基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王晶晶，唐麗玉，林 定，林郁欣

(1.福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心 空間數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王晶晶1，唐麗玉1，林 定1，林郁欣2

(1.福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心 空間數(shù)據(jù)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(shù)有限公司，福建 福州 350002)

古樹名木管理的現(xiàn)代化和信息化，是衡量一個地區(qū)或城市市政公共資源管理水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。利用虛擬植物和地理信息系統(tǒng)的集成技術(shù)，實現(xiàn)了基于虛擬植物的古樹名木三維管理信息系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。在系統(tǒng)功能需求分析的基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并基于Visual Studio 2008開發(fā)工具和OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了實用化系統(tǒng)。系統(tǒng)具有古樹名木的檔案管理、古樹周邊環(huán)境的三維重建、三維場景中單株木信息查詢等功能。系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將大大促進古樹名木管理與保護工作的規(guī)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(xiàn)。古樹名木的保護對研究城市的生物資源、植物分布、環(huán)境變遷、物種遺傳特性和歷史文化遺產(chǎn)具有重要的科學(xué)價值，對發(fā)展城市旅游業(yè)也具有重要的意義。目前，已有研究學(xué)者提出了古樹名木信息管理系統(tǒng)的解決方案[1-3]，但是，常規(guī)的古樹名木信息管理系統(tǒng)大多以二維圖片、統(tǒng)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(huán)境的三維場景的再現(xiàn)，不易激發(fā)保護意識，沒有為相關(guān)部門實施管理、保護以及復(fù)壯、移植等措施提供全方位的信息。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬古樹名木適宜的真三維環(huán)境，構(gòu)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(huán)境，在表現(xiàn)古樹名木形態(tài)結(jié)構(gòu)的同時，有利于調(diào)查分析古樹名木衰亡的原因，促進古樹名木復(fù)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(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[4]，生物學(xué)科教學(xué)[5-6]，虛擬實驗和虛擬農(nóng)場、森林[7]，虛擬植物舞蹈動畫和電影事業(yè)[8]等領(lǐng)域。基于面剖分的二維地理信息系統(tǒng)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(tǒng)在數(shù)字城市[9]、油氣勘探[10]、地學(xué)[11]等多領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)和三維地理信息系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了集古樹名木信息管理、古樹名木及周邊環(huán)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(tǒng)。

1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

三維管理信息系統(tǒng)主要針對林業(yè)信息管理的業(yè)務(wù)需求而設(shè)計。系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能包括古樹名木檔案數(shù)據(jù)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(huán)境的模擬和交互編輯等方面。具體的業(yè)務(wù)功能描述如下：

(1)古樹名木信息管理：古樹名木檔案數(shù)據(jù)庫的日常維護管理和信息查詢。其中數(shù)據(jù)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(jù)場景中樹木的位置和名稱，查詢并顯示數(shù)據(jù)庫中記錄的信息。

(2)古樹名木虛擬植物建模：系統(tǒng)集成單株植物參數(shù)化建模工具[7]。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(樹高、胸徑、半徑變化、分節(jié)數(shù)、樹干紋理等)、枝條(著枝角度、各節(jié)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(shù)，形成具有較強的真實感、符合植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和滿足用戶需求的植物模型。

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

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，將古樹名木三維管理信息系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)劃分為：表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三個層次，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of system

表現(xiàn)層體現(xiàn)了系統(tǒng)的綜合業(yè)務(wù)功能和用戶需求。表現(xiàn)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(qū)別、生長狀況、管理情況等主要信息和日常管理養(yǎng)護中的各種信息；(2)古樹名木三維模型定制及展示；(3)環(huán)境交互式編輯：可根據(jù)古樹名木周圍環(huán)境，選擇建筑物、道路等環(huán)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(xiàn)場景的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬高、降低等手動漫游方式，以及設(shè)置場景漫游速度的自動漫游方式。

邏輯層是系統(tǒng)的核心層，體現(xiàn)了系統(tǒng)構(gòu)成和組織實現(xiàn)過程，是對系統(tǒng)的整體邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述。邏輯層的主要模塊包括：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織場景，并利用LOD、對象實例化等技術(shù)簡化場景，在漫游過程中根據(jù)視點相關(guān)性實現(xiàn)不同LOD層級的動態(tài)調(diào)度，以有效減少幾何繪制的復(fù)雜度，解決三維場景中要素繁多、數(shù)據(jù)量大的問題。

