基于虛擬植物的冠層內生菌空間分布可視化

李界光，唐麗玉，陳崇成

（福州大學 a.空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室；b.福建省空間信息工程研究中心，福建 福州 350002）

基于虛擬植物的冠層內生菌空間分布可視化

李界光a，唐麗玉b，陳崇成a

（福州大學 a.空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室；b.福建省空間信息工程研究中心，福建 福州 350002）

為了形象、直觀、逼真表達植物內生菌在植物形態結構中空間分布，為研究分析植物形態結構中的分布規律提供輔助手段, 在參數化單樹建模軟件ParaTree的基礎上，采用多邊形表示法來表達葉片的三維形態，達到更精細地建模，有利于表達內生菌在葉片不同部位的分布；同時建立三維模型的包圍盒，實現對模型的局部操作，有利于表達內生菌在植株不同部位的分布。以柑桔為例，建立單株木的三維模型，根據內生菌的分布數據，用不同的顏色表示不同的內生菌的種類。可視化結果可以直觀體現內生菌的空間分布規律，這可為病蟲害防治技術科學研究、知識普及、農枝推廣應用提供新方法。

虛擬植物；病蟲害；可視化； 內生菌

植物三維可視化發展40多年來，其對植物研究、景觀規劃、資源信息化管理、知識教育、動漫游戲等領域的作用已被各界人士所認可。隨著計算機軟硬件技術的發展和社會的需求，使植物三維形態結構虛擬仿真、數字植物研究成為國內外農業科學研究領域的研究熱點問題之一[1]。國內外許多學者進行了有益的探索，提出一些典型的方法，如基于L-系統建模方法[2]、分形方法[3]、參考軸技術[4]、交互式參數化建模方法[5-8]；已形成了一些系統軟件，比較成熟的有：L-Studio[9]、Amap[4]、GreenLab[10]、SpeedTree、Xfrog、Onyx、OntoPlant[11-12]。隨著虛擬植物研究的不斷深入，其應用范圍不斷擴大，在植物病蟲害中也有了相關報道[13]，Wilson認為虛擬植物是研究和管理植物疾病的新輔助工具，可發揮人的視覺功能，更好的保護植物。目前大部分學者針對不同需求，探索了不同植物建模方法，還很難有一種通用的方法。對植物病蟲害的可視化表達，若是要顯示景觀尺度上受害后的情況，就不追求器官上的具體細節；若要研究內生菌在不同部位枝條、不同部位葉片的分布規律；要求對器官精細表達。

本研究將根據內生菌在柑桔植株中，不同朝向、不同高度、葉不同部位，不同內生菌的分布特征[14]，改進OntoPlant-ParaTree軟件，對柑桔植株內生菌空間分布進行形象、逼真的三維可視化表達。

1 單株木三維可視化方法

1.1 參數化單株木三維建模

本研究單株木三維建模采用交互式參數化三維建模方法[6-7，15]。把植物地上部分分為主干、枝條、葉、花、果等器官，每種器官采用一組參數進行描述。如主干的描述參數有基徑、樹高、半徑變化、樹皮紋理、分節長度、分節數、第一層枝條的起始位置、結束位置和分布密度。枝條的描述參數有枝條的層次、長度、半徑、半徑變化、與上一層枝條的夾角、夾角變化、下一層枝條的分布與密度。葉的描述參數有樹葉的尺寸、與上一層枝條的距離、樹葉紋理，花、果的參數與葉相似。樹木的拓樸結構是根據植物形態結構的分層規律建起來的，由主干分生第一層分枝，再由第一層分枝分生第二層分枝，如此一層一層分生直至生長樹葉（花、果）。樹木形態結構的生長發展就是這樣不斷地在前一層基礎上復制與其相似的組織結構，呈現出一定的自相似的分形特征。

