS中树木的表达并不适宜完全用分形模型,主要原因在于分形模型数据量过大.在G IS领域,人们已做过一些有关树模型的研究工作,除分形模型之外,至少有3种方法可以用在G IS中表达树木对象,如彩图1(见本期彩图页iii)所示:(1)实体几何模型.由一些几何要素如圆、球体和一个表达树杆的尖锥组成,如彩图1(a)(见本期彩图页iii)所示;(2)线框模型.由一系列树枝环绕树杆组成,树枝用几何图案表达,树杆同样用一个尖锥表达,如彩图1(b)(见本期彩图页iii)所示;(3)图像模型.即前面提到的图像替代模型,其实质是在一个空间长方形区域通过融合方式粘贴树木图像来表达树木,如彩图1(c)(见本期彩图页iii)所示.Gruen等[2]开发过一种称之为CC2M odeler的三维交互式建模系统,利用该系统建立了一些城市景观模型.在该系统中对树木采用了实体几何模型,即将树冠作为一个三维凸多面体进行处理[2].虽然这种处理方式简单,而且也具有粗略的植物形体,但对于景观而言,真实性较差.在简单的景观规划中,通常也会使用类似的模型.A rc V iew3DX是ESR I公司的一个三维G IS模块,它曾采用过简单的线框模型表达树[3],尽管这种模型在一定程度上表达了树枝的空间分布特征,但总体而言其效果很不理想.目前有很多G IS软件使用了第3种方法,即用图像模型来表达三维环境中的树木(如M icro sta2 ti on,Geom edia,A rc Info,M ap Info,Sup ersoft等).不仅在G IS中,在其它与V R相关的景观处理过程中,人们也用到了图像模型.JoA nna R称其为2.5D 的模型,原因在于它能随观察视点的变化绕垂直于地面的树杆轴旋转,从而在视觉上树木图像的正面总是朝向观察者[4].这种方式简单,且具有较高的观赏性,在处理数字建筑物图片,或用于艺术家作图时,效果比较理想,如彩图2(见本期彩图页iii)所示.由于其实质是在一个空间长方形区域通过融合方式粘贴树木图像,因此这种处理的结果是将具有三维空间复杂特性的树木对象以一个空间长方形替代,树木只有一定的位置,而失去了其它空间特性.分形模型能较好地模拟树木的空间特性与形态,但分形模型需要进行大量的计算与处理,因此对硬件平台要求较高.Jo sep h曾对用三维景观管理森林进行了研究[5],其中,树木分形模型由专门的软件生成,然后将其“种植”到指定的区域上,并按视点的远景对模型的大小做了处理.Jo sep h研究的效果相当逼真,但该项工作与目前V R领域中研究的自然景观模拟基本相似[6](如3D natu re公司的W CS软件),其工作的硬件平台是图形工作站.但由于描绘了大量的景观对象,所生成的景观动画相当慢,数秒钟或更长时间才绘制一帧.为了生成动态效果,需要花很长时间录制计算机所绘制的每帧图像,再使用媒体播放器进行浏览.然而,G IS需要实时动态的交互操作,景观的表达不仅仅限于可视化需求.为了满足G IS的实时性和对景观表达的逼真性,同时考虑到分形可以构造比较完美的树木模型,栅格图像又能以较少的数据和较简单的处理方式得到较好的视觉效果,因此很有必要将这两种方式结合起来.下面对这一问题进行探讨.3　树木的表达2D G IS中反映的树木的空间数据是树木的平面位置,因而2D G IS中单个树木的表达通常使用的是符号(如一个小圆圈),成片树木则使用填充多边形.但在3D G IS中,尽管在几何空间上只增加了一个高度维,但在理论上对树木而言所能表达的信息209计算机辅助设计与图形学学报2001年应该是一个完整的树,包含了树木的平面位置、高度、树冠大小、树的种类特性(如颜色、树枝分布、树叶形状)、季节特性等等;而对于成片的树木,如林地而言,包含其稀疏以及种群分布、空间起伏等信息.为了能在3D G IS 中尽可能多地表达这些信息,同时兼顾可视化的帧速率及逼真性,作者提出如下树木表达方法,也可称为对树木的建模.如图1所示为表达树木各方面信息的方案.对于单个树木,我们现仅讨论其空间位置、高度、树冠大小、空间特性、种类以及季节特性等的表达.树的空间位置可以认为由其根部所在地点的三维坐标(即X ,Y ,Z 三个浮点值)确定;高度指由树根部至树顶部的长度,由一个浮点值H 确定.树冠的大小在计算视线遮挡、讯号传播、噪声处理等相关研究方面十分重要,因而很有必要表达树冠的大小.鉴于树冠本身的复杂性,同时为了简化计算,仅用一个近似的凸多面体加以表达.树的空间特性主要指树木的形状、树枝分布、树叶形态等,线框模型可以表达一定的空间特性,而分形模型则能较好地表达树木的空间特性.但树木的空间特性除了用于可视化表达外,目前还很难用于真正的空间分析,因此线框模型与分形模型仅作为属性加以管理.树木种类除了文字表达(即在属性中可以注记)外,在视觉效果中也需要真实反映.树木的图像是在可视化过程中表达树木种类的最佳选择,分形模型自然也可以表达树木的种类.树木的季节特性主要反映在树叶的色彩及其有无上,不同季节的树木图像可以反映一定的季节特性,但稍详细的季节特性需要许多图像.