林木虛擬生長建模方法及建模工具研究綜述和展望

焦 祥，鄭加強，張慧春，蘇朦朦

（南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037）

林木虛擬生長建模方法及建模工具研究綜述和展望

焦 祥，鄭加強，張慧春，蘇朦朦

（南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037）

林木的形態結構受到樹種或林木個體的遺傳因素（激素信號、養分競爭等）和立地條件、經營措施以及林木的競爭狀態（光照分布、溫濕度、農藝措施等）的影響，因此，掌握各種因子影響林木生長過程的機制對于林業生產和精準林業研究與實踐非常重要，但如果實時地對實際林木進行生長過程影響因子研究，則存在很大的時空局限性和很高的測試成本，因而采用虛擬技術開展林木生長過程研究引起國內外的高度關注。系統地綜述了國內外開展林木虛擬生長研究的7種建模方法和10種建模工具，然后提出基于林木虛擬動態生長模擬的 “林木云”研究展望和基于計算機視覺系統的林木三維建模方法及相關建模工具的研究建議，并分析了林木4D虛擬動態生長模型等，從而促進林木虛擬動態生長技術研究。圖1參54

森林測計學；林木虛擬模型；動態生長；林木云；4D模型；綜述

森林是人類賴以生存的復雜生態系統，需要通過精準林業的實踐來實現以最小資源投入、最小環境危害來獲得最大林業收益的目標［1］。林木虛擬生長是以可視化方式虛擬林木在三維空間中的形態結構隨時間推移的變化規律及生長發育過程［2］。國內外學者經過多年的努力，在林木虛擬生長方面取得了一定的研究成果，在計算機上虛擬仿真林木的生長，可以非常直觀地對林木的生長過程進行研究，發現傳統研究方法和技術手段難以觀察到的規律［3］。實踐證明，林木虛擬生長研究具有很大的經濟、社會和生態效益。本文系統地綜述國內外開展林木虛擬生長研究的建模方法及其典型建模工具，然后結合相關新技術的發展提出林木虛擬生長建模思想及新的建模方法和建模工具等的建議，促進虛擬林木動態生長技術的研究。

1 林木虛擬生長建模方法研究綜述

美國學者Newham［4］早在1964年就建立了花旗松Pseudotsuga menziesii模型，建立該模型后Newham又對它進行改善并對黑松Pinus thunbergii進行分析建模。林木可視化建模的思想起源于Honda［5］在1971年提出的遞歸分枝結構建模的思想，他提出利用少量的林木幾何屬性（分枝角度、節間的長度比例等）進行林木的模擬。目前虛擬林木生長最常用的方法有L-系統（L-System），迭代函數系統（Iterated Function System，IFS），粒子系統模型方法（Particle System Modeling Technique）和基于圖像的林木三維重建方法以及基于激光掃描技術的林木三維建模方法等。

1.1 L-System

1968年美國生物學家Lindenmayer提出了L-系統理論基礎，為林木形態結構三維可視化奠定了基礎，可用于建立林木從微觀細胞發展到整棵樹的過程模型［6-8］。L-系統的本質是一個重寫系統，通過1條公理和幾條產生式，一步一步進行迭代，就能生成形態結構復雜的林木［9］。L-系統提供了一個便捷的理論和編程框架來建立動態的林木結構模型，同時可以生成代表林木的拓撲結構、幾何特征和圖形等［10］。國內外學者先后又提出了上下文相關L-系統、隨機L-系統、參數L-系統、開放式L-系統、時控L-系統、環境敏感型L-系統等［11］，其中參數L-系統、開放式L-系統及時控L-系統等可用來實現林木的動態生長建模。

