錫林郭勒盟草原三維數字模型的建立

王瑞永,喬江,袁清＊

(1.中國農業科學院草原研究所,內蒙古呼和浩特 010010;2.中國農業科學院研究生院,北京100081)

20世紀末,隨著“數字地球”(digital earth)概念的提出和全球信息化步伐的加快,空間信息技術得到快速發展,三維虛擬現實技術便成為其中研究的熱點。就目前而言,三維虛擬技術已經廣泛應用于醫學、軍事、數字城市、數字攝影測量等領域[1],但將其運用于草原科學領域,建立草原的三維數字模型,實現草原的三維可視化,并在三維虛擬環境中嵌入草原生態信息的相關研究尚未見報道。我國現有天然草地近4億hm2,其中可利用面積3.10×108hm2,占全國國土面積的41.7%,相當于耕地面積的4倍,森林面積的3.6倍[2,3]。草原既是我國陸地面積最大的生態系統,同時又是非常脆弱的生態系統[4-6]。草原生態系統信息數字化管理成為草業科學的重要發展方向之一。21世紀初,業界提出了“數字草原”的概念,為了實現這一宏偉目標,業界人士付出艱辛的努力,致力于將現代化信息技術廣泛地應用到草地畜牧業的生產和管理之中。目前,計算機技術和現代化信息技術已廣泛應用于草原科學領域[7],同時基于地理信息技術、遙感技術、網絡技術等多種現代化信息技術的草原信息系統不斷建立,如中國草地資源、種質資源信息系統(www.grassland.net.cn)、內蒙古草地資源地理信息系統(www.grassland.cn)、草原地理信息系統(www.digitalgrass.cn)、中國草業開發專家系統(www.ecograss.com.cn)等。但這些系統都是在二維空間上虛擬草原,在三維空間上的虛擬草原及其數字模型尚未建立。

草原三維數字模型是利用計算機技術、仿真技術、遙感技術、GIS技術等相關技術建立數字模擬現實草原的虛擬地理環境,它打破了傳統二維GIS的限制,使人們能夠進入三維虛擬環境,直接與其進行交互,并獲取更為直觀的地理信息。同時,草原三維數字模型的建立能夠完善現有地理信息系統空間的分析處理能力、拓展信息表現形式。因此,草原三維數字模型的建立對草原的信息化管理和草原生態系統的研究具有重要的現實意義,同時也對草原生態狀況的分析和變化的預測提供技術支持。

為了順應草原信息化管理的發展趨勢,在2008和2009年,以內蒙古錫林郭勒盟為研究區,開展了草原三維數字模型建立技術的研究。集成了遙感技術、地理信息技術、計算機技術、虛擬技術、仿真技術等多種現代化信息技術,科學合理地組織和管理研究區的多元地理信息和草原生態信息,并對其進行壓縮集成,最終鑲嵌于草原三維數字模型之中。實現了研究區多元地理信息及草原生態信息嵌入草原三維數字模型,并實現了三維虛擬草原空間的動態顯示和信息查詢功能,填補國內在三維虛擬草原方面研究的空白。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

1.1.1 自然條件 錫林郭勒盟位于中國內蒙古自治區的中部(東經 111°09′～ 119°58′,北緯 41°35′～ 46°46′),轄2個縣級市、1個縣、9個旗(圖1)。土地總面積202 580 km2,它是國家重要的畜產品基地。該區屬溫帶半干旱、干旱大陸性季風氣候,其主要氣候特點是風大、干旱、寒冷。年平均氣溫0～3℃,結冰期長達5個月,寒冷期長達7個月,1月氣溫最低,平均-20℃,為華北最冷的地區之一。7月氣溫最高,平均21℃。極端最高氣溫39.9℃,極端最低氣溫-42.4℃。平均降水量295 mm,由西北向東南150～400 mm遞增。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographic location of study area

地勢由東南向西北方向傾斜,東南部多低山丘陵,盆地錯落,西北部地形平坦,一些低山丘陵和熔巖臺地零星分布其間。東北部為烏珠穆沁盆地,河網密布,水源豐富。西南部為渾善達克沙地,由一系列壟崗沙帶組成,多為固定和半固定沙丘。海拔為800～1 800 m,最高峰為古如格蘇烏拉山峰,海拔1 957 m。