基于參數化建模方法形成的軟件OntoPlant-ParaTree[14]的主要功能如下：（1）單株木建模。用戶可根據特定植物的形態結構特征，通過交互地設置、調整主干、枝條和葉（花、果）的參數，形成滿足用戶需求的模型。形成植物三維模型具有較強的真實感，同時符合植物的形態結構特征。（2）修剪模擬。用戶可通過約束規則和交互拾取某枝條（或枝段）兩種方式進行修改。（3）物候變化和生長過程模擬。用戶可通過編輯樹葉紋理對植物的宏觀物候現象，如抽枝、開花、坐果、果實成熟等進行模擬或仿真。也可根據特定植物的生長發育特點，通過改變其所處的生長階段，來模擬植物生長發育過程，形象表達植物生長發育。（4）數據的輸入輸出。系統支持軟件自定義的.ptm格式的植物參數模型文件的導入導出、msh格式器官模型的導入，支持dds、tga、jpg、bmp等格式的植物紋理。模型導出支持VRML三維模型格式，進行網絡發布。模型的生成導出與加載功能也可以方便地應用于大場景森林的生成。（5）可視化交互。系統能夠提供友好的人機交互界面，樹木參數調整通過“即見即所得”的方式進行。功能包括模型查看、渲染模式切換、背景設置、單株基本參數設置等。用戶可以通過鼠標和鍵盤實現模型的平移、旋轉、縮放等瀏覽方式，可以采用不同的天空、地面紋理渲染三維可視區域背景以及查看樹木的拓撲形態和幾何形態統計數據。采用層次結構圖形象表示植物形態結構的拓樸結構。

1.2 單株木三維建模方法改進

要形象表達內生菌在植物不同方位、不同高度、葉不同部位的分布情況，需對器官進行精細建模和對植物模型進行分區操作。OntoPlant-ParaTree單株木三維建模中，莖被分解為枝段，枝段采用圓錐體（或圓柱體）進行表達，通過調整其參數，即可形成不同詳細程度的三維模型，能滿足實際需求；而葉主要有兩種表示方法，一種是葉簇或單葉采用Billboard繪制方法，這樣無法對葉局部以不同的顏色渲染，而另一種是采用曲面形式，但不能對局部進行精細的控制渲染。

為了能對樹葉局部進行修改，本研究對葉建模采用3DMAX建模軟件，建立樹葉模型，并根據葉片的長度，劃分為60等分，葉片各點之間以三角形連接，構成網狀模型。如圖1所示。將建立好的葉片模型導出為OBJ格式，它是多面體表示的一種形式。OBJ格式文件主要存儲了點的紋理坐標、法線坐標、頂點坐標。由于OntoPlant-ParaTree軟件擴展了導入OBJ模型的接口，所以，可以直接把樹葉模型導入到OntoPlant-ParaTree軟件中，對樹模型進行可視化。

圖1 樹葉Mesh模型Fig.1 Mesh model of leaves

為了對植物模型進行分區操作，本研究對模型進行包圍盒的建立。包圍盒采用長方形，長方形的數據結構體中包含每個包圍盒的左下角、右上角坐標、每個包圍盒索引等信息。其存儲結構如圖2所示。

為了滿足對樹木上下、東南西北各部分的操縱，本研究共建立了12個包圍盒。如圖3所示。

2 柑桔植株內生菌空間分布可視化

圖2 單珠木模型包圍盒存儲結構Fig.2 The storage structure of bounding box for individual plant model

圖3 單樹模型剖分示意Fig.3 Schematic representation of individual model dissection in different direction

根據劉波[17]研究表明，柑桔植株不同朝向中，東面葉片內微生物PLFAs含量最大；不同高度中，下部葉片內生微生物PLFAs含量最大；不同健康狀態中，帶有黃龍病原葉片內生微生物PLFAs含量比健康植株葉片更大。