Dorr等［12］開發基于L-系統的植物結構模型融入霧滴運動軌跡，模擬分析了草甘膦在棉花Gossypium hirsutum var.sicala，苣苦草Sonchus oleraceus和野燕麥Avena ludoviciana上的沉積，該耦合模型可使人們對噴施農藥的分布情況（如植物表面的沉積量、地面的沉積量或是殘留在大氣中的農藥量等）有更直觀的了解，從而可以提高農藥在靶標植物上的有效沉積量，使農藥施用的效益最大化并使農藥對環境的影響最小化。Sun等［13］提出了基于L-系統的林木智能建模方法，并通過實驗驗證了該方法的可行性，結果表明：通過改變一些相關參數便可虛擬林木的生長。Wu等［11］以龍眼Dimocarpus longan為研究對象開發了LSTD（a tree designer based on L-Systems）系統。劉東平等［14］基于參數L-系統，建立了環境變化的植物動態生長模型，并建立了簡單的植物趨光性、背離性模型，較為真實地仿真林木生長過程。Hamon等［15］提出了實時交互型L-系統，該系統可以讓用戶和所構建的三維植物進行實時互動，即可進行拉伸植物莖干長度、改變枝莖著生角度和調整枝干彎曲度等操作。

1.2 迭代函數系統方法

迭代函數系統IFS是Hutchison（1981）和Bamsley（1985）提出并發展起來的一種研究分形集的數學方法［7］，屬于分形構形系統。由于林木形態結構的自相似性，因此可借助計算機強大的迭代計算能力，應用分形理論的自相似性、層次的多重性和不同層次的規則的統一性，并利用紋理、光照等多種已有的多邊形幾何面構圖技術對樹體渲染，生成具有高度真實感的三維分形林木［16-17］。

Wang［18］將云模型和分形方法結合在一起得到云分形模型，并用于植物的模擬。結果表明：該模型對于不確定性問題的分析非常有效。鄒運蘭等［19］利用IFS建模方法和雙緩沖技術實現了隨風搖擺的蕨葉和生長林木的動態模擬。趙鵬飛［20］基于迭代函數系統，對林木的組成部分（樹枝和樹葉）進行受力分析，實現林木隨風搖曳的動態模擬。Xu等［21］提出基于分形理論并結合林木形態特征的林木三維模擬方法，并借助Visual C++和OpenGL的開發平臺實現了三維林木的優化建模和可視化虛擬。

1.3 粒子系統模型方法

1983年，Reeves［22］提出不規則模糊物體的建模方法，即粒子系統，其基本思想是將許多形狀簡單的微小粒子作為基本元素聚集起來，形成一個不規則的模糊物體［23］。林木的形態結構可以用不同的粒子排列組合來模擬，粒子在生命周期中的變化反映了林木生長發育甚至死亡的過程［7］。粒子系統被看作是模擬不規則動態物體最成功的方法。Reeves［22］利用粒子系統模型分別虛擬了陰影林木、近森林場景等。宋萬壽等［24］運用基于粒子系統的方法，用粒子的誕生、活動和死亡3個階段來描述火焰模型及從植物生長來描述林木模型。雷蕾等［23］基于粒子系統思想提出了一種基于能量模型的葉片紋理構造算法，充分發揮了粒子系統在模擬自然界中復雜且有規律事物的優勢，模擬出的葉片具有較高的真實性。

1.4 基于類二叉樹的三維林木重構

為了提取自然界分枝植物的生長規則，方逵等［25］提出一種基于類二叉樹結構的虛擬植物分枝結構三維重構方法，以克服L-系統對植物生長規則的描述和定義的不直觀性與不確定性，闡述分枝植物生長規則描述的可操作性。但由于植物生長結構的復雜性，該方法在建立類二叉樹模型時，還需要人工進行識別，影響適用性，還需要研究類二叉樹模型的自動化改進，自動建立正確的類二叉樹模型。

