基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統的設計與實現

王晶晶，唐麗玉，林 定，林郁欣

(1.福州大學 福建省空間信息工程研究中心 空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350002；2.福州林景行信息技術有限公司，福建 福州 350002)

基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統的設計與實現

王晶晶1，唐麗玉1，林 定1，林郁欣2

(1.福州大學 福建省空間信息工程研究中心 空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350002；2.福州林景行信息技術有限公司，福建 福州 350002)

古樹名木管理的現代化和信息化，是衡量一個地區或城市市政公共資源管理水平的重要標準。利用虛擬植物和地理信息系統的集成技術，實現了基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統的設計和開發。在系統功能需求分析的基礎上開展系統體系結構的設計，并基于Visual Studio 2008開發工具和OpenGL圖形標準，實現了實用化系統。系統具有古樹名木的檔案管理、古樹周邊環境的三維重建、三維場景中單株木信息查詢等功能。系統的推廣應用，將大大促進古樹名木管理與保護工作的規范化、信息化和可視化。

古樹名木；信息管理；虛擬植物

古樹名木是指有百年以上樹齡、珍稀的樹木，是中華悠久歷史的見證和體現。古樹名木的保護對研究城市的生物資源、植物分布、環境變遷、物種遺傳特性和歷史文化遺產具有重要的科學價值，對發展城市旅游業也具有重要的意義。目前，已有研究學者提出了古樹名木信息管理系統的解決方案[1-3]，但是，常規的古樹名木信息管理系統大多以二維圖片、統計報表等形式的檔案管理和信息記錄為主。單一的信息管理模式，缺乏古樹名木三維直觀表達及其周邊環境的三維場景的再現，不易激發保護意識，沒有為相關部門實施管理、保護以及復壯、移植等措施提供全方位的信息。利用虛擬現實技術模擬古樹名木適宜的真三維環境，構建一個形象逼真、具沉浸感的輔助平臺。依托一個真實的古樹名木三維信息環境，在表現古樹名木形態結構的同時，有利于調查分析古樹名木衰亡的原因，促進古樹名木復壯和保護工作的有效開展和推廣。

縱觀植物三維建模工作的研究歷程和成果，虛擬植物已經被廣泛應用于農業生產、教育和精準農業[4]，生物學科教學[5-6]，虛擬實驗和虛擬農場、森林[7]，虛擬植物舞蹈動畫和電影事業[8]等領域。基于面剖分的二維地理信息系統由于其空間局限性和缺乏可視化能力，逐漸被真三維GIS所替代。而三維地理信息系統在數字城市[9]、油氣勘探[10]、地學[11]等多領域的應用研究正在如火如荼地進行著。

本文有效集成虛擬植物模擬新技術和三維地理信息系統，設計并實現了集古樹名木信息管理、古樹名木及周邊環境的三維可視化于一體的實用型古樹名木三維管理信息系統。

1 系統業務功能

三維管理信息系統主要針對林業信息管理的業務需求而設計。系統業務功能包括古樹名木檔案數據的建庫、建檔管理，古樹名木三維表達及信息查詢，古樹名木周邊環境的模擬和交互編輯等方面。具體的業務功能描述如下：

(1)古樹名木信息管理：古樹名木檔案數據庫的日常維護管理和信息查詢。其中數據庫管理包括樹種信息的添加、刪除、修改、查詢等二維信息管理；古樹名木信息查詢是指根據場景中樹木的位置和名稱，查詢并顯示數據庫中記錄的信息。

(2)古樹名木虛擬植物建模：系統集成單株植物參數化建模工具[7]。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(樹高、胸徑、半徑變化、分節數、樹干紋理等)、枝條(著枝角度、各節枝條的起始半徑、半徑變化、枝條長度等)和葉(葉的大小、分布頻率、葉距、葉序、紋理等)的參數，形成具有較強的真實感、符合植物的形態結構特征和滿足用戶需求的植物模型。

(3)古樹名木周邊環境的模擬和交互編輯：根據古樹名木的冠幅、樹高、胸徑等參數，確定其周邊建筑物、圍欄、道路等空間位置，為城市規劃、綠化和改建以及古樹名木的保護工作提供一個數字化管理平臺。