現以柑桔為例，顯示植物柑桔植株體各內生菌空間分布特征。現假設：

(1)內生菌名稱為：SP1、SP2、SP3、……SPn；

(2)植物模型分布：上部四個方向葉子、中部4個方向葉子、下部4個方向葉子；

(3)每個部位可能有不同的內生菌SP1、SP2、SP3、……，數量等級分為1～4級，分別以不同的顏色表示；

(4)同一個部位可能有多個內生菌，但最多限制5個，用葉子長度平分內生菌的個數；

(5)植株中各菌株空間分布見表格1，表中數據為菌株在不同部位分布的個數。

可視化要求為：一顆樹有4個方向，上中下3個部位，共12個顯示單元（葉子），每個葉子上可以是1～5種內生菌，每個內生菌的種類占葉子一定的面積，每個內生菌數量分為4級，1、2、3、4，分別用以不同的顏色表示。

根據內生菌的分布數據，按照葉子長度將葉片劃分為5個區域，每個區域代表一種內生菌的生長區間，每個區域使用一種顏色表示。不同的數量等級，使用不同的顏色深度代表，顏色深的表示數量多，顏色淺的表示數量少。

表1 柑桔植株的不同菌株空間分布數據Table1 Spatial distribution data of different kinds of endophytes for citrus

針對上述的可視化表達的需求，本研究按照圖4的技術流程實現柑桔植株內生菌空間分布可視化。

著色處理是的關鍵部分，主要是對每片葉子的所有頂點賦予顏色值，并根據每個包圍盒中各種內生菌的數量等級，計算梯度顏色，最終以梯度顏色顯示整個樹模型。初始設定五種顏色值，界面如圖5，圖6為柑桔植株各內生菌空間分布三維可視化效果圖，從圖中可以形象、直觀地看出，SP1菌種大部分分布于葉尖、SP5菌種大部分分布于葉柄附近。本系統可以交互式建立不同的植物模型、交互式地選擇各種顏色，讓用戶定置生成明顯區分、直觀的三維可視化效果圖。

圖4 柑桔株體內生菌空間分布可視化技術流程Fig.4 The flow of visualization for endophytes space distribution of citrus

圖5 表示內生菌顏色調色板Fig.5 Color pattern of endophytes representation

圖6 柑桔植株各內生菌空間分布的三維可視化Fig.6 The screenshot of endophytes spacial distribution in citrus canopy

3 結 論

參數化單樹建模軟件OntoPlant-ParaTree是采用可視化交互形式，以“即見即所得”的直觀方式，生成形態各異的不同樹種、不同年齡、不同物候植物真實感三維模型。本軟件采用參數化（包括數值和曲線）的方式調控植物模型的形態，不要求用戶具備太多的植物學知識，因此系統具有較強的實用性和易用性，可推廣應用于林業資源管理、園林景觀規劃、精準農業、游戲動漫制作，以及植物學和生態學方面的教研、宣教等專業研究與應用。但系統還不能直接用于表達單株內生菌在冠內的可視化。

本研究根據植物內生菌分布特征和三維可視化需求，在參數化單樹建模軟件OntoPlant-ParaTree軟件的基礎上，采用多邊形表示法來表達葉片的三維形態，能更精細地建模；采用包圍盒對三維模型進行分塊操縱，這樣有利于表達內生菌在葉片不同部位的分布。以柑桔為例，建立單株木的三維模型，根據內生茵的分布數據，用不同的顏色表示不同的內生菌的種類。可視化結果可以直觀體現內生菌的空間分布規律，這可為病蟲害防治技術科學研究、知識普及、農枝推廣應用提供新手段。

[1] 趙春江,肖伯祥,郭新宇,等.植物三維形態數字化設計評價指標體系探討[J].中國農業科學,2011,44(3):461-468.

[2] Lindenmayer A. Mathematical models for cellular interactions in development.Part I and Ⅱ [J]. Journal of Theoretical Biology,1968, 18(3): 280-299.

[3] Mandelbrot B B. The fractal geometry of nature [M]. San Fransisco: Freeeman, 1982.

[4] De Reffye P, Edelin C, Francon J, et al. Plant models faithful to botanical structure and development [J]. Computer Graphics,1988, 22(4): 151-158.

