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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.。
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。
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]。
1.2.1 树木三维可视化模拟技术目前，用于构造植物形态结构的计算机模型很多，大致可分为3大类：第1类模拟用于生成仅从视觉上近似于植物的计算机图形，注重视觉效果的逼真性，而不是植物学理论的真实性；第2类模型称为静态结构模型，是利用三维数字化方法测定具体植物的形态结构后直接应用这些数据构造特定植物的形态模型；第3类模型是动态结构模型，能模拟植物的动态生长过程（郭焱等，2001；刘兴龙等，2008）。
有关树木形态生长可视化模拟的建模方法主要有以下几种：分形法（L系统、IFS法、DLA模型法）、几何结构法、粒子系统法、随机过程法和特征综合推理法。
（1）分形法理论生物学家Lindenmayer提出了著名的基于文法、侧重于植物拓扑结构的L系统（Lindenmayer，1968）；Mech与Prusinkiewicz提出了所谓的“开放式（open）L系统”；为了模拟植物的连续生长过程，Prusinkiewicz等还提出了时变L系统。
为了能够进一步应用微分方程表示植物的连续变化过程，Prusinkiewicz等又提出了微分L系统。
加拿大Calgary大学的Prusinkiewiez等人，以L系统为植物形态结构的描述框架，开发了Vlab虚拟植物系统（Prusinkiewiez，1975）。
李大锦、徐盛、袁震东等人应用L系统算法来模拟树木在不同环境下的生长状况（李大锦，2007）。
L系统经过不断的发展，已经成为一种应用广泛、功能强大的植物模拟方法，它强调计算机图形学与植物生长机理的结合。
但是，这种方法也存在着一些缺陷。
一方面，L系统生成一个字符发展序列是一个并行迭代过程，这和植物并行生长的特征相吻合。
基于这个特点，用L系统模拟植物的生长，提取其生长规则是关键，由于高大植物的生长规则不易提取，所以L系统不能很好的模拟高大植物；另一方面，在L系统具体编程实现时，形式语言的表示方法比较复杂，而且由于在产生式中同时描述植物的几何结构信息和拓扑信息，理解和使用也比较困难。
迭代函数系统IFS（Iterated Function System）是分形几何中的重要研究内容之一。
Barnsley和Demko用IFS方法生成了具有极强自相似特征的蕨类植物叶片（Barnsley，1985）。
马石安、陈传波对基于迭代函数的树木模拟方法进行了探索。
李庆忠、韩金姝探讨几种基于IFS的彩色树木模拟技术，以及随机因素和迭代概率对树木形态的影响（李庆忠，2004）。
祁燕等采用IFS方法和随机参数化方法，构造出三维桃树和枫树的模型（祁燕，2005）。
仲兰芬等生成了单轴分枝和合轴分枝两类树木的IFS码（仲兰芬，2005）。
刘文进从交互式获取自然景物IFS码的角度对任意自然景物的信息提取问题进行了全面讨论（刘文进，2005）。
（2）几何结构法Aono与Knnii提出了树木的三维几何模型，以植物特定分枝模式为基础，使用分枝角、开度角、分枝长度比例等几何参量，实施对植物几何结构的控制和修改。
Weber 等提出了一种适合实时绘制的树木可视化模型表达方法以及相应的模型简化算法。
Lintermann等通过模块化交互建模方法用图来描述树的结构。