數(shù)據(jù)層主要支撐系統(tǒng)運行所需的各種數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)運行所需的基本數(shù)據(jù)主要包括：數(shù)字高程模型、遙感影像數(shù)據(jù)、典型古樹名木模型庫、古樹名木信息表、其他環(huán)境要素(三維建筑物、圍欄、道路模型等)數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用實例

系統(tǒng)在Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境下，采用OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，集成參數(shù)化單樹建模引擎[7]，實現(xiàn)了古樹名木及其三維管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)支持通用的三維模型格式(*.obj)，古樹名木檔案通過SQL Server數(shù)據(jù)庫或文件形式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)二維信息的查詢、瀏覽、統(tǒng)計、匯總和三維模型的顯示與編輯。

3.1 古樹名木形態(tài)結(jié)構(gòu)三維建模

本系統(tǒng)借助于交互式參數(shù)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(jié)構(gòu)組織整個樹木模型各器官的拓?fù)潢P(guān)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(xù)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(jù)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(shù)進行控制，通過實時地、交互式地、可視化地調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)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(xiàn)已建有福州市鼓樓區(qū)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(yīng)用實例模型為白檀，該古樹位于福州市鼓樓區(qū)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(zhǔn)備工作包括：(1)對白檀進行實地調(diào)查和相關(guān)資料收集，分析形態(tài)特征，如樹高、冠輻、分枝級數(shù)、分枝狀況、冠形，主干及分枝的直徑、分枝數(shù)量、長度、夾角等數(shù)據(jù)，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(shù)化單樹建模工具OntoPlant-ParaTree，建立白檀三維形態(tài)結(jié)構(gòu)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(diào)查表為基礎(chǔ)，建立古樹名木數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)項包括古樹名木編號、區(qū)名、樹種、學(xué)名、科名、栽植地點、樹齡、樹高、胸徑、冠幅、立地環(huán)境條件、生長狀況、病蟲危害情況、保護級別、養(yǎng)護責(zé)任人、人文傳說、確認(rèn)時間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、備注等內(nèi)容。根據(jù)古樹名木栽植地點的地理坐標(biāo)，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(huán)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(huán)境重建

名木古樹具有重要的人文價值、生態(tài)價值、觀賞價值和科學(xué)價值，為了防止古樹名木遭到正?；蚍钦Ｈ藶橐蛩氐钠茐?，護壩一般應(yīng)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(yīng)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(guī)模的擴大和城市建設(shè)的推進，古樹名木的生長環(huán)境受到了不同程度的影響與破壞。本系統(tǒng)通過輔助園林設(shè)計，能夠真實表達古樹名木四周的生長環(huán)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(huán)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(shù)字化建設(shè)平臺。

本文以白檀為例，其生長環(huán)境構(gòu)建流程如下：首先，加載數(shù)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(jù)白檀周圍的對象信息建立相應(yīng)的三維模型；最后，根據(jù)白檀的冠幅信息以及其周邊環(huán)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(huán)境的構(gòu)建示意圖見圖6。

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

4 結(jié) 論

本研究利用虛擬植物和地理信息系統(tǒng)新技術(shù)，根據(jù)古樹名木保護和管理的需要，設(shè)計并實現(xiàn)了基于虛擬植物的三維古樹名木管理信息原型系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用四叉樹有效組織場景，并利用LOD和對象實例化等技術(shù)加快場景渲染。系統(tǒng)能夠真實模擬古樹名木周邊的三維環(huán)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(huán)境對其生長、復(fù)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(tǒng)能夠促進古樹名木管理和保護工作的高效化、現(xiàn)代化和信息化，是配合國家森林城市建設(shè)、加強城市生物多樣性保護和建設(shè)宜居城市的重要內(nèi)容；系統(tǒng)在古樹名木保護與復(fù)壯、林業(yè)部門實驗林管理、景觀園林規(guī)劃等方面具有非常好的應(yīng)用前景。系統(tǒng)將進一步擴展，集成射頻(RFID)技術(shù)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，使系統(tǒng)具有動態(tài)監(jiān)測的功能。

致謝：本文編寫過程中，福建省福州市園林科學(xué)研究院提供了福州市古樹名木的數(shù)據(jù)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(xué)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(xué)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(huán)境與數(shù)字區(qū)域模型；E-mail: wangjingjing_хj@163.com

唐麗玉，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:邱德勇]