1.5 基于圖像的林木三維重建

基于圖像的虛擬方法是指通過采集林木2D圖像，并利用基于圖像的林木三維重建技術生成林木的3D模型的方法［26-27］。基于圖像的三維重建技術分為基于單幅圖像的三維重建技術和基于多幅圖像的三維重建技術。其中，基于多幅圖像的三維重建技術已能生成具有強烈真實感的三維圖像；對基于單幅圖像的三維重建技術的研究相對來說較少，但由于其建模效率高，越來越得到人們的重視［28］。Quan等［27］實現了奈弗臺屬Poinsettia植物、鵝掌柴Schefflera octophylla及1株室內樹的三維重建。Tang等［29］提出最大限度地減少用戶干預的圖像建模方法，并分別對盆栽樹和大中型林木進行三維重建，達到了非常逼真的建模效果。Teng等［30］提出了用幾幅從很窄的可視角度范圍捕獲的圖像來重建林木三維模型系統，該系統在進行三維重建時僅需少量的幾幅圖像，因而在實際應用中具有更大的靈活性。Lopez等［31］提出一種新型的基于圖像的無葉林木的三維重建技術，實現了對三維林木的真實還原。顏君萍等［26］提出基于圖像的造型方法，結合從圖像上提取林木枝干的相關信息和實測數據得到林木的分枝信息，實現了林木形態結構的重建。

1.6 基于激光掃描技術的林木三維建模

激光掃描技術能反映林木實時、動態變化的樹冠特征以及對林木結構等信息進行有效捕捉，有助于構建精準的單木3D模型［32］。在林木的掃描測量過程中，有2種不同的方法：①單一掃描方法，即直接將掃描儀固定于樣本地中心，將周圍的景物掃描一遍；②復合掃描方法，即在樣本地中心選擇3個以上的點，在每個點各掃描1次，并保證掃描區域有一定的重疊部分［33］。相比之下，利用復合掃描方法得到林木的相關數據更加詳盡，但測量時間比較長。激光掃描儀測量林木生成的3D點云可用于林木的定量分析和林木的三維重建，同時可以測量林木的位置、高度、冠層、樹種和樹干曲線等特征［34］。然而由于林木形態結構復雜、枝葉遮擋等問題，造成測量所得的林木點云數據存在一定的誤差，而且激光掃描儀技術在林業上的應用缺少必要的嘗試，將它應用于林木3D建模將是林木建模研究中的新的發展趨勢。Park等［35］利用地面激光掃描儀測量所獲取的三維點云數據來對單株林木進行建模，但由于樹葉和枝干不能很好地從背景中分割出來從而使建立的模型具有一定的誤差。高士增［36］基于地面三維激光掃描的點云數據，構建林木枝干的等值線模型和Delaunay三維網模型，實現林木形態結構參數的自動和人機交互式提取。Kelbe等［37］開發了一套激光掃描系統并用該掃描系統自動重建了樹干模型，模型中樹干的細節（如錐度、延伸和傾斜度）得以重建再現。王曉輝等［38］基于三維激光掃描獲得的林木離散點云數據，開發出一個交互式半智能化的單樹幾何建模系統。

1.7 基于三維數字化儀的林木三維重建

三維數字化儀已經迅速發展成為一種重要的數據獲取途徑，該儀器能夠快速精確地獲取360°的XY-Z空間坐標，并通過配套的軟件迅速重建研究對象的三維模型。三維數字化儀在獲取林木三維坐標參數時，同時記錄每個枝條的直徑，其值用游標卡尺等測量工具來測量，從而得到林木的三維拓撲重構模型［39］。章蘭芬等［40］基于三維數字化儀，并利用Piaf Digit和 Vege STAR軟件，建立了13年生高紡錘形蘋果樹Malus domestica的數字化模型。王菲［41］利用三維數字化儀并結合Piaf Digit軟件和Vege STAR軟件構建了蘋果樹三維模型。

