森林景观的计算机建模与可视化研究进展

第 !" 卷 第 #$ 期 " $ $ % 年 #$ 月
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森林景观的计算机建模与可视化研究进展
唐丽玉
摘
陈崇成
权
兵
福州 67$$$"）
（福州大学福建省空间信息工程研究中心 数据挖掘与信息共享教育部重点实验室
要： 从单棵树的建模、 森林场景的绘制技术、 森林生长模型分类与特点以及 典 型 的 虚 拟 森 林 景 观 系 统 等 几 个
方面， 对森林景观生态的计算机建模和图形可视化研 究 现 状 与 发 展 趋 势 进 行 综 述， 就该领域的发展趋势和未来需 要解决的关键问题进行总结。 关键词： 森林景观；虚拟现实；几何建模；绘制；综述 中图分类号： &8#9 1 7 ； +:6;# 文献标识码： , 文章编号： （"$$%） #$$# < 8!99 #$ < $#$; < $9
!8(-,$&-： ’/HIC4EJ H/KE0A?@ >?K LAMC>0AN>4A/? /O O/JEM4 0>?KM3>IE JE3E?40B PE3/HEM > D/4 4/IA3，QD/ME M4CKB 3>? PE?EOA4 MC3D OAE0KM >M E3/0/@B，O/JEM4 H>?>@EHE?4，IDBMA3>0 @E/@J>IDB >?K P/4>?B，E43 5 +DEJE >JE 6 H>R/J 4E3D?ASCEM 4/ 3/?M4JC34 > LAMC>0 H/KE0 /O LE@E4>4A/?：4J>KA4A/?>0 I/0B@/?TP>MEK H/KE0A?@，ID/4/TJE>0AM4A3 AH>@ETP>MEK H/KE0A?@，>?K IJ/3EKCJETP>MEK H/KE0A?@ 5 :/0B@/?TP>MEK H/KE0 AM QAKE0B CMEK O/J I0>?4M >?K O/JEM4 M3E?EM JE?KEJA?@；AH>@E >?K IJ/3EKCJETP>MEK H/KE0M IJ/LAKE H/JE EOOE34ALE M/0C4A/?M O/J 3/HI0EU M3E?EM MAHC0>4A/? >?K KE>0 QE00 QA4D H>MMALE K>4> 5 +DE M4>4ET/OT4DET>J4 KELE0/IHE?4 A? 4DAM OAE0K AM JELAEQEK OJ/H 4DE IEJMIE34ALEM /O MA?@0E 4JEE H/KE0A?@， O/JEM4 M3E?EJB JE?KEJA?@， O/JEM4 @J/Q4D H/KE0 30>MMAOA3>4A/? >?K 3D>J>34EJAM4A3M，>?K 4BIA3>0 LAJ4C>0 O/JEM4 H/KE0A?@ MBM4EHM 5 +DE 4JE?K >?K VEB AMMCEM 4/ PE M/0LEK A? O/JEM4 0>?KM3>IE E3/MBM4EH H/KE0A?@ >?K LAMC>0AN>4A/? >JE >0M/ KAM3CMMEK 5 9’: ;+,"(： O/JEM4 0>?KM3>IE；LAJ4C>0 JE>0A4B；@E/HE4JA3 H/KE0；JE?KEJA?@；JELAEQ
