基于虛擬植物的冠層內(nèi)生菌空間分布可視化

李界光，唐麗玉，陳崇成

（福州大學(xué) a.空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(xué) a.空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)植物內(nèi)生菌在植物形態(tài)結(jié)構(gòu)中空間分布，為研究分析植物形態(tài)結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律提供輔助手段, 在參數(shù)化單樹建模軟件ParaTree的基礎(chǔ)上，采用多邊形表示法來表達(dá)葉片的三維形態(tài)，達(dá)到更精細(xì)地建模，有利于表達(dá)內(nèi)生菌在葉片不同部位的分布；同時(shí)建立三維模型的包圍盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的局部操作，有利于表達(dá)內(nèi)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(jù)內(nèi)生菌的分布數(shù)據(jù)，用不同的顏色表示不同的內(nèi)生菌的種類?？梢暬Y(jié)果可以直觀體現(xiàn)內(nèi)生菌的空間分布規(guī)律，這可為病蟲害防治技術(shù)科學(xué)研究、知識(shí)普及、農(nóng)枝推廣應(yīng)用提供新方法。

虛擬植物；病蟲害；可視化； 內(nèi)生菌

植物三維可視化發(fā)展40多年來，其對(duì)植物研究、景觀規(guī)劃、資源信息化管理、知識(shí)教育、動(dòng)漫游戲等領(lǐng)域的作用已被各界人士所認(rèn)可。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的需求，使植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)虛擬仿真、數(shù)字植物研究成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了有益的探索，提出一些典型的方法，如基于L-系統(tǒng)建模方法[2]、分形方法[3]、參考軸技術(shù)[4]、交互式參數(shù)化建模方法[5-8]；已形成了一些系統(tǒng)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(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在植物病蟲害中也有了相關(guān)報(bào)道[13]，Wilson認(rèn)為虛擬植物是研究和管理植物疾病的新輔助工具，可發(fā)揮人的視覺功能，更好的保護(hù)植物。目前大部分學(xué)者針對(duì)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(duì)植物病蟲害的可視化表達(dá)，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(xì)節(jié)；若要研究?jī)?nèi)生菌在不同部位枝條、不同部位葉片的分布規(guī)律；要求對(duì)器官精細(xì)表達(dá)。

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

1 單株木三維可視化方法

1.1 參數(shù)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(shù)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(shù)進(jìn)行描述。如主干的描述參數(shù)有基徑、樹高、半徑變化、樹皮紋理、分節(jié)長(zhǎng)度、分節(jié)數(shù)、第一層枝條的起始位置、結(jié)束位置和分布密度。枝條的描述參數(shù)有枝條的層次、長(zhǎng)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(shù)有樹葉的尺寸、與上一層枝條的距離、樹葉紋理，花、果的參數(shù)與葉相似。樹木的拓樸結(jié)構(gòu)是根據(jù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的分層規(guī)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(zhǎng)樹葉（花、果）。樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)發(fā)展就是這樣不斷地在前一層基礎(chǔ)上復(fù)制與其相似的組織結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出一定的自相似的分形特征。

基于參數(shù)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(jù)特定植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，通過交互地設(shè)置、調(diào)整主干、枝條和葉（花、果）的參數(shù)，形成滿足用戶需求的模型。形成植物三維模型具有較強(qiáng)的真實(shí)感，同時(shí)符合植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。（2）修剪模擬。用戶可通過約束規(guī)則和交互拾取某枝條（或枝段）兩種方式進(jìn)行修改。（3）物候變化和生長(zhǎng)過程模擬。用戶可通過編輯樹葉紋理對(duì)植物的宏觀物候現(xiàn)象，如抽枝、開花、坐果、果實(shí)成熟等進(jìn)行模擬或仿真。也可根據(jù)特定植物的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，通過改變其所處的生長(zhǎng)階段，來模擬植物生長(zhǎng)發(fā)育過程，形象表達(dá)植物生長(zhǎng)發(fā)育。（4）數(shù)據(jù)的輸入輸出。系統(tǒng)支持軟件自定義的.ptm格式的植物參數(shù)模型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出、msh格式器官模型的導(dǎo)入，支持dds、tga、jpg、bmp等格式的植物紋理。模型導(dǎo)出支持VRML三維模型格式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。模型的生成導(dǎo)出與加載功能也可以方便地應(yīng)用于大場(chǎng)景森林的生成。（5）可視化交互。系統(tǒng)能夠提供友好的人機(jī)交互界面，樹木參數(shù)調(diào)整通過“即見即所得”的方式進(jìn)行。功能包括模型查看、渲染模式切換、背景設(shè)置、單株基本參數(shù)設(shè)置等。用戶可以通過鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)模型的平移、旋轉(zhuǎn)、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(qū)域背景以及查看樹木的拓?fù)湫螒B(tài)和幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。采用層次結(jié)構(gòu)圖形象表示植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的拓樸結(jié)構(gòu)。

1.2 單株木三維建模方法改進(jìn)

要形象表達(dá)內(nèi)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(duì)器官進(jìn)行精細(xì)建模和對(duì)植物模型進(jìn)行分區(qū)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(jìn)行表達(dá)，通過調(diào)整其參數(shù)，即可形成不同詳細(xì)程度的三維模型，能滿足實(shí)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(duì)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(duì)局部進(jìn)行精細(xì)的控制渲染。