2 林木虛擬生長建模工具綜述

要實現林木虛擬生長，必須有良好的軟件開發環境，目前包括C，C++，VC++，Java，VB，Matlab等軟件，但多選用OpenGL作為圖形編程平臺。OpenGL是一種與硬件、窗口系統和操作系統相獨立的一系列應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提供一種直觀的編程環境，由大量功能強大的圖形函數組成，大大簡化三維圖形程序，開發人員可以利用這些函數對整個三維圖形進行光色渲染，從而方便地繪制出客觀世界逼真的三維景象［42］。國內外虛擬植物建模工具包括AMAP，Vlab/LStudio，SpeedTree，Xfrog，GreenLab，LSTree，Plantstudio，LMS/SVS，Smart-Forest等，其中不少是基于L-系統開發的，而也有不少僅用于虛擬游戲場景等中的林木虛擬設計或用于提高虛擬林木生長教學效果。

2.1 AMAPstudio

法國農業發展國際合作研究中心（French Centre for International Cooperation in Agriculture Research for Development，CIRAD）的de Reffye等［43］建立的AMAPstudio系列植物結構建模軟件具有描述植物生長、死亡、枝條分布情況和三維可視化模擬植物生長過程的功能。AMAPstudio模型從植物結構角度包括植物重建、探索、分析和研究植物生長的應用程序和模型，適用于模擬高大植物。

2.2 Vlab/L-Studio和TreeSketch

加拿大Calgary大學Prusinkiewicz等［44］分別開發了基于L-系統的虛擬植物模擬軟件Vlab/L-Studio和TreeSketch。Vlab/L-Studio可在Windows，MAC OSX和Linux系統下，能生成各種植物的形態結構圖，但使用復雜，不能很好地虛擬植物和環境間的交互影響，且不能構建大型、可擴展的植物模型。TreeSketch可在iPad上進行全功能交互式三維林木建模，即可在平板電腦上進行林木的互動過程建模［45］。創建1株樹正如簡單地在屏幕上繪畫并觀察林木生長的過程。TreeSketch能在數秒內創建各種形式的、復雜而自然的林木模型。該系統將林木生長過程集成于多點觸控平板電腦界面，提供詳細的、基于林木自組織概念來控制生成林木形式的程序，并模擬林木從幼苗生長過程中樹枝對空間和光線的競爭。建模人員可以控制林木的生長過程，即能用程序刷引導生長過程，隨林木生長可改變參數，實現交錯控制和自動生長以及編輯生成林木的形式。

2.3 Xfrog

由德國Greenworks公司開發的植物制作軟件Xfrog，通過改變植物生長的相關參數（生長速度、分枝數量、向地性和趨光性等）來虛擬植物從種子到成年的動態生長過程。從而可以讓用戶簡單快捷、逼真詳細地構造復雜林木、灌木、花卉的三維模型，并能夠有效實現林木的生長模擬［46］。

2.4 SpeedTree

美國Interactive Data Visualization,Inc.（IDV）的SpeedTree軟件專門用于三維林木建模，可快速建立和渲染大片林木，并且其本身帶有強大的林木庫［47］。利用SpeedTree建立林木動態生長模型時，可以在使用極少多邊形情況下創造高度逼真的植物，如果在SpeedTree中加入風場，可以實現林木隨風飄動的效果［48］。熊壯等［48］基于SpeedTree實現了動態三維林木的建模；吳曉暉［47］通過對Virtools二次開發機制及SpeedTree林木開發機制的研究，驗證了林木在虛擬森林場景中繪制、運行效率及風效效果。

2.5 GreenLab

以中法實驗室（Laboratoire Sino’Européend’Informatique，d’Automatique et de MathématiquesAppliquées/Sino French Lab in Computer Science，Automation and Applied Mathematics，LIAMA）為代表，建立了GreenLab模型，并在可控環境下用西紅柿Lycopersicon esculentum，小麥Triticum sestivum，菊花Chrysanthemum morifolium對GreenLab模型進行標定和驗證［49］，對棉花和玉米Zea mays地上部分和根系的三維數字化和可視化進行了研究，但虛擬林木的研究相對較少［42］。利用數學、自動化、軟件工程、機器學習、計算機圖形學和渲染技術，GreenLab可以進行不同類型的應用實踐，如促進植物建模及其可視化以及植物生長相關技術、促進植物建模及其可視化技術轉移到農業、林業和生物科學領域［49］。2009年，國紅等［50］以油松Pinus tabulaeformis為對象，首次將GreenLab模型應用于林業，實現了油松幼樹動態三維可視化的模擬。2011年，國紅等［51］基于GreenLab模型建立了18年生和41年生油松形態的動態三維可視化模型。