分形模型可以使用绘制参数实现一定的季节特性,但一方面分形模型数据量过大,另一方面分形模型不易灵活操作,因而季节特性的实现较为困难.线框模型的绘制要比图像模型占较少的显存,但考虑到建立线框模型要花较多的工作量,同时增加了数据量,因此在研究工作中没有考虑线框模型.对于成片的树木,特别是林地,如果使用上述单个树木模型的群体表达,对于G IS 环境来说显然可视化相当困难.同时,成片的树木表达主要用在远视点,因而没必要使用详细的模型.利用分形算法在地形表面进行渲染是一种较好的方式,但难以表达树林的起伏感.在表达地形的D E M 之上的树林所在区域添加一个树木高度值,从而形成一种块覆盖(b lock dropp ing )[4],在其上再粘贴树林纹理,由此可以较好地表达树林.我们认为,最佳方法是利用空载激光扫描仪获取林地的D E M 数据,再叠加相应的航空影像.将上述表达方法写成数据模型,称为矢栅结合的树木模型,用伪代码表达如下:C lass T ree {Spatial D a ta :In t m _H eig h t ,m _w id e ,m _L eng th ;3表达树的空间操作区域,m _H eig h t 同时也表达树高度3F loat m _p osition (x ,y ,z );3表达树的空间位置,以树根部为准3 Cp oly hed ron m _P oly hed ron ; 3表达树冠,凸多面体作为一个类,具有其自身的操作与数据处理函数3 A ttribu te :CB it m ap m _B m pL OD 1,m _B m pL OD 2,m _B m pL OD 3; 3多分辨率树图像3 CB OL B m _T ree _f racta l ; 3分形模型数据3 O ther a ttribu tes … Op era tion :T ransla te _T ree (); 3用于树模型的平移3 R ota te _T ree (); 3用于树模型的旋转3 S ca le _T ree (); 3用于树模型的缩放3 R ead _B m p (in t L od ); 3用于树模型图像数据的读取3 R ead _B L OB (); 3用于树模型分形数据的读取3 O ther op era tion …}为了与LOD 层次相匹配,图像需要存储多个分辨率,包括分形模型均作为树对象的属性值加以管理.由于树的分形模型数据量庞大,宜使用BLOB (大二进制)类型加以管理.为了对树木对象及其属性值进行操作,需添加一些函数(如读取图像以及大二进制模型值,对树木模型进行平移、旋转、缩放等操作).除此之外,还可以有其它重要操作函数.下面着重讨论如何使这样一个模型实现理想的可视效果.30910期孙　敏等:3D G IS 中树的表达与可视化研究4　树木模型的三维可视化4.1　LOD 层次划分从可视效果来看,图像模型在远视点与分形模型所表达的效果基本是一致的,图2中的树木模型可以体现这一点.考虑到数据的精简,不同的视距使用不同分辨率的图像,对眼前近距离则使用真三维分形模型.在我们的研究工作中,采用了如下可视化策略:对于远距离的树林,采用对林区所在的D E M 表面粘贴对应纹理的方法,即此时不具体采用任何树木模型,而是使用地面纹理,如使用航空影像,这种情况作为L OD 1;在远距离、树木起伏感可见的时候,无论是稀疏树木,还是成片的树木,均需要使用最低分辨率的树木图像进行表达,此时为L OD 2;在近距离、树的轮廓明显时,则需要使用较高分辨率图像进行表达,此时为L OD 3;在很近的距离、树枝已经明显时,则需使用最高分辨率图像进行表达,此时为L OD 4;在眼前、树叶已经明显时,则需要使用分形模型进行表达,由于进入到眼前视野的树木一般很少,也即所需绘制的分形模型很少,因此不会造成数据量突然剧增的情况,此时为L OD 5.显然,上面的划分没有一个明显的、绝对的界限,所使用的标准是在尽可能减少数据量的同时,控制LOD 的模型切换在视觉上不会产生明显的抖动.如图2为3个LOD 层次的树木模型效果比较.4.2　算法原理与算法框架图3为三维透视投影原理,由模型描述的三维对象被放在两个裁剪面之间,前裁剪面可以看作计算机屏幕,所有三维模型需要投影到这个面上,LOD 层次的选取由模型投影到这个面上后所占象素的大小决定.如图4所示,e 为观察点,a 为视角,d 为对象在二维平面上的投影,可由象素数表示,D 为观察点到前裁剪面的距离,F 为模型所处的空间位置,l 为其真实高度,b 为模型因观察点变化引起的倾角.则d 的大小可由如下计算求得x =co s b ×l 2,y =sin b ×l 2,d =4D F l co s b(4F 2-l 2sin 2b ).由于b 因观察点视角的变化引起,可以用观察方向与Z 轴的夹角替代.这样通过观察角度、模型高度及其所处空间位置,即可求出其在屏幕上投影的大小d ,由此可以控制LOD 层次的选择.对应于5个LOD 层次,则需确定5个d 值:d 1<d 2<d 3<d 4<d 5.