[5] Lintermann B, Deussen O. Interactive modeling of plants [J].IEEE Computer Graphics and Applications, 1999, (1/2):56-65.

[6] 孫靜靜,唐麗玉, 姚林強,等.基于形態結構特征的馬尾松幾何建模研究[J].林業科學,2007,43(4):71-76.

[7] 陳崇成,唐麗玉,權 兵,等.基于信息管理的一種虛擬森林景觀構建及應用探討[J].應用生態學報,2005, 16(11):2047-2052.

[8] Tang L Y, Chen C C, Wang Q M, et al. Modeling of Pinus Massoniana based morphological architecture[C]//Proceedings of the 16th International Cofference on Artificial Reality and Telexistence-Workshops (ICAT’06), 2006:312-317.

[9] Prusinkiewicz P, Karwowski R, Měch R, et al. L-Studio/Cpfg: a software system for modeling plants [J]. Applications of Graph Transformations with Industrial Relevance, 2000: 161-164.

[10] Hu B G, de Reffye P, Zhao X, et al. GreenLab: towards a new methodology towards plant functional-structural model-structural aspect[C]//International Symposium on Plant Growth Modeling,Simulation, Visualization and Applications, 2003:21-35.

[11] Tang L Y, Chen C C, Zou J, et al. OntoPlant: an integrated virtual plant software package for different scale application[C]//2011 IEEE International Conference on Spatial Data Mining and Geographical Knowledge Services (ICSDM2011) in conjunction with Eighth Beijing International Workshop on Geographical Information Science (BJ-IWGIS 2011), 2011: 308-314.

[12] 林 定,陳崇成,唐麗玉,等.基于顏色編碼的虛擬樹木交互式修剪技術及其實現[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011,23(11):1799-1807.

[13] Wilson P A, Chakrabrty S. The virtual plant: a new tool for the study and management of plant diseases[J]. Crop Protection,1998, 17(3): 231-239.

[14] 劉 波,鄭雪芳,孫大光,等.柑桔黃龍病株不同部位內生菌群落結構的多樣性[C]//第三屆全國微生物資源學術暨國家微生物資源平臺運行服務研討會會議論文摘要集,2011.

Visualization of canopy endophytes space distribution based on virtual plant

LI Jie-guanga, TANG Li-yub, CHEN Chong-chenga
(Key Lab. of Spatial Data Mining & Information Sharing of Ministry of Education, Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian, China)

∶ In order to express endophytes’s spatial distribution in the morphological structure of plant with realistic, intuitively, vividly visual means, and to provide an assistant method for researching and analyzing the spatial distribution law in morphological structure,based on the parameterized individual tree modeling software tool-ParaTree, the three-dimensional model of the leaves was set up by using polygonal structure method, which is adaptive for depicting more detail model, and is advantageous to describe the endophytes’distribution in different parts of the leaves. At the same time, a bounding box of 3D model was constructed, in order to manipulate part of individual model. That is helpful to express endophytes’s distribution in different parts of plant. Taking the citrus as an example,an individual plant 3D model was constructed. According to the data of the distribution of endophytes, and by using different color to represent different kinds of endophytes, the visual model can show the law of spatial distribution of endophytes. The method can provide a new method for studying of pest and disease control technology, popularizing knowledge and agricultural technology.

∶ virtual plant; pest and disease; visualization; endophytes

S718；TP391.9

A

1673-923X (2012)06-0138-04

2012-02-30

國家863計劃課題（2012AA102002）；國家自然科學基金項目（30972299）；歐盟第七框架項目（FP7-2009-People-IRSES,247608）；福建省自然科學基金項目（2010J01203）

李界光(1983—)，男，江西吉安市人，碩士研究生，主要從事地學可視化與虛擬地理環境、數字地形、計算機圖形學研究；E-mail:lijieguang2124@sina.com

唐麗玉（1972—），女，福建莆田人，副研究員，博士，主要從事地學可視化與虛擬地理環境、虛擬植物方面的研究；

E-mail: tangly@fzu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]