2.6 LSTree

林郁欣等［52］基于植物形態結構特征、生長發育的生理生態過程，提出由器官尺度上升單樹尺度的L-系統文法規則組合拼接方法，設計了單株植物建模工具軟件的功能和體系結構，在VC++開發環境下采用Open GL圖形標準、VRML虛擬現實建模語言開發完成單樹建模工具軟件LSTree。系統具有單樹三維建模、生長過程模擬、林木與環境交互模擬、三維可視化交互等功能，支持通用三維模型格式。

2.7 PlantStudio

Plantstudio植物圖形軟件（Botanical Illustration Software），基于參數驅動模擬建立草本植物（非木質），如野花、鮮花、蔬菜、雜草、牧草等的3D植物模型。在使用Plantstudio植物圖形軟件進行植物3D建模時，可直接調用植物庫里相應的植物3D模型，也可對已有的植物進行變異得到新植物品種，甚至可以創建多植物成分的植物群，因此可用于林區雜草的虛擬生長模型研究。

2.8 LMS/SVS

美國農業部林務局Pacific Northwest Research Station開發了集成軟件LMS（Landscape Management System）和可視化軟件工具SVS（Software Virtualization Solution），應用生長預測模型和可視化工具相結合，進行植物的生長模擬，建立起虛擬植物的通用模型，最終實現對不同類型植物的模擬。LMS由許多獨立的程序組成，進行生長預測、生成表格和圖形顯示、存儲庫存信息和將這些不同程序連接到一個統一的系統。

2.9 Smart-Forest

美國University of Illinois空間成像實驗室開發的Smart-Forest森林模型引入虛擬現實技術，將巨大的森林數據庫和模擬結果用虛擬陸地森林圖像在景觀水平直觀地展示出來［53］。幾何建模方法通常展示單株林木，Smart-Forest提供的方法能有效地展示不同景觀場景的區域，特別適用于林木茂密但其鄰近觀測點已失去有效性的區域。

2.10 GFSM

貢嘎山森林演替模型(GFSM：Gongga Forest Succession Model）是以林窗模型為基礎的單木模擬模型，以多個小面積（斑塊、patch）上的林分表現作平均，描述林地斑塊中單木的萌發、生長、死亡過程、樹種更替及與環境因子（水分、光照、熱量、養分）的關系，并按隨機過程方式模擬環境條件的變化，仿真模擬林木的更新與死亡中的外在和內稟不確定性［54］。模型基本上代表了中國西南山區生長的36種主要建群樹種類型，可分析優選各樹種的生態學參數以反映中國南方山區林地演替和物種的基本特性。

3 林木虛擬生長建模研究展望

3.1 創建基于林木虛擬生長模擬的林木云

單純林木結構的虛擬已發展較成熟并取得較理想的虛擬效果，結構模型可以實現利用較少的參數虛擬出漂亮的林木結構圖形。但對于農林生產領域，相對于林木的形態結構，開展林木功能(生長過程）模型特征的相關模型耦合的研究將更有意義。為結合前面分析的國內外有關林木虛擬生長建模方法、建模工具等，提出如圖1所示的林木虛擬生長模擬的林木云的構建框圖。即通過先進的傳感技術測試與分析林木生長因子，利用 “大智移云（大數據、智能化、移動互聯網、云計算）”平臺創建 “林木云”，同時利用和創新林木生長虛擬建模方法與工具建立林木虛擬生長三維模型，更能真實地反映林木生長過程及周圍環境對其的影響，為林業生產提供高效可行的管理措施，推動中國精準林業研究及林業生產可持續發展。