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近 #$ 年来， 随着对树木和植物的生长机理、 森林生态系统的模拟与预测研究的日益重视， 以森林 景观为 主要对象的计算机建模和可视化技术成为生态学、 森林经 理学、 自然地理 学、 植物 学 等 领 域 的 一 个 研 究 热 点 郝小琴， 。人们已不再满足于用简单的几何图形 （如圆锥 体） 表达生 态景观 中树木 （含 （陈彦云等， "$$$ ； "$$#） 草本植物） 的分布， 而是力求构造更通用的建模与可视化系统或工具满足对大场景的森林景观进行实时地本 真还原和科学模拟 （或仿真） ， 以辅助 森 林 经 营 管 理 及 影 响 评 价、 了解森林生态系统动力学及其生理效应研 究， 以及景观和花园的计算机辅助设 计 等 （ WECMME? ") %: 5 ， ， 甚 #;;9 ， "$$" ；:JCMA?VAEQA3N，"$$!P ；XCD>J，"$$# ） 至进行植物病虫害的管理 （ YA0M/? ") %: 5 ， ，最终生成自然客体的真实感模型， 以便更好地理解自然。科 #;;9） 学家和森林管理者也越来越多地利用计算机建模和可 视化 工具进 行收 获方法 改进 的 效 果 评 价、 刻画森林各 种特征变量、 表达环境变化影响等 （ ZCMA4>0/ ") %: 5 ，"$$#） 。 本文从单棵树木的建模、 森林场景的绘制技术、 林分 及森 林景观 系统 等 几 个 方 面， 对森林景观生态的计 算机建模和图形可视化研究现状与发展趋势进行综述。
收稿日期： "$$7 < $6 < 6# 。 基金项目： 国家重大基础研究计划 （ ;86） 前期研究专项 （ "$$"’’’$#;$$） 和省教育厅重点项目 （ =$!$$6） 。
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林资源清查数据相支持， 且数据量较小， 绘制速度较快， 但通常无法表达树木外表及场景的外观细节， 真实感 较差； 基于图像建模将森林看作一个整体而不强调树木差 异， 以 追求逼真 效果， 难于说明底层的树木数据间 的紧密关系； 基于过程建模可以与植物生理学和形态 学相 结合， 也可以与森 林资 源 的 清 查 数 据 相 结 合， 但数 据量较大， 适于近景绘制。 !"! 基于多面体的建模方法 基于多面体的建模方法侧重描述树木几何形态结构， 通过设定相关参数利用有限个数的几何图元 （如多 边形、 线段） 来完成对植物外观模型的构造。相对于其 他方 法， 在 确定参数时 对生 物 和 林 学 方 面 的 知 识 要 求 较少。如 !"#"$ 等 （%&&’） 提出了参数化过程 建 模， 从 整 体 几 何 形 态、 结 构 出 发， 提出了经典的基于几何要素 的三维植物构造模型， 用若干参数对树木造型进行控制。 (")**"+ 等 （%&&,） 围 绕一 套工具 流水线 开发 一个开 放体系结构的自然景观建模与绘制系统及其算法， 其中地形设计采用各个交互式编辑器， 植物的分布可以随 手或基于生态系统建模法或两者的结合， 给定单棵树参数化过程模型。陈彦云等 （-...） 分 别采 用多边 形、 纹 元 （ /"0"1） 、 体纹理 （ 231)4"/$56 /"0/)$"） 作为工具来构造不同的植物。 为了让生成的树木在近距离观察时具有自然分枝过渡的模式， 在每一尺度上拥有丰富的细节， 结果图象 比例匀称自然， 几何模型需要有大量且复杂的参数空间。 785"$93:"$ 等 （-..-）提出了一种直接从植 物相片 中 半自动提取植物模型参数， 以简化真实感树叶和分枝形态， 其具体做法是直接指定可观察分枝长度和角度取 代大量参数的人工定义。 ;1)69 等 （-..% ） 提 出 利 用 单 一 的 多 边 形 网 格 进 行 树 木 分 支 结 构 的 建 模。树 皮 是 树 木成长和组织分化的结果， 树皮的合成是林木局部建 模的 重要部 分， 但在 技术处 理 上 存 在 较 多 困 难， 如采用 纹理贴图表达树皮在近距离观察时难于得到真实感效果， 出现分枝部分纹理不连续、 表皮特征难于控制等现 象。 ;":"#2$" 等 （-..