基于GIS與RS三維虛擬林相圖可視化技術(shù)研究

陳 利 ，王福生 ，管遠(yuǎn)保 ，陶 冀 ，林 輝

（1.湖南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，湖南 長沙 410007；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

基于GIS與RS三維虛擬林相圖可視化技術(shù)研究

陳 利1，王福生1，管遠(yuǎn)保1，陶 冀1，林 輝2

（1.湖南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，湖南 長沙 410007；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心，湖南 長沙 410004）

三維可視化能夠使抽象概念且難以直接感知的空間現(xiàn)象現(xiàn)實化以及直觀化，利用此技術(shù)可以對林地植被進(jìn)行模擬，虛擬演示林地分布情況，能夠獲得各種超越現(xiàn)實的空間感知的經(jīng)驗。本研究以湖南省長沙縣烏川湖村作為實驗區(qū)，以1∶10 000的地形圖、分辨率為0.5 m的航片以及2013年二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源，充分利用各種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，把各種數(shù)據(jù)融為一體，突破了傳統(tǒng)的二維林相圖，探索出了基于GIS平臺的三維林相圖的制作，通過三維林相圖的制作，不僅能夠體驗三維森林景觀空間變化，立體的、多角度的了解森林組成，直觀了解森林空間結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律，還能夠進(jìn)行查詢以及定位功能，方便了林業(yè)部門的生產(chǎn)經(jīng)營和管理。

林業(yè)遙感；三維虛擬林相圖可視化技術(shù)；林相圖；GIS和RS

林業(yè)是生態(tài)建設(shè)的主體, 保持生態(tài)環(huán)境平衡，是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一, 是社會經(jīng)濟(jì)能夠可持續(xù)發(fā)展的一項公益事業(yè)及基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。世界中的物體都是三維的[1]，為了更好的表達(dá)真實的三維世界，只能利用可視化技術(shù)把真實三維的現(xiàn)實世界投影到二維平面上[2]。

三維可視化能夠使抽象概念且難以直接感知的空間現(xiàn)象現(xiàn)實化以及直觀化，利用此技術(shù)可以對林地植被進(jìn)行模擬，虛擬演示林地分布情況，由此能夠獲得各種超越現(xiàn)實的空間感知的經(jīng)驗。以計算機(jī)圖形學(xué)及圖像處理技術(shù)等為基礎(chǔ)，把地球表面某一地域的空間數(shù)據(jù)信息在屏幕上以三維圖像或圖形的形式顯示出來，并能夠進(jìn)行交互式處理的一種新的技術(shù)[3-4]。

目前，三維可視化在林學(xué)及計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域是研究的一個熱點，從簡單的林木三維建模到輔助進(jìn)行的林分空間結(jié)構(gòu)合理化，都提供了一種全新的森林生產(chǎn)經(jīng)營理念和方式，這為上級領(lǐng)導(dǎo)決策和森林管理部門提供科學(xué)的依據(jù)[5-7]。

隨著地理信息系統(tǒng)、計算機(jī)、數(shù)字高程模型、三維可視化等高新技術(shù)的不斷發(fā)展,能夠?qū)崿F(xiàn)三維地形表面的逼真還原[8]。如何快速、高效逼真地利用三維可視化技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實的技術(shù)來顯示，是專家和學(xué)者們研究的一個重點[9]。近年來，三維計算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展迅速，新的理論和方法層出不窮，其在各行各業(yè)應(yīng)用的深度與廣度也在日益增大。目前適用于空間數(shù)據(jù)可視化方法很多，但應(yīng)用最為廣泛的是GIS可視化方法、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、基于數(shù)學(xué)建模的可視化技術(shù)等[10]。三維可視化技術(shù)使得傳統(tǒng)靜態(tài)、平面的地圖向動態(tài)、三維的方向發(fā)展，并成為了GIS與數(shù)字制圖領(lǐng)域的一個比較新的研究課題[11-13]。