隨著 “大智移云”技術的進一步發展以及智能科學和認知科學的技術創新，所有作業設備可能具有識別、語言、運算、控制甚至意識、精神等生物特性，而林木就是有生命的生物體，則作業設備的智能化與生物體之間的信息交換和虛擬現實技術研究，將極大地促進 “大智移云”在農林業的應用，農林動態參數實時監測與信息化的水平和程度將得到極大的提高。利用大數據對獲取的數據進行整合挖掘，可將枯燥的數據轉換成動態變化的三維模型，能夠形象直觀地研究林木生長規律和周圍環境對其生長的影響以及對其采取相應的管理措施后林木發生的種種變化等。

圖1 林木虛擬生長模擬的林木云構建Figure 1 Forest tree cloud construction for virtual forest tree growth model

云計算作為一種新的技術趨勢得到快速發展。在林業生產實踐中，可通過搭建一個林木生長云計算平臺，來構建基于云計算的林木生長過程中各類數據信息的資源共享系統。也就是，利用傳感與智能化、大數據、移動互聯網和云計算等技術，建設 “林木云”，融合林木生長歷史數據、林木生長發育實時數據、林木生長環境調控數據，以及挖掘森林資源信息元數據、林木新品種圖像描述數據、林分樹高立地分級、植物生長調節物質等調控因子與林木脅迫因子及其危害預測與預報和森林火災信息數據等，并將其接入林木生長云計算平臺，從而可讓不同林業部門和科研單位的科研人員能方便快捷地共享 “林木云”。利用 “林木云”對林木進行三維模型構建時，可方便地利用其提供的林木生長參數，解決費時、費力且誤差較大的人工實地測量。

3.2 林木虛擬生長模型建模方法和建模工具的創新研究建議

目前，基于計算機視覺系統的三維建模在工業方面應用較多，技術也較成熟，如：考古學及文物保護領域，即 “數字遺產”；建筑物三維建模；人頭部和臉的三維重建，并能夠實現人臉部動畫。但該建模方法在農林方面缺少必要的嘗試。德國MVTec公司開發的HALCON軟件支持C，C++，C#，Visual Basic和Delphi等多種編程語言進行開發。HALCON 11具有三維表面比較功能，即將一個三維物體的表面形狀測量結果與預期形狀進行比較。HALCON提供的所有三維技術（如多目立體視覺或片光即sheet of light），都可用于表面重構；同時也可通過三維硬件掃描儀進行三維重構。而且HALCON還支持多種三維目標處理的方法，如點云的計算和三角測量、形狀和體積等特征計算、通過切面進行點云分割等。因此可以考慮應用HALCON研究虛擬林木生長模型。用HALCON軟件建立林木生長三維模型時，可采用三維激光-掃描儀從不同的角度對林木進行掃描，然后用三維激光掃描儀自帶的拼接軟件將從不同角度掃描獲取的林木點云數據進行拼接得到林木的三維點云數據，再將林木的三維點云數據導入到HALCON軟件中，用HALCON軟件的三維目標處理功能，計算林木生長參數（樹干高度、直徑，樹枝長度、直徑和著生夾角等），最后利用HALCON軟件的三維數據快速可視化功能將獲取的林木生長參數進行三維可視化處理，從而實現林木生長三維模型的重構。利用HALCON對林木進行三維重建的優點是可以利用其三維表面比較功能對重建的三維模型與測量結果進行比較，驗證林木三維模型的精確度。同時可以利用HALCON的三維目標處理，對所建的林木三維模型計算其形狀和體積等特征，從而可以對林木的形態結構進行優化，為園林工作提供最佳的管理措施；同時對林木三維模型體積的計算，可以實現對成材量估量，為木材的生產實踐提供理論依據。