為了能對(duì)樹葉局部進(jìn)行修改，本研究對(duì)葉建模采用3DMAX建模軟件，建立樹葉模型，并根據(jù)葉片的長(zhǎng)度，劃分為60等分，葉片各點(diǎn)之間以三角形連接，構(gòu)成網(wǎng)狀模型。如圖1所示。將建立好的葉片模型導(dǎo)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(chǔ)了點(diǎn)的紋理坐標(biāo)、法線坐標(biāo)、頂點(diǎn)坐標(biāo)。由于OntoPlant-ParaTree軟件擴(kuò)展了導(dǎo)入OBJ模型的接口，所以，可以直接把樹葉模型導(dǎo)入到OntoPlant-ParaTree軟件中，對(duì)樹模型進(jìn)行可視化。

圖1 樹葉Mesh模型Fig.1 Mesh model of leaves

為了對(duì)植物模型進(jìn)行分區(qū)操作，本研究對(duì)模型進(jìn)行包圍盒的建立。包圍盒采用長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中包含每個(gè)包圍盒的左下角、右上角坐標(biāo)、每個(gè)包圍盒索引等信息。其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

2 柑桔植株內(nèi)生菌空間分布可視化

圖2 單珠木模型包圍盒存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)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(jù)劉波[17]研究表明，柑桔植株不同朝向中，東面葉片內(nèi)微生物PLFAs含量最大；不同高度中，下部葉片內(nèi)生微生物PLFAs含量最大；不同健康狀態(tài)中，帶有黃龍病原葉片內(nèi)生微生物PLFAs含量比健康植株葉片更大。

現(xiàn)以柑桔為例，顯示植物柑桔植株體各內(nèi)生菌空間分布特征?，F(xiàn)假設(shè)：

(1)內(nèi)生菌名稱為：SP1、SP2、SP3、……SPn；

(2)植物模型分布：上部四個(gè)方向葉子、中部4個(gè)方向葉子、下部4個(gè)方向葉子；

(3)每個(gè)部位可能有不同的內(nèi)生菌SP1、SP2、SP3、……，數(shù)量等級(jí)分為1～4級(jí)，分別以不同的顏色表示；

(4)同一個(gè)部位可能有多個(gè)內(nèi)生菌，但最多限制5個(gè)，用葉子長(zhǎng)度平分內(nèi)生菌的個(gè)數(shù)；

(5)植株中各菌株空間分布見表格1，表中數(shù)據(jù)為菌株在不同部位分布的個(gè)數(shù)。

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

根據(jù)內(nèi)生菌的分布數(shù)據(jù)，按照葉子長(zhǎng)度將葉片劃分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表一種內(nèi)生菌的生長(zhǎng)區(qū)間，每個(gè)區(qū)域使用一種顏色表示。不同的數(shù)量等級(jí)，使用不同的顏色深度代表，顏色深的表示數(shù)量多，顏色淺的表示數(shù)量少。

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

針對(duì)上述的可視化表達(dá)的需求，本研究按照?qǐng)D4的技術(shù)流程實(shí)現(xiàn)柑桔植株內(nèi)生菌空間分布可視化。

著色處理是的關(guān)鍵部分，主要是對(duì)每片葉子的所有頂點(diǎn)賦予顏色值，并根據(jù)每個(gè)包圍盒中各種內(nèi)生菌的數(shù)量等級(jí)，計(jì)算梯度顏色，最終以梯度顏色顯示整個(gè)樹模型。初始設(shè)定五種顏色值，界面如圖5，圖6為柑桔植株各內(nèi)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(tǒng)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(qū)分、直觀的三維可視化效果圖。

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

圖5 表示內(nèi)生菌顏色調(diào)色板Fig.5 Color pattern of endophytes representation

圖6 柑桔植株各內(nèi)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(jié) 論

參數(shù)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(tài)各異的不同樹種、不同年齡、不同物候植物真實(shí)感三維模型。本軟件采用參數(shù)化（包括數(shù)值和曲線）的方式調(diào)控植物模型的形態(tài)，不要求用戶具備太多的植物學(xué)知識(shí)，因此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和易用性，可推廣應(yīng)用于林業(yè)資源管理、園林景觀規(guī)劃、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、游戲動(dòng)漫制作，以及植物學(xué)和生態(tài)學(xué)方面的教研、宣教等專業(yè)研究與應(yīng)用。但系統(tǒng)還不能直接用于表達(dá)單株內(nèi)生菌在冠內(nèi)的可視化。

本研究根據(jù)植物內(nèi)生菌分布特征和三維可視化需求，在參數(shù)化單樹建模軟件OntoPlant-ParaTree軟件的基礎(chǔ)上，采用多邊形表示法來表達(dá)葉片的三維形態(tài)，能更精細(xì)地建模；采用包圍盒對(duì)三維模型進(jìn)行分塊操縱，這樣有利于表達(dá)內(nèi)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(jù)內(nèi)生茵的分布數(shù)據(jù)，用不同的顏色表示不同的內(nèi)生菌的種類。可視化結(jié)果可以直觀體現(xiàn)內(nèi)生菌的空間分布規(guī)律，這可為病蟲害防治技術(shù)科學(xué)研究、知識(shí)普及、農(nóng)枝推廣應(yīng)用提供新手段。

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

李界光(1983—)，男，江西吉安市人，碩士研究生，主要從事地學(xué)可視化與虛擬地理環(huán)境、數(shù)字地形、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(xué)可視化與虛擬地理環(huán)境、虛擬植物方面的研究；

E-mail: tangly@fzu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]