1.1.2 植被特征 錫林郭勒草原是內蒙古天然草地的主體部分,不僅植被類型繁多,而且植物種類也十分豐富。草地類型多樣,以典型草原為主,含有草甸草原、荒漠草原等草地類型。群落主要由旱生多年生叢生禾草和根莖禾草組成,建群種和優勢種有大針茅(Stipa grandis)、西北針茅(Stipa sareptana var.krylovii)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、冰草(Agropyron cristatum)、羊草(Leymus chinensis)、冷蒿(Artemisia f rigida)等[8]。該地區在草原類型上具有一定的典型性和完整性,在空間分布上具有一定的連續性,作為建立草原三維數字模型的研究區域,不僅在示范面積和地域方面具有可探討性和推廣性,而且在地貌特征和植被基礎也具有很強的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源及技術路線 該研究使用大量的空間數據及其屬性數據。采用的基礎圖件為中國科學院出版的1∶100萬草地類型圖、土壤類型圖,1∶5萬數字高程圖,1∶25萬行政區劃圖和溫度及降水的氣象資料;采用的遙感數據為2005年、2006年及2007年7-9月份TM 1～7波段衛星影像。各種數據均以研究區內蒙古錫林郭勒盟的行政邊界圖為基準從空間上進行了裁切,所采用的技術路線如圖2所示。

1.2.2 草原信息數據篩選 有關草原的信息數據可謂是海量數據,將其全部應用于草原三維數字模型的建立既不現實,也不可能。無論是從數據的收集還是從建立草原三維數字模型的技術來講都是不允許的,這就需要對草原信息數據進行必要的篩選。眾所周知,真實世界中的任意點是由[X(經度)、Y(維度)、Z(高程)]三維空間坐標決定的,故高程數據是建立草原三維數字模型的必要基礎數據(圖3)。要建立逼真的草原三維數字模型還需要以草地資源學和草地生態學原理為依據,結合前人的研究成果,篩選出能夠集中反映草原狀況且具有很強代表性的草原生態信息數據。草地類型反映了植被對當地氣候類型的響應,氣候因子是決定天然草地植被類型及其分布的最主要因素[9]。因此在草原生態信息篩選時,選取了草地類型、年平均降水量、年平均氣溫。

圖2 技術路線示意圖Fig.2 The map of technical route

土壤是植物賴以生存的基礎,土壤條件的好壞,直接影響植物的生長[10]。同時考慮土壤與草地生態系統中物質流動的密切關系,選取了能夠從整體上反映土壤狀況的指標,即土壤類型。另外,考慮到主要草種能夠在一定程度上反映草地質量和物種的豐富度,故選取了主要草種作為一個主要因子。人類的生活和生產活動對草原產生一定影響[11-13],因此增加了與人類活動密切相關的行政區及居民點數據資料。

最終,結合各個因子對草原生態系統的重要性并考慮到數據量的大小,篩選出來的草原信息數據資料由7個基礎圖件(數字高程圖、TM 遙感影像圖、行政區劃圖、土壤類型圖、草地類型圖、年均降水量圖、年均溫度圖)和對應的屬性文件構成。

1.2.3 數據處理及規范化 由于所收集的圖件數據都是相互獨立的,且圖幅、數據格式、數據類型(矢量和柵格)、空間分辨率均不統一。因此,首先需要以研究區的行政邊界圖為基準對收集到的空間數據進行逐一挖取,統一投影(高斯-克呂格投影,中央經線為E 117°,False Easting為500 000 m),統一格式(柵格格式)。主要處理流程如下:

1)數字高程圖處理:原數字高程為DEM(digital elevation model)的矢量數據類型,即等高線下的DEM 數據。使用ArcGIS(9.3)軟件,先用其中的3D analyst工具,生成不規則三角網(triangulated irregular network,TIN),然后生成Grid格式,最后用Erdas(9.1)軟件的Import/Export模塊生成分辨率為30 m的柵格(raster)數據格式(raw格式)(圖4)。

2)TM遙感影像的處理:共收集了18景TM遙感影像以覆蓋整個研究區。首先使用ArcGIS和Erdas軟件對原始影像進行裁剪和拼接。為了取得接近現實的貼圖效果,經過反復試驗,最終選擇 TM影像的2,3,4,5,7波段運算生成近似的真彩色遙感圖像,然后又用Photoshop(CS4)軟件在色調上做了適當調整,基本滿足了本研究的要求(圖5),最后將其規范為分辨率為30 m的柵格圖。