3.3 林木4D虛擬動態生長模型研究

目前，國內外已經開展了大量的林木虛擬生長模型研究，但均是在2D平面、3D空間研究林木的形態結構特征及動態生長信息。在3D空間對林木進行虛擬時，只能研究林木的空間結構特征，無法便捷地研究林木形態結構的變化和時間的關系，林木真實感和動態性能還相對較差。在3D空間坐標系中引入和耦合時間維度，即可變為在4D空間建立林木動態生長模型，這樣便可以將林木的空間結構特征的變化和時間關系實時地聯系在一起，由此得到的數據更有利于建立林木的動態生長模型，因此4D可視化將攜帶更多信息量，并提高信息密度。特別地，當林木4D虛擬生長將以實際林木為基礎，獲取真實林木圖像，對實際林木的細節（如同葉位的葉長、葉寬、葉形、葉片空中伸展曲線、葉色、葉片衰亡、不同節間的節間長、不同葉位的葉鞘長度和顏色）進行盡可能100%還原，然后定制融入一系列隨時間軸變化的參數和生長因子（如光合作用等），強化脅迫因子的逆境記憶，不斷采取逆境鍛煉，就可以更加真實地模擬林木生長動態過程。甚至可以通過虛擬基因信息對林木3D結構生成工作機理，優化樹種，為選育新品種提供理論依據，可縮短培育周期。

4 結束語

林木虛擬生長從簡單的2D字符串重寫，發展到具有動態效果的3D虛擬，乃至4D虛擬動態生長，從簡單的林木結構模型，發展到考慮林木生理生態功能的結構-功能模型以及隨機模型。本文綜述了林木虛擬生長建模方法和建模工具，結合 “大智移云（大數據、智能化、移動互聯網、云計算）”技術，分析探討了基于林木虛擬動態生長模擬的 “林木云”，提出了基于計算機視覺系統的建模方法和林木4D虛擬動態生長模型等。今后，隨著相關技術及精準林業研究的進一步發展，對林木虛擬動態生長模型的研究必將成為精準林業的研究熱點，由試驗研究轉向生產應用，由技術形成產業，推動中國林業建設開創嶄新的局面。

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Research and perspectives of modeling methods and modeling tools of virtual forest tree growth

JIAO Xiang,ZHENG Jiaqiang,ZHANG Huichun,SU Mengmeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China）

The morphological structure of forest trees are affected by tree species or individual tree genetic factors（hormone signal and nutrient competition）,site conditions,management measures and competition status of forest（light distribution,temperature,humidity,and agronomic measures）.Mastering the mechanism study on the determinants of the forest trees growth process is very important for the forestry production and precision forestry research and practices.The real-time field survey of the determinants of the forest trees growth process is constrained greatly by time and space,and requires high test cost.Therefore,applying virtual technology to conducting the research on the forest trees growth has drawn great attention at home and abroad.This paper systematically reviewed 7 modeling methods and 10 modeling tools for studying the virtual forest tree growth, proposed the research prospect of forest tree cloud based on the simulation of dynamic growth of virtual forest trees,suggested on computer vision system based 3D forest trees modeling and the modeling tools,analyzed the models of forest trees growth in 4D to promote the research on the technology of the virtual dynamic growth of forest trees.［Ch,1 fig.5 4 ref.］

forest measuring;virtual model of forest trees；dynamic growth；forest tree cloud；4D model;review

S758

A

2095-0756（2015）06-0966-10

浙 江 農 林 大 學 學 報，2015，32（6）：966-975

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.021

2014-12-10；

2015-04-21

國家自然科學基金資助項目（31371963）；江蘇省自然科學基金青年基金資助項目（BK20130965）；“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2014BAD08B04）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；江蘇省杰出青年教師培育聘專項目（2012256）；南京林業大學高學歷人才基金資助項目（GXL201208）

焦祥，博士研究生，從事農林機械化和植物虛擬生長研究。E-mail：js_jiaox@126.com。通信作者：鄭加強，教授，博士生導師，從事農林信息化、植保機械和智能測控研究。E-mail：jqzheng@njfu.edu.cn