森林是現(xiàn)實世界的一個重要組成部分，可視化技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為實現(xiàn)林相圖的三維可視化奠定了良好的基礎(chǔ)[14]。虛擬林相是 3S 技術(shù)與計算機(jī)三維可視化技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，林相圖的制作從二維林相圖到數(shù)字林相圖，然而現(xiàn)在的三維虛擬林相圖的制作是目前研究的重點以及熱點。

虛擬三維林相圖能夠直觀、準(zhǔn)確、交互地在計算機(jī)上模擬大面積森林所在的地形、樹種組成、樹高、起源、分布等信息[15]。因其有機(jī)地結(jié)合了二維林相圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優(yōu)點，同時又克服了二維林相圖的三維信息缺乏和三維虛擬林相場景漫游的方向迷失感，所以真正做到了兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)[19]。虛擬三維林相的最大特點是直觀性，以活立木的形式來表現(xiàn)林相信息。

為了克服紙質(zhì)林相圖樹種分布不直觀的缺點，可以為數(shù)字林業(yè)提供大量信息，實現(xiàn)了森林的規(guī)劃設(shè)計、撫育、更新和管理的可視化。本研究以湖南省長沙縣烏川湖村為研究對象，利用1∶10 000地形圖進(jìn)行矢量化獲取TIN、DEM高程數(shù)據(jù)，并結(jié)合分辨率為0.5 m的航片以及長沙縣的二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)等資料，建立了具有真實感的虛擬三維林相圖，探索出一套快速、高效的三維林相圖制作技術(shù)與方法。從而輔助森林管理經(jīng)營進(jìn)行正確地決策；能夠?qū)崿F(xiàn)漫游仿真和三維圖像渲染，為森林旅游提供宣傳工具。

1 研究區(qū)概況

烏川湖村位于長沙縣江背鎮(zhèn)東部，烏川湖村位于江背鎮(zhèn)東部，地理坐標(biāo)：東經(jīng) 113° 20′15″～113° 25′38″， 北 緯 28° 05′30″～ 28°09′50″， 是 長沙縣第一大村，占地31.4 km2，距長沙市區(qū)約40 km，海拔30～120 m，坡度較緩，森林資源較豐富，植被類型多。地理位置優(yōu)越，交通方便。村內(nèi)群山環(huán)抱、山水相依，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良。研究區(qū)的示意圖見圖1。

圖1 研究區(qū)示意Fig.1 Location of the studied area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究以湖南省長沙縣烏川湖村作為實驗區(qū)，長沙縣烏川湖村1∶10 000的地形圖、分辨率為0.5 m的航片以及2013年長沙縣烏川湖村二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源。本次研究采用的是GCS_Xian_1980坐標(biāo)系統(tǒng)以及Gauss_Kruger投影系統(tǒng)。

2.2 TIN模型及DEM模型

圖2 研究區(qū)的航片F(xiàn)ig.2 Aerial images in the studying area

TIN是一種矢量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要通過邊和結(jié)點之間的關(guān)系及三角形的面和邊結(jié)點之間的關(guān)系來表示地形各參考點之間的關(guān)系。由于TIN具有不規(guī)則性以及豐富幾何拓?fù)潢P(guān)系，因而TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在三維數(shù)字地形的表示中是最復(fù)雜的。TIN既存儲了相應(yīng)點三維坐標(biāo)信息，也存儲描述了三角網(wǎng)間的拓?fù)潢P(guān)系信息。在生成TIN之前需要對紙質(zhì)的地形圖進(jìn)行矢量化，矢量化在ARCGIS中進(jìn)行，矢量化后的結(jié)果見圖3。對地形圖矢量化后再生成TIN之后，TIN模型見圖4。

圖3 地形圖矢量化后的結(jié)果Fig.3 Results of topographic map after vector quantization

圖4 TIN模型Fig.4 TIN model

利用遙感及航空影像等數(shù)據(jù)，并根據(jù)等矢量化地形圖建立的數(shù)字高程模型（DEM），進(jìn)行地形景觀的建模能夠獲取有效的紋理數(shù)據(jù)及高程等數(shù)據(jù)[16-17]。將影像的紋理疊加在DEM上，就能夠生成一幅比較真實地反映地形外觀的一些特征渲染圖，從而實現(xiàn)各小班的地形與林相的三維可視化表達(dá)，建立的DEM模型見圖5。

