基于GIS的林木三維可視化分析技術

蘇逸平

（1.浙江省測繪資料檔案館，浙江 杭州 310012）

基于GIS的林木三維可視化分析技術

蘇逸平1

（1.浙江省測繪資料檔案館，浙江 杭州 310012）

運用GIS組件技術，對空間結構分析與森林可視化系統進行了開發和優化。首先需要創建符合樹木紋理貼圖特征的三維樹木模型；然后運用Voronoi圖優化傳統的森林空間結構指數運算方式；最后利用ArcGIS完成分析。研究結果表明，所開發的軟件能為森林經營中的一些重大決策提供直觀、精確的資料，可在一定程度上為常綠闊葉林等林業資源的保護以及經營管理提供幫助，促進林業的健康發展。

森林可視化；GIS組件技術；空間結構；森林經營

在人類從原始社會走向文明社會的進程中，森林起到了至關重要的作用。文獻[1]用L-system理論對樹木結構特征進行描繪，從而制作出較逼真的樹木三維立體圖形。這一研究促進了L-system在林業可視化中的應用[2]。文獻[3]基于L-system理論，在可視化研究上取得明顯進步，主要是將DOL算法融入到林業生產實際中。文獻[4]對L-system在表述植物形態結構方面的能力進行了研究，并運用該技術對一類竹子的外形進行了模擬演示。隨著計算機技術的飛速發展以及地理信息技術的不斷進步，林業應用領域出現了“數字林業”的概念，計算機技術和GIS技術在林業研究中得到了日益廣泛的應用。當前，GIS/CAD和可視化專業軟件可以完成森林可視化的操作任務。GIS可用于制作大范圍的森林虛擬景象[4-7]，但對基于真實樹木位置的林分不能進行準確、直觀地描述。CAD對綠籬、行道樹和株距固定的人工林等規則形態物體的描述比較擅長，但對無規則生長的天然林則無法滿足要求。這些軟件所具備的技術都是宏觀層面的，沒有從微觀世界的角度對林木本身進行三維可視化研究。

本文基于GIS技術，將宏觀上的林木可視化和微觀上的空間結構有機融合，進而形成一套新方法，以期為恢復、保護和重建森林生態系統提供理論依據和技術支撐。

1 森林可視化技術

1.1 林地三維可視化

DEM是地理信息系統中的數據基礎。DTM以DEM為基礎建立，通過DEM直接或間接地導出其他地形要素，因此采集DEM數據非常重要。但DEM存在數據信息量大，難以即時、經濟、方便地獲取原始數據的缺點?，F在，獲取三維地形數據的方法一般有：

1）全野外數據采集。它適合小范圍區域開展，主要采用實時動態GPS和全站儀等技術，在實驗林地區域現場沿三維坐標逐點獲取要素特征，并根據采集數據編輯成圖。其優點是成圖精度高、質量好，缺點是成本較高。

2）航空航天遙感。地面紋理數據、高程信息以及拓撲信息等都可通過航空攝影測量影像來獲取，航空攝影測量影像已經成為GIS和DEM最重要的數據來源，是目前獲取三維信息的主要方式之一。

3）掃描儀采集。在一些陡坡地區，比例尺較小，等高線密集排列；而且注記的地物、地貌符號、高程數據會將一些地方切斷，導致等高線不連貫，這時可用掃描儀減輕數據獲取工作量：掃描地形圖，提取等高線矢量數據；這樣不但效果好，而且簡單易行。

4）混合集成方法。它可以建立單株楊樹的材積收獲模型，從而獲取數據。這種模型是建立在分樹種分級別楊樹生長模型和材積模型基礎上的。

1.2 林木空間結構

本文利用基于Voronoi圖的方法來確定結構單元。將實驗林地區域的每一棵林木視為一個點，然后利用這些離散點生成Voronoi圖（如圖1所示）。每個點對應一棵林木，一個Voronoi多邊形內只包含一棵林木。這些相鄰的Voronoi多邊形對象就構成了實驗林地區域的林木空間結構單元。

圖1 基于 Voronoi 圖的林木空間結構單元

1.3 建立十字交叉式的三維樹木建模

1）獲取樹木紋理圖像。為使樹木模型比較直觀，便于查看，本文采用實地拍攝的方式獲取樹木紋理。拍攝要求如下：①適當的陽光空間，不要被相鄰樹木或其他建筑物的陰影遮擋；②不要讓樹冠中通過其他物體，如電線等；③透視效果要好；④選取背景時，一定要與樹木有明顯區別。除此之外，拍攝過程中需要嚴格保持一定比例，公式為：比例C=樹高/拍攝點到樹木的距離。拍攝第一張樹木照片時確定C值，比如使用測高器量得樹木高度是7．2 m，用皮尺測量拍攝點到樹木的長度是 15 m。這樣C=7.2/15=0.48。同樣，對于其他樹種，也必須先量出樹的高度，再通過C值來確定拍攝距離，最后再對目標樹木進行拍照。