韩玉阁、宜益民和汤瑞峰利用随机生成方法提出了树木及丛林的随机生成模型，其中包括不同类型树木的单棵树木几何构形生成模型和由相同或不相同树木类型构成的丛林随机生成模型。
（3）粒子系统法Reeves提出了注重于模拟花、草、树整体环境的粒子系统（Reeves，1983）。
Reeves等人提出的粒子系统所绘制的森林是早期计算机生成虚拟自然景物最有说服力的例子之一。
王小铭、林拉以树木的静态造型为背景，提出一种基于骨架定制和粒子系统模型的树木模拟方法（王小铭，2003）。
用许多形状简单的微小粒子作为基本元素来表示自然界不规则的模糊景物。
由于自然景物中的大多数物体是随机的、模糊的、无规则的，因此可以把它们看作是粒子系统。
它们不是静止的，而是随着时间的变化处在不断运动中的粒子集合，随着新粒子的不断产生和运动以及旧粒子的消亡，将引起其外形及内部结构的不断变化。
因此粒子系统能较好地反映自然界的真实情况，可用于自然景物及各种自然现象的模拟显示。
适用于模拟森林、草丛等复杂模糊的自然场景。
（4）随机过程法法国农业国际合作研究发展中心（CIRAD）的Philippe de Reffye等人建立的虚拟植物模型AMAP，也称为随机过程模型，是一个针对植物结构特征的专用方法（Philippe de Reffye，2008）。
近年来，我国在此领域也取得很大的进展，以中国科学院自动化研究所中法实验室（LIAMA）为代表，他们与中国农业大学等单位合作，在AMAP的基础上建立了GreenLab （青园）模型，它以数学公式表示，弥补了AMAPsim在模拟植株的生理生态功能的欠缺，又克服了AMAPhydro只能模拟简单形态结构的不足，而且具有计算时间短的优点。
（5）特征综合推理法特征综合生成模型可分为两类:基于定义性特征综合的植物生成模型和基于描述性特征综合的植物生成模型。
毛卫强，耿卫东，潘云鹤等用这种方法模拟了树木生长季节形态变化。
随着数学模型和计算机模拟技术在植物学领域中的应用，近年已有一些学者开展了植物构筑型动态模拟技术的研究（Fisher，1992；Kurth，1994；Guoyan，2001），使植物构筑型的研究逐渐向定量化和科学化发展。
热带地区对树木地上部分构筑型的研究相对应，在温带和寒温带地区欧美植物学者开展了大量的有关草本植物，特别是无性系植物（clonal plant）地下茎构筑型的研究，并成功进行了计算机模拟（Clausnitzer，1994；Godin，1996；Lynch，1997），大大提高了人们对植物的构件的关系及其变化规律的认识。
陈敏智等探讨了利用参数化L系统生成植物结构模型的方法以及基于这些模型的植物形态可视化模拟，给出了模拟这些结构模型所需的L系统的迭代公理和若干产生式参数（陈敏智，2007）。
1.2.2 树木形态结构模型研究Barnsley提出了迭代函数系统IFS （Barnsley，1985），此后，又不少学者对此算法研究和改进。
Oppenheimer提出了基于分形，利用基本参数控制，同时在植物生长新的子枝结点处对树枝生长参数进行随机扰动实现实时动画制作（Oppenheimer，1986）。
祁燕等采用随机参数化方法，基于IFS分形算构造出真实感较强的三维枫树和桃树的模型。
李庆忠、韩金姝探讨彩色树木自然着色的方法、自然光照状态下各种树影的绘制方法等几种基于IFS的彩色树木模拟技术，并研究了随机因素和迭代概率对树木形态的影响（李庆忠，2005）。
仲兰芬等提出基于全局到局部的树木计算机建模方法，用户通过设定树冠形状来确定枝条的生长范围，采用最短距离和分形方法控制枝条的生成（仲兰芬，2007）。
迭代函数系统在模拟植物自相似时的效果良好，但是对于一些拓扑结构过于复杂的植物则显得过于单一，不能表现自然植物的丰富多彩的形态。