由下列条件判断式控制LOD 的选取:if d <=d 1then u se L OD 5else if d 1<d <=d 2then u se L OD 4else if d 2<d <=d 3then u se L OD 3else if d 3<d <=d 4then u se L OD 2409计算机辅助设计与图形学学报2001年elseif d 4<d <=d 5then u se L OD 1当距离d >d 5时,可以认为对象不可见而不予考虑.三维可视化一般尽可能控制每帧绘制的多边形数目不能太大,对于配置较好的微机来说,可控制每帧绘制的三角形的数目不超过10000个.另外,在增强可视效果的同时,还需控制光照以及纹理数据,对于整个可视化过程,可采用如下算法框架:确定视点所见的三维区域,如图3所示两裁剪面所夹的部分;尽管三维场景范围可能很大,但可视化只绘制观察点所见部分.确定位于视点可见区域内的树木对象.对每棵树按其空间位置,结合视点位置求其投影后象素的大小,然后按前述判断条件确定其绘制的LOD 层次.读入相应LOD 层次的数据进行模型绘制.在LOD 层次切换时,进行帧速率的控制:由于从图像模型绘制切换到分形模型绘制时,会造成数据量突然加大,因此对需要切换LOD 的树木模型的数据量进行控制.例如,可控制使每帧切换到分形模型的树木对象个数,以控制确定每帧所绘的三角形数目不能增加过多,从而使动画连续平稳.5　实 验基于上述思想,在我们原有的三维地形飞行系统基础上,添加了一系列树模型,树的图像采用了3种分辨率.树的分形模型由3D S M ax 经过一定的编辑后,使用专用转换工具转入到系统中.系统采用V C 6.0和O p enGL 图形库结合开发,运行于W in 2000平台上,系统的主要硬件配置为:128MRAM ,CPU P III 667M H z ,32M TN T 显卡.为便于处理,仅使用了一个树木分形模型,树木图像由分形模型处理得到.在如彩图3(见本期彩图页iii )所示的实验系统所构造的一个三维场景中,‘种植’了大约6000棵树木,图中最近的4棵树为分形模型,此时动画帧速率为10fp s 左右.由于数据量过大,因此动画不够流畅,但对于当前配置的微机来说,应该说效果已经相当理想了.6　结 论在现实环境中,树木构成了自然景观的重要部分.不仅如此,树木在环保、林业以及生态等方面有着重要的意义,因此无论是V GG IS ,3D G IS ,还是3DC M ,对树木的表达应该是必不可少的.但由于树木自然生长的复杂性,其模型的表达是一个难点问题.作者通过查阅相关的中外文献,同时结合大量的实践工作,提出了将树木的图像模型与分形模型相结合的建模与可视化方法,并基于此方案对树木的三维可视化进行了实验研究,结果表明该方法能达到比较理想的效果.但这部分工作还有待作大量的深入研究,进一步的工作,作者将研究基于树木特性及其形体的空间分析、空间查询等内容.参考文献1Q i Dong 2Xu .F ractal and Its P roducti on U sing Computer .Bei 2jing:Science P ress,1994(in Ch inese )(齐东旭.分形及其计算机生成.北京:科学出版社,1994)2Gruen A ,X inhua W .C reati on of a 3D city model of Zurich w ith CC 2modeler .In :Spatial Info rm ati on Science T echno logy and Its A pp licati ons ——R S GPS G IS T heir Integrati on and A pp lica 2ti ons ,W uhan ,1998.249-2593P ilouk M ,Petrovic D ,et al .D evelopm ent of the A rc V iew 3D analyst extensi on .ISPR S ,Part 324W 2,3D R econstructi on and M odeling of Topograph ic O bjects ,Stuttgart ,1997,32:196-2024JoA nna R .D ecisi on suppo rt system s ,environm ental models ,visualisati on system s and G IS .h ttp : bam boo .m luri .sari .ac .uk ～j o litrev 5Jo seph K .U sing 3D landscape visualizati on to si m ulate fo rest m anagem ent i m pacts .h ttp : www .innovativegis .com p rod 2ucts vfo rest63D N ature L td .h ttp : www .3D nature .com treedruld .h tm 50910期孙　敏等:3D G IS 中树的表达与可视化研究。