2 系統體系結構

根據業務需求，將古樹名木三維管理信息系統的總體結構劃分為：表現層、邏輯層、數據層三個層次，如圖1所示。

圖1 系統體系結構Fig.1 Architecture of system

表現層體現了系統的綜合業務功能和用戶需求。表現層主要包括四大模塊：(1)古樹名木信息管理模塊：包括古樹名木編號、樹種、生長地點、保護級、行政區別、生長狀況、管理情況等主要信息和日常管理養護中的各種信息；(2)古樹名木三維模型定制及展示；(3)環境交互式編輯：可根據古樹名木周圍環境，選擇建筑物、道路等環境要素進行編輯，以形成三維景觀；(4)虛擬場景漫游模塊：實現場景的前進、后退、左轉、右轉、抬高、降低等手動漫游方式，以及設置場景漫游速度的自動漫游方式。

邏輯層是系統的核心層，體現了系統構成和組織實現過程，是對系統的整體邏輯結構和特征的描述。邏輯層的主要模塊包括：數據庫通信、植物建模、基于DEM的三維地形生成、三維場景中其他要素的建模與管理。采用四叉樹數據結構組織場景，并利用LOD、對象實例化等技術簡化場景，在漫游過程中根據視點相關性實現不同LOD層級的動態調度，以有效減少幾何繪制的復雜度，解決三維場景中要素繁多、數據量大的問題。

數據層主要支撐系統運行所需的各種數據信息。系統運行所需的基本數據主要包括：數字高程模型、遙感影像數據、典型古樹名木模型庫、古樹名木信息表、其他環境要素(三維建筑物、圍欄、道路模型等)數據等。

3 系統實現與應用實例

系統在Visual Studio 2008開發環境下，采用OpenGL圖形標準，集成參數化單樹建模引擎[7]，實現了古樹名木及其三維管理信息系統的構建。系統支持通用的三維模型格式(*.obj)，古樹名木檔案通過SQL Server數據庫或文件形式導入數據庫，實現二維信息的查詢、瀏覽、統計、匯總和三維模型的顯示與編輯。

3.1 古樹名木形態結構三維建模

本系統借助于交互式參數化單樹建模工具OntoPlant-ParaTree[7]進行古樹名木植物建模。該建模工具的原理：采用樹狀結構組織整個樹木模型各器官的拓撲關系；把一棵樹分解為主干、枝條、葉、花、果實等組織或器官，其中枝條可繼續劃分為一級枝條、二級枝條、…、k級枝條。一級枝條著生于主干，二級枝條著生于一級枝條，以此類推；根據具體植物的特征計算葉、花、果實等器官的著生位置。各級器官由一組參數進行控制，通過實時地、交互式地、可視化地調整形態結構特征參數及其分布特點，形成真實感較強的不同樹種、年齡、物候期的三維植物模型。典型模型庫中現已建有福州市鼓樓區白檀(一級保護植物)、柚木(一級保護植物)、榕樹(一級保護植物)等多種古樹名木模型。

本文選取的古樹名木應用實例模型為白檀，該古樹位于福州市鼓樓區白馬路，屬一級保護植物，樹齡300年，長勢良好。利用OntoPlant-ParaTree軟件建模之前的準備工作包括：(1)對白檀進行實地調查和相關資料收集，分析形態特征，如樹高、冠輻、分枝級數、分枝狀況、冠形，主干及分枝的直徑、分枝數量、長度、夾角等數據，并拍攝樹葉和樹皮紋理；(2)對紋理進行圖像處理，生成樹葉(葉簇)樹干紋理(見圖2、3)；(3)利用交互式參數化單樹建模工具OntoPlant-ParaTree，建立白檀三維形態結構模型(見圖4(a))。

圖2 白檀樹皮紋理Fig.2 Symplocos paniculata bark texture

圖3 白檀葉片紋理Fig.3 Symplocos paniculata leaf texture

圖4 白檀的模型和實拍照片對比Fig.4 Comparison of Symplocos paniculata model image and photograph

3.2 古樹名木信息查詢

古樹名木信息查詢主要是以福州市古樹名木信息調查表為基礎，建立古樹名木數據庫，數據項包括古樹名木編號、區名、樹種、學名、科名、栽植地點、樹齡、樹高、胸徑、冠幅、立地環境條件、生長狀況、病蟲危害情況、保護級別、養護責任人、人文傳說、確認時間、經緯度坐標、備注等內容。根據古樹名木栽植地點的地理坐標，把古樹名木三維模型“種植”于三維地形，形成樹木的三維分布圖。在三維場景中，可以查詢樹高、胸徑、冠幅、樹齡、立地環境條件、生長狀況、病蟲危害情況等單株木信息，或通過SQL組合查詢操作，高亮顯示查詢對象，如圖5所示。