3)氣象資料數據處理:年均降水量和年均溫度圖是采用反距離加權法(IDW)進行空間數據插值而生成的,在空間插值的過程中借鑒文獻[14,15]做了適當修正,處理后分辨率為240 m。

4)其他圖件的處理:收集到的草地類型圖、土壤類型圖、行政區劃圖均為矢量格式,使用軟件ArcGIS和Erdas將其轉化為柵格數據格式,草地類型圖和土壤類型圖分辨率均為30 m,行政區劃圖分辨率為30 m。由于該3個圖件的屬性數據及居民點屬性數據中沒有合適的字段與三維虛擬空間進行關聯,所以在相應的數據中添加了與三維虛擬空間關聯的字段,最終將屬性數據均規范為關系型數據表格式,以自定義的tab格式保存。

圖3 三維數字模型的邏輯結構圖Fig.3 Diagram of logic structure of digital model

1.2.4 圖層疊加及與屬性數據的關聯 經處理后的數字高程圖、TM遙感影像圖及其他基礎圖件是相互獨立的。為使其在草原三維數字模型中建立高效的關聯,需要對數字高程圖與TM遙感影像圖進行疊加,并在基礎圖件與屬性數據之間建立有機的關聯。圖層疊加及與屬性數據的關聯是運用Visual C++6.0自行編寫的軟件進行處理,經處理后主要實現數字高程數據與TM遙感影像數據合并保存為的自定義的bin圖件格式。最后將三維空間數據與屬性數據通過關聯字段建立關聯。

1.2.5 建立三維數字模型的環境與方法 草原三維數字模型開發是基于Windows XP(SP3)操作系統進行的。為了便于代碼的編寫和調試,開發環境硬件采用配置為2.2 Ghz CPU、4 G內存、1 024 MB顯卡的微型計算機。開發軟件環境是基于Visual C++6.0和Visual Studio 2008環境提供的MFC框架,運用C/C++語言以及Visual C++中的高級語言進行編寫開發。具體實現策略是:首先把總體任務劃分為幾個部分(屬性數據管理、空間數據管理、數據操作、數據顯示等),再把各個部分分解為較小的任務,繼而再把小任務分解為更細化為功能模塊完成。模型建立過程是:首先逐一設計并編寫小模塊,模塊的設計和開發是通過運用C/C++語言調用OpenGL[1,16,20]提供的API函數從底層進行設計開發的。經過調試、測試后,把小模塊集成為中型模塊,再經過中型模塊的進一步封裝集成后,最終完成草原三維數字模型的開發。

2 結果與分析

2.1 草原三維數字模型的建立

基于GIS理論和草原生態學原理,綜合應用3D技術、硬件與軟件技術,建立了草原三維數字模型(grassland 3D-digital model,G3DDM),并在草原三維數字模型中嵌入多元地理信息和草原生態信息。建立的草原三維數字模型實現了多層圖件以及屬性數據的集成管理,通過操作模塊和輸出模塊相應的模塊可實現坐標轉換、地形渲染、信息查詢等功能。G3DDM的邏輯結構見圖3。

圖4 錫林郭勒盟數字高程Fig.4 DEM of Xilin Gol

圖5 錫林郭勒盟真彩色植被Fig.5 True color vegetation of Xilin Gol

2.2 三維數字模型的顯示

通過DEM獲取的數據只是三維空間離散的點,并不能生產真實的立體感。為了實現系統對草原復雜地形的逼真模擬。首先,借鑒前人的算法[17,18],依據系統的特點,自行編寫適合本系統的算法,以讀取的高程數據為基礎進行連續繪制TIN,來擬合真實的地面,運用TIN模擬三維地形效果見圖6。然后,將TM遙感影像的顏色信息鑲嵌三維空間模型骨架之上,即實現TM遙感影像作為紋理映射到三維地形之上,送入OpenGL渲染管道進行實時渲染,便實現了三維虛擬草原地形的渲染,三維地形渲染的流程見圖7;映射TM遙感影像到草原三維數字模型上實時繪制三維虛擬草原的場景見圖8。地面隨著數字高程的變化,呈連綿起伏的三維地形仿真效果。