圖5 DEM模型Fig.5 DEM model

2.3 三維林相圖

利用地形圖矢量化之后生產(chǎn)的TIN模型，疊加林相圖相關(guān)信息使得地形圖與TIN模型融為一體，得到較好的地形表達(dá)效果及較強(qiáng)的立體感，如圖6所示。

圖6 三維林相Fig.6 Surface three-dimensional visualization forest map

2.4 三維虛擬林相圖

虛擬的森林資源三維可視化林相系統(tǒng)主要由空間屬性數(shù)據(jù)處理、三維顯示、三維漫游組成，能夠?qū)崿F(xiàn)林相三維模型旋轉(zhuǎn)變換、實時漫游、動畫效果等[18]。三維圖像的顯示是利用數(shù)字林相圖與數(shù)字高程模型進(jìn)行疊加，得到的三維地形可視化。在ArcScene環(huán)境中，可以利用三維場景漫游進(jìn)行虛擬林相漫游，能夠體驗三維森林景觀空間變化，可立體的、多角度的了解森林組成，更直觀的了解森林的總體概況，并且能夠進(jìn)行查詢以及定位功能。三維林相圖能對林資源的空間結(jié)構(gòu)組成及其分布規(guī)律等進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀、清晰地表達(dá)，能夠得到形象、逼真三維可視化的效果，如圖7所示。

圖7 三維虛擬林相Fig.7 Three-dimensional virtual forest map

利用0.5米的航片作為場景的紋理，更加逼真的顯示真實效果，通過航片的疊加使得效果更佳明顯，視覺感更強(qiáng)，效果更加逼真，如圖8所示。

圖8 疊加遙感影像的三維虛擬林相Fig.8 Three-dimensional virtual forest map overlaid remote sensing images

3 結(jié)論與討論

本研究以湖南省長沙縣烏川湖村作為實驗區(qū)，以二調(diào)數(shù)據(jù)以及航片作為數(shù)據(jù)源，與數(shù)字高程模型相結(jié)合，把二維的林相圖轉(zhuǎn)化為三維的林相圖，能夠更佳直觀、清晰、形象、逼真的顯示三維可視化效果。主要結(jié)論如下：

(1)突破了傳統(tǒng)的二維林相圖模式，把二維林相圖轉(zhuǎn)向三維林相圖，得到了直觀、逼真的三維可視化效果，可以立體多角度了解森林組成及總體狀況，并且能夠進(jìn)行查詢與定位。

(2)利用數(shù)字高程模型與遙感影像疊加，把疊加之后的遙感影像作為三維林相圖的紋理，以森林資源調(diào)查的小班信息建立三維場景，將小班屬性于空間信息相結(jié)合，具有更加生動、形象的三維可視化效果。

基于GIS平臺建立三維林相圖場景制作方法，為林業(yè)部門三維林相圖的制作奠定了良好的基礎(chǔ)，同時也為林業(yè)部門的決策提供重要的依據(jù)。

[1] 龔健雅,杜道生,李清泉,等.當(dāng)代地理信息技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:139.

[2] 湯國安,劉學(xué)軍,閭國年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2005:4,73,146.

[3] 張 貴,洪晶波,謝紹鋒.森林資源信息三維可視化研究與實現(xiàn)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2009,29(2):49-53.

[4] 謝紹鋒,肖化順,郭 麗.森林資源信息三維虛擬仿真系統(tǒng)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2009,29(1):146-150.

[5] 盧康寧,張懷清,劉 閩.杉木形態(tài)結(jié)構(gòu)可視化模擬調(diào)查方法研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2010,30(1):34-39.

[6] 劉彥君,游先祥,葉 影.三維可視化技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2010,35(6):9-13.