-） 认为开发一个完美的树皮模拟器不切合实际， 因为这不利于 使用者 随时根 据需要 调整 各种参数而改变树皮外表。与树皮建模有关的模型包括基于过程纹理贴图建模和物理模拟 - 个部分。过 程 技术局限于特定的树种和需要很多的参 数 调 整 才 能 得 到 满 意 的 效 果。 <1334"+/981 （ %&,’ ） 采用树皮样本的 = 光线图像产生树皮的隆块图斑纹理； 而物理模拟 法 主 要 集 中 在 枝 皮 的 开 裂 （ :$86/)$" ） 构 造 上。 此 方 面 有 较 多 的研究成果， 如 >"?"$1 等 （%&&@） 用一个 48**A*B$5+C 网 络 贴 到 树 面 生 成 树 皮。 !8+C 等 （ -..D ） 将具有中尺度结 构特征的树皮真实感建模为研究任务， 在分析树皮外表的复杂性导致建模困难基础上， 提出了从单一图像来 源、 基于外表模样法进行树皮表面建模的框架， 并将其总结为特征定义、 高度场分配和纹理校正等 D 个问 题。 （-..-） 认为由于各种树皮特征 （如硬 皮、 皮 裂、 皱 纹 等） 延 伸 长、 原 始 表 皮 具 有 一 定 的 保 持 特 性， 以 ;":"#2$" 等 及树皮表面随树枝年龄变化但各个部分具有连续性等原因， 传统的纹理贴图方法难于模拟树皮外表； 在分析 有关树生长和树皮建模相关机理基础上， 提出了一个 基 于裂纹 模拟 的树皮 生成 模 型。该 模 型 不 仅 能 实 时 交 互、 参数化， 而且模拟的树皮具有随时间变化和各个部位的连续性。 !"# 树木的过程建模 （ %&@, ） 从生物学意义上提出了一个基于一组规则的植物形态特征造型符号复写系统 （即 ; ;5+?"+48E"$ 系统） ， 并在后来的树木和植物的过程建模中得到广 泛 应用。如林 木的 形态 结构 和 成 长 的 精 确 重 构、 揭示结 构参数如何 影 响 林 木 的 形 态、 研究管理行为和外界条件对植物成长的影响等 （ F$)*5+G5"H56I， 。在 -..J8 ） 先后提出了能定性反映 环 境 变 化 的 表 格 ; 系 统、 定量反映环境影响的参数化 F$)*5+G5"H56I 等学者的努力下， 强调局部影响的环境敏感性 ; 系统、 能处理 植 被 K 环 境 双 向 相 互 作 用 的 开 放 式 ; 系 统 （ F$)*5+G5"H56I ; 系统、 ， 以及在 ; 系统模型中 集成 了能提 高真实 感 的 D 个 表 !" #$ L ，%&,, ；%&&. ；-..% ；F$)*5+G5"H56I，-..J8；-..J#） 达要素 （树干和叶子的伸长姿态、 特征渐变和绘制过 程 粗细 级数） 。除了 ; 系 统模型 采用 各种 参 数 控 制 植 物 形态外， 还有些学者开发了 可 定 制 的 过 程 植 物 模 型， 以 便 提 供 更 直 观 的 参 数 和 更 方 便 控 制 模 型， 如 根 据 (" （%&,,） 提出的过程模型开发的系统 N7NF。 M"::E" 等 基于规则和基于多面体的对象实例化方法主要差别 在结 构信息 的表达 方 式 上， 前者使用原型图链而后 者由衍生要素的参数规定。近年来的发展趋势是： 将上述 - 种建模途径有机结合， 实现在形态学上逼真而 又 遵守植物生长规则原理的通用建模方法 （ ;5+/"$48++ !" #$ L ， 。如 >3)$+5"$ 等 （%&&,） 将基于 ; 系 统的 软件 %&&&） 系统与局地微气候模型集成实现枫树生长的三维模拟。 粒子系统的建模算法由 M""2"* 等 （%&,’） 提出， 最初用于构造森林和草地的美丽景象， 后应用到爬行植物 的行为模拟上。从粗到精的多层次场景粒子系统建模的四步法 （数字地形生成、 地形之上的植被的交互式或