圖6 TIN模擬三維地形顯示Fig.6 The display of terrain simulation using TIN

圖7 基于OpenGL三維地形生成的流程Fig.7 The procedure of 3D terrain generation using OpenGL

圖8 草原三維數字模型的顯示Fig.8 The display of 3D-digital model of grassland

2.3 三維數字模型草原信息的嵌入、顯示

2.3.1 多元地理信息的嵌入、顯示 為了方便草原地理信息及生態信息的查詢,在草原三維數字模型中設計了動態查詢多元地理信息及生態信息的機制。可用鼠標隨意指向三維虛擬草原數字模型中的任意一點(無需點擊),便能迅速、動態獲取該點草原的多元地理信息及生態信息(大地坐標、地理經緯度、海拔、草地類型、生長的主要草種、土壤類型、年平均氣溫、年平均降水量等)。草原多元地理信息查詢顯示是通過坐標轉換模塊和計算模塊來實現的,而草原生態信息的查詢顯示是基于地理坐標和已建立屬性關系表實現的。

2.3.2 居民點的嵌入、顯示 由于天然草地多分布于生態環境相對較為脆弱的干旱半干旱地區,故草地生態系統是受人類活動影響最大的陸地生態系統之一[7,19],尤其隨著人口數量的不斷增加,人類對草原生態系統的影響愈來愈明顯,于是在草原三維數字模型中嵌入了在一定程度能夠反映人類活動的信息,即居民點信息。居民點信息的嵌入是通過在三維虛擬地形模型上疊加點圖層實現的,居民點信息嵌入草原三維數字模型后,會在三維虛擬草原地形上自動用紅色斑點標記城、鎮、村落等的所在位置(圖9)。只需將鼠標移動到標記點上,或標記點附近,便會以文本形式顯示該點的屬性信息。居民點信息主要顯示該點地名的名稱,如城市名、蘇木名、嘎查名、機井、電站、街道辦事處、車站名等。

圖9 草原三維數字模型渲染效果Fig.9 Render effect of grassland 3D-digital model

2.3.3 行政邊界的嵌入、顯示 行政邊界嵌入是通過在三維數字模型中疊加線狀圖層實現的,在三維虛擬草原場景嵌入行政邊界后,能夠方便地識別行政區的邊界,目前該草原三維數字模型上可以疊加研究區的分旗縣行政區劃圖,并用紅色線條顯示在三維虛擬草原地形上。

3 討論

該草原三維數字模型的建立是運用VC++6.0和Visual Studio 2008軟件進行完全自主設計、底層開發,不依賴于任何國內外商業軟件。首次在國內建立了大范圍、較高分辨率的草原三維數字模型,該三維數字模型的建立集成應用以高程數據為核心的多層圖件數據,并將多元草原生態信息嵌入與三維數字模型,在三維虛擬草原場景中成功地實現草原信息的快速查詢。同時,該三維數字模型的建立運用視景體裁剪技術、背面剔除技術[20,21],然后經過算法的反復優化,在中高檔的微型計算機上運行能夠滿足渲染的要求。建立的草原三維數字模型經過30余次的反復驗證,運行穩定,查詢準確可靠,在配置為1.8 GHz CPU、2 G內存、512 M 顯存的微型計算機上,G3DDM渲染1.46 G圖件數據的幀率平均為22 FPS左右(圖9)。相對于數據量大小,三維數字模型采用的算法優于ROAM算法[22,23]。但是,該三維數字模型也存在一些不足之處,比如:草原信息指標選取不夠全面,功能還需進一步完善,分辨率、信息豐富度、遙感影像處理效果等方面都有待于進一步提高。對草原三維數字模型一套新操作方案和機制仍然在不斷深入研究之中,主要解決多時相遙感影像疊加和草原生態狀況的動態分析和預測。總之,該數字模型的建立有利于進一步加快草原信息管理的步伐,并為三維虛擬草原的深入研究提供了技術支持。

理想的數字草原不僅是現實草原在網絡平臺上的模擬與再現,而且是多元科學數據集成應用的共享系統,瀏覽、檢索、查閱、計算、分析,甚至預測都可以在數字草原得以實現[24]。隨著草原信息化的不斷發展,草原三維數字模型將與草業相關地理信息系統、專家系統等結合集成,將形成三維虛擬草原的智能化,能夠在三維虛擬環境下對草原生態狀況進行實時動態分析及預測。隨著網絡技術的發展和WebGL標準規范預計2010年上半年制定完成,有助于利用HTML5的相關技術實現草原三維數字模型在互聯網上的搭建。目前仍在進行此方面的深入研究。

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