[7] 孫景花,周勝利,李 罡.地理信息系統(tǒng)數(shù)字化林相圖的應(yīng)用技術(shù)[J].吉林林業(yè)科技,2002,31(5):51-52.

[8] 黃仁濤,龐小平,馬晨燕.專題地圖編制[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003:163.

[9] 黃心淵,王 海.”數(shù)字林業(yè)”及其技術(shù)與發(fā)展[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,28(6):142-147.

[10] 吳加敏,孫連英,張德政.空間數(shù)據(jù)可視化的研究與發(fā)展[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2002,(10):85-88

[11] Lees J M. Xmap 8:Three dimensional GIS for geology and geophysics[J].Seismological Research Leters,1995,66(4):33-37

[12] Lees J M. Geotouch: software for three and four dimensional GIS in earth sciences[J].Computer & Geosciences, 2000,26(7):751-761

[13] Arnaud de la Losa, Bernard Cervelle. 3D Topological modeling and visualization for 3D GIS[J].Computers & Graphics,1999,23:469-478.

[14] 喻慶國.生物多樣性調(diào)查與評價[M].昆明:云南科技出版社,2007:418.

[15] 林 輝,熊育久,孫 華,等. 湖南省森林資源連續(xù)清查遙感應(yīng)用研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2007,27(4),33-38.

[16] 周啟鳴,劉學(xué)軍.數(shù)字地形分析[M].北京:科學(xué)出版社,2006: 249-266.

[17] 凌成星,林 輝,薛曉坡,等.高分辨率遙感圖像與DEM結(jié)合的三維地形可視化[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2008,33(4),24-26.

[18] 張力猛,何秉宇,張永福.虛擬現(xiàn)實與三維可視化仿真技術(shù)及其在地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新疆大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003, 20(1):41-45.

[19] 林 輝,孫 華,熊育久,等.林業(yè)遙感[M].北京:中國林業(yè)出版社,2012:5-9.

3 D virtual visualization technology research of forest form map based on GIS and RS

CHEN Li1, WANG Fu-sheng1, GUANG Yuan-bao1, TAO Ji1, LIN Hui2
(1.Hunan Provincial Forest Inventory and Planning Design Institute, Changsha 410007, Hunan, China; 2.Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Three-D visualization technology can make the abstract conceptions and the space phenomena that difficult to directly perceive reality and visualization. Therefore, the technology can be used to simulate woodland vegetation, to demonstrate forest land distribution with virtual method and can abstract various kinds of experiences and concepts of spatial perception beyond the reality that is hard to direct perception of reality and visualization space phenomenon. This study takes Wuchuanhu village of Changsha county in Hunan province as the experimental area, based on the 1∶10 000 topographic maps, the aerial photo with resolution of 0.5 meter and the second class forest resource survey data taken in 2013 as the data sources, and takes full use the advantage of a variety of data, then integrates a variety of data, breaks the traditional two-dimensional forest map, fi nally explores the making method of 3-D forest map based on GIS platform. Through the 3-D forest map making, we can not only taste the changes of forest landscape in three-dimensional space, understand the forest composition with three-dimensional and multi-angle and more intuitively understand the forest spatial structure and distribution law; but also can complete the inquiry and positioning function, thus it is convenient for the forestry sector’s production and business operation and management

forestry remote sensing; three dimensional virtual visualization of forest map; GIS and RS; forest form map

S757.4+8

A

1673-923X(2014)11-0107-04

2014-08-09

國家十二五高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題：“數(shù)字化森林資源監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”（012AA102001）；國家自然科學(xué)基金資助項目（31370639）；湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項目（13CY011）

陳 利（1987-），男，湖南衡陽人，助理工程師，碩士研究生，主要從事林業(yè)遙感和地理信息系統(tǒng)研究；

E-mail：csufcl@126.com

林 輝（1965-），女，湖北黃岡人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事森林經(jīng)理學(xué)、遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)和科研工作

[本文編校：吳 毅]