树木枝条空间格局及其生长变化是决定树木结构和树冠形状的主要因素。
由于枝条其自身的复杂性和多样性，所以枝条的模拟也是树木模拟的难点。
20世纪70年代，人们开始对树木的冠形和枝系结构有了进一步的研究，比较系统的有树木构筑型理论。
Halle等将热带树木划分为23个基本的构筑模式，并编制了检索表（Halle ，1978）。
树木构筑型主要是由树木的总体冠形、分枝角度、分枝方式和生长节律等构成（臧润国，1998）。
蒋有绪，臧润国等对海南岛尖峰岭树木园热带树木基本构筑型的初步分析（蒋有绪，1999）。
而树木的冠形主要是由主干及其上着生的一级枝的属性（枝长，分枝角度）来决定。
对于主干，可以用林学上常用的树高，胸径和削度方程来描述；对于枝条，也有不少学者对其进行了研究。
宋会兴基于J.L.Harper的构件理论，对1-20 a的人工马尾松林苗木的分枝率动态进行了研究（宋会兴，2001）。
何明珠等根据各级分枝角度、各级分枝长度、枝茎比、逐步分枝率和总体分枝率、分枝分维数和计盒维数等16个指标将荒漠植物分为4个类型（何明珠，2005）。
赵相健对不同生长环境下太白红杉分枝格局的可塑性做了研究，探讨其树冠构型可塑性、分枝格局与环境的关系（赵相健，2005）。
可以看出以上学者分别从树木的整体构筑型模式和及其构筑型的分类，总体冠形、分枝角度、分枝方式和生长节律等组成。
肖锐，李凤日等对30株樟子松样木枝解析调查数据，通过分析不同林分、不同大小林木1级枝和2级枝的分枝概率、分枝格局和分枝角度，揭示了樟子松人工林树冠的分枝结构特点（肖锐，2006）。
刘兆刚，李凤日等建立樟子松人工林树冠内一级枝条个数的预估模型，并对一级枝条在树冠内的垂直分布和水平分布规律进行了研究（刘兆刚，2007）。
廖彩霞，李凤日等通过樟子松人工林6块固定标准地30株枝解析数据，在分析树冠表面积和树冠体积与林分变量和林木变量的基础上，利用幂函数建立了树冠表面积（CSA）和树冠体积（CV）的预估模型，同时还对林木材积生长量与CSA和CV进行了相关分析（廖彩霞，2007）。
林勇明等采用Strahler法对福建省石峰寨风景区内的不同生长发育阶段桂花的枝系构型进行了统计分析（林勇明，2007）。
1.2.3 树木三维可视化模拟软件国内外已有很多成熟的植物三维可视化软件，其对植物模拟的侧重点也各有不同，主要的植物模拟软件有：（1）AMAP法国CIRAD开发的AMAP系列软件具有描述植物生长、死亡、枝条分布情况的植物模型和实现三维可视化植物生长过程的功能。
AMAP软件将植物结构归类为二十多种基本模型，并且可以调节有关树干、树叶、四季色相变化等各种参数，还可以通过制作地形，生成完整的自然景观动画。
由于植物生长过程的复杂性，数据的收集及其不同生长阶段的参数化是非常耗时的一件事情。
因此，AMAP软件目前的主要应用领域仍在景观设计方面。
（2）Geenlab中国科学院自动化研究所中法实验室（LIAMA）为代表，他们与中国农业大学等单位合作，在AMAP的基础上建立了GreenLab（青园）模型，它以数学公式表示，弥补了AMAPsim （Barczi et al.，2008）在模拟植物的生理生态功能的欠缺，又克服了AMAPhydro（De Reffye et al.，1996）只能模拟简单形态结构的不足，而且具有计算时间短的优点。
GreenLab模型结构模型部分主要以双尺度自动机模型（赵星，2006）为主，它是在AMAP模型基础上开发的，该方法从植物学的角度出发用微状态表示叶元的生长，用宏状态（由相同生理年龄的微状态组成的）描述生长单元的生长，并用半马尔可夫链描述微状态和宏状态之间的关系，用属性表描述各状态的具体属性，精炼的表达植物的拓扑结构，并用这两种状态的组合和循环模拟描述植物的动态生长。