2）三維樹木建模。在十字交叉的兩個平面上，通過不透明貼圖以及樹木圖像紋理貼圖的方法來創建三維樹木的過程，就是三維樹木建模。隨著觀察者觀察點的變化，創建的樹木圖像會跟隨觀察者變向，在視覺上總是朝向觀察者，因為樹木可以圍繞樹干軸進行旋轉。這種建模方法不但簡便快捷，圖像觀賞性強，而且占用內存小。

2 基于 GIS 的林木三維可視化實現

2.1 三維林地構建

構建三維林地首先需要獲取林地的DEM和DOM數據。DEM數據能夠提供林地的高程信息，展現林地地形起伏狀況；DOM數據能夠提供林地的地表紋理，展現林地真實地貌。利用攝影測量及遙感技術，獲取林地的航空遙感影像，構建立體像對，對影像進行正射糾正等技術處理，以獲取林地的DOM和DEM數據。然后利用GIS技術，將DEM和DOM數據基于ArcGIS平臺（ArcGlobe或ArcScene）構建三維模型，展現林地真實地形地貌，從而實現林地的三維可視化。

2.2 樹木可視化的實現

為了使視覺效果更加逼真，必須要獲得樹木實際的紋理，因此需要實地拍攝使用該系統的森林樹木的照片。獲得圖片信息后，創建樹木三維立體模型，需要采用不透明貼圖的方法；然后使用軟件系統對立體模型進行處理，從而形成不同樹種和不同大小的樹木；再將微觀樹木與宏觀林地相結合，形成三維立體森林可視化結構。這里的技術核心是如何確定樹符號，因此，對點符號的渲染是樹木可視化技術的關鍵一環。渲染技術包括：獨特渲染和分類渲染。獨特渲染按照樹木的特點數據進行，呈現基礎分類的屬性；將胸徑大小不同的樹木進行等級劃分，同等級的樹木分成一 類，然后對同類型的樹木進行同等符號的分類渲染。

若想達到森林可視化（或林分可視化）的效果，可將樹木可視化圖層和樹木所在林地的三維可視化圖層進行疊加，這樣，林分中地形的高低起伏、地貌情況、不同樹種間的相互關系以及樹種的分布等特征都能比較清楚地展現出來。以短尾柯為例，將樹木根據胸徑大小劃分為12 個等級，以展現單個樹種的可視化效果，得出的分類渲染效果如圖2所示。

圖2 短尾柯的三維可視化效果

3 結 語

本文運用決策支持系統技術、三維可視化技術，結合GIS技術、專家系統技術，對森林培育過程中的政策制定以及優化進行了研究。在研究過程中，先后運用無線通信技術對數據進行采集，運用數據挖掘技術提取速生林培育規律，并根據提取規則的形式，對相應的知識庫和推理機制進行了設計，并使用三維可視化表達（林分三維場景）的方式將預測和決策結果形象地表述出來。本研究為更好地在森林培育經營過程中獲取科學、直觀、準確的決策，提供了一個借鑒。

[1] Mayer A L． Mathematical Models for Cellular Interaction in Development[J]．Theoretical Biology,1968,18(2)∶280-315

[2] Lindenmayer P A． The Algorithmic Beauty of Plants[M]． New York∶Springer-Verlag,1990

[3] Prusinkiewicz P,Remphrey W． Modeling the Architecture of Expanding Fraxinus Pennesylva-nica Shoots Using L-systems[J]．Canadian Journal of Botany,1994,72(21)∶701-714

[4] 雷相東,常敏,陸元昌,等．虛擬樹木生長建模及可視化研究綜述[J]．林業科學,2006,42(11)∶123-131

[5] 鄭卓嘉,吳佑壽,李叔梁．計算機產生和顯示植物樹木的三維逼真圖形[J]．計算機學報,1990(2)∶61-74

[6] Buckley D J, Ulbricht C, Berry J． Advanced 3D Visualization Techniques for Forest Management and Research[C]．The ESRI 1998 User Conference,1998

[7] Karjalainen E, Tyrvainen L． Visualization in Forest Landscape Preference Research∶ a Finnish Perspective[J]． Landscape and Urban Planning,2002,59(2)∶13-28

P208

B

1672-4623（2016）09-0060-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.019

蘇逸平，高級工程師，研究方向為地理信息數據管理與挖掘。

2015-07-10。

項目來源：測繪地理信息公益性行業科研專項資助項目（201412007）。