圖5 三維場景中古樹名木信息查詢Fig.5 Information query system with 3D scene of ancient and famous trees

3.3 古樹名木周邊環境重建

名木古樹具有重要的人文價值、生態價值、觀賞價值和科學價值，為了防止古樹名木遭到正常或非正常人為因素的破壞，護壩一般應離樹5～10 m，高度以保證水土不再流失為宜[12]，因此周邊建筑物的位置應與古樹名木的生長位置距離保持在5～10 m以上。然而，隨著城市規模的擴大和城市建設的推進，古樹名木的生長環境受到了不同程度的影響與破壞。本系統通過輔助園林設計，能夠真實表達古樹名木四周的生長環境，如周邊的房屋等人為搭建物。依托真實的三維場景，能夠直觀形象地掌握古樹名木的生長環境，為古樹名木的有效管理與保護工作提供一個直觀、友好、可視化、數字化建設平臺。

本文以白檀為例，其生長環境構建流程如下：首先，加載數字高程模型和地面紋理，形成地形景觀；其次，在三維場景中交互式的“種”上白檀；然后，根據白檀周圍的對象信息建立相應的三維模型；最后，根據白檀的冠幅信息以及其周邊環境的對象信息，交互式地放置圍欄和建筑物等對象形成逼真的三維場景，白檀周邊環境的構建示意圖見圖6。

圖6 古樹名木周邊環境構建流程Fig.6 Flow diagram of constructing neighboring environment for ancient and famous trees

4 結 論

本研究利用虛擬植物和地理信息系統新技術，根據古樹名木保護和管理的需要，設計并實現了基于虛擬植物的三維古樹名木管理信息原型系統，系統應用四叉樹有效組織場景，并利用LOD和對象實例化等技術加快場景渲染。系統能夠真實模擬古樹名木周邊的三維環境，不僅能滿足古樹名木管理的基本需要，而且有助于分析古樹名木的生長環境對其生長、復壯等保護措施的影響。試驗表明，基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統能夠促進古樹名木管理和保護工作的高效化、現代化和信息化，是配合國家森林城市建設、加強城市生物多樣性保護和建設宜居城市的重要內容；系統在古樹名木保護與復壯、林業部門實驗林管理、景觀園林規劃等方面具有非常好的應用前景。系統將進一步擴展，集成射頻(RFID)技術和衛星定位系統(GPS)，使系統具有動態監測的功能。

致謝：本文編寫過程中，福建省福州市園林科學研究院提供了福州市古樹名木的數據信息表，在此表示衷心的感謝！

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Design and realization of 3D management information system for ancient and famous trees based on virtual plant

WANG Jing-jing1, TANG Li-yu1, LIN Ding1, LIN Yu-хin2
(1.Key Lab.of Spatial Data Mining and Information Sharing of Education Ministry, Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian, China;2. Fuzhou Linjingхing information Technology Co.Led., Fuzhou 350002, Fujian , China)

The modernization and informatization management of ancient and famous trees’ management is an important standard with which the municipal public resource management level of a region or city can be measured. Design and development of ancient and famous trees three-dimensional management information system based on virtual plant was realized, which madke use of integrated techniques of virtual plants and Geographic Information System. The system architecture design was developed on the basis of functional requirements, and the practical system was achieved in Visual Studio 2008 development tools and OpenGL graphics standards. The system has function of ancient trees archives management, three-dimensional reconstruction of the trees surrounding environment,individual tree information inquiry in three-dimensional scene, etc. Application and dissemination of this system will greatly promote the management and protection of ancient and famous trees standardization, informalization and visualization.

virtual plant; ancient and famous trees；information management

S759.5;TP391

A

1673-923X(2012)02-0060-04

2011年10月15日

國家自然科學基金項目(30972299)；歐盟第七框架項目(FP7-2009-People-IRSES, No.247608)；福建省自然科學基金項目(2010J01203)

王晶晶(1986—)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向為虛擬地理環境與數字區域模型；E-mail: wangjingjing_хj@163.com

唐麗玉，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:邱德勇]