安徽农学通报2023年12期农业信息·农业气象数字林业研究的可视化分析——基于CNKI的知识图谱分析毕陈（云南森林自然中心，云南昆明650225）摘要数字林业是在数字地球计划之后发展起来的。

中国科学家是数字林业概念的先行者，为数字林业的发展作出了巨大贡献。

数字林业是维护森林种植、管理、使用和保护的数字框架。

本文选择CNKI数据库中关于“数字林业”研究领域的一系列文献进行科学计量分析，使用CiteSpace软件对科学领域“数字林业”进行可视化，揭示现阶段我国在数字林业领域的研究现状，进一步分析数字林业领域的研究热点，以期为今后的数字林业研究提供参考。

关键词数字林业；CiteSpace；知识图谱中图分类号G353.1；S712文献标识号A文章编号1007-7731（2023）12-0141-05林业的价值观、定义和实践因国家而异，并且一直在变化。

最早的林业定义之一出现在1916年，将林业定义为森林目的（用于木材供应和森林影响）连续管理森林的科学和艺术。

该定义在20世纪被多次修订。

1998年，美国林业协会（SAF）将林业（由IUFRO采纳，2000年）定义为以可持续的方式创造、管理和保护森林及相关资源以满足预期目标、需求的科学、艺术、商业、价值观[1]。

数字林业一词是在1998年提出数字地球计划之后出现的。

在过去的几年里，数字林业的框架和定义受到了广泛关注。

中国学者就数字林业定义、如何将传统林业转变为数字林业、数字林业的未来发展方向等进行了讨论。

CiteSpace是一个基于Java[2-3]的应用程序，用于分析和可视化科学文献的趋势和模式，包括计量学、共现分析和聚类分析。

本研究采用CiteSpace，从共同作者、国家和机构的合作网络，联合引用文献情况，共现关键词与聚类以及关键词爆发方面探索了数字林业的研究热点和趋势。

1数据来源和研究方法1.1数据来源数据来源于中国知网（CNKI）数据库。

鉴于CNKI的收录刊物繁多，期刊差异很大，为了更好地体现我国数字林业研究情况，以“数字林业”为主题进行搜索，时间设置“1991—2022年”。

关于园林设计中植物景观可视化的应用分析发表时间：2016-11-09T11:07:53.700Z 来源：《低碳地产》2016年13期作者：郑宗鑫[导读] 【摘要】随着园林景观设计的发展，可视化电子信息技术在景观设计中得到了更好的应用。

传统的二维数据已经不能满足园林景观工作的发展需求，而借助于3D、CAD、GIS等软件技术，能够进一步促进现代化景观设计的飞速发展。

本文针对园林设计中植物景观可视化价值、问题、应用措施进行探究。

广东水沐清华园林景观规划设计有限公司【摘要】随着园林景观设计的发展，可视化电子信息技术在景观设计中得到了更好的应用。

传统的二维数据已经不能满足园林景观工作的发展需求，而借助于3D、CAD、GIS等软件技术，能够进一步促进现代化景观设计的飞速发展。

本文针对园林设计中植物景观可视化价值、问题、应用措施进行探究。

【关键词】园林设计；植物景观；可视化；虚拟；数字化随着园林景观设计的发展，园林景观可视化技术迎来了新的发展趋势。

传统的二维数据已经不能满足园林景观工作的发展需求，无论是在人力、物力还是技术指导上，都存在一定的发展局限，而借助于3D、CAD、GIS等软件技术，能够进一步促进现代化景观设计的飞速发展。

从根本上说，可视化技术已经逐步从平面的手绘透视图、平面效果图发展开来，开始向着三维立体、仿真技术、模型施工的方向发展。

从这一层面上看，园林景观设计中，可视化电子信息技术在景观设计中得到了更好的应用。

通过可视化信息技术，能够将植物的人工栽植、道路养护、技术指导进行全面的融合，使景观植物能够在线条、形态、造型上进行全新的塑造。

一、园林景观设计中可视化技术的应用价值可视化技术指的是一种二维和三维相互结合的计算机可视技术。

进入20世纪70年代，在景观设计中，植物景观的利用能够将人工种植、自然栽植、植物养护等方式结合在一起，进行园林观赏性、创新性的景观设定。

但是，传统的景观设计方式需要耗费大量的人力物力，在进行设计方案的初期，缺乏艺术性、综合性的发展原则，难以实现植物在环境景观设计中的科学搭配。