適用于林分三維可視化的樹木模型構(gòu)建研究

蔣嫻 侯瑞霞 張懷清 李凡

（中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所 北京 100091）

適用于林分三維可視化的樹木模型構(gòu)建研究

蔣嫻 侯瑞霞 張懷清 李凡

（中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所 北京 100091）

根據(jù)林分三維可視化對樹木模型在大小、分級顯示LOD、交互、生長的需求，提出一種基于onyxtree的樹木模型構(gòu)建方法。以杉木為例，在OnyxTree軟件輸出的初級樹木模型將野外實測數(shù)據(jù)輸入到樹模型中，修改其外形、樹葉長度、疏密等等，然后通過3ds Max軟件、PS軟件，將野外采集的樹皮紋理進行加工，再打開Deep Exploration ,將杉木模型修改成實際高度，貼樹皮、樹葉紋理，最后輸出杉木林分三維可視化樹木模型。

林分；三維可視化；樹木模型；構(gòu)建

近年來，隨著計算機技術(shù)、圖形學的不斷發(fā)展，將樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)精確描述、可視化表達成為樹木模擬發(fā)展的重要方向[1]。20 世紀 90年代以來，國內(nèi)外面向植物的建模與繪制軟件發(fā)展較快，有法國的Amap，加拿大的L-studio，美國的onyxTREE、LMS、SpeedTree等[2]；同時國內(nèi)也相繼開發(fā)了Easytree、3DTree、CTS等樹木模擬軟件。這些軟件功能應(yīng)用范圍不盡相同，既有面向建立模型的工具平臺，又有面向景觀的綜合管理等[3]。但是，這些樹木軟件的輸出模型往往是對模型形態(tài)結(jié)構(gòu)的大致擬合，不能表現(xiàn)樹木的具體形態(tài)，也不能根據(jù)樹木的生理過程進行動態(tài)表達。尤其是在進行單木—林分—景觀的場景切換時，樹木軟件的輸出模型往往占用很大的內(nèi)存空間，并且沒有層次變化[4]；而單一的廣告牌又不能滿足場景的變化對樹木形態(tài)的需求[5]。因此，本文以杉木為研究對象，選取OnyxTree軟件作為初級樹木模型輸出，然后在此基礎(chǔ)上輸入野外實測數(shù)據(jù)，修改其外形、樹葉長度、疏密等等，然后通過3ds Max軟件、PS軟件，將野外采集的樹皮紋理進行加工，再打開Deep Exploration ,將杉木模型修改成實際高度，貼樹皮、樹葉紋理，最后輸出杉木模型。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

選用位于湖南省攸縣黃豐橋林場杉木人工純林固定樣地為數(shù)據(jù)源。黃豐橋林場位于湖南省株洲市攸縣境內(nèi)，介于東經(jīng)113.04°-113.43°，北緯27.06°-27.04°之間。全場地貌以中低山為主。境內(nèi)最高海拔1270m，最低海拔115m，坡度25-35°之間。全場現(xiàn)有林地面積10122.6hm2，活立木蓄積879 705 m3，樹種以杉木、松類為主，其中杉木面積3197.6hm2、占用材林面積89.9%，蓄積593738m3、占96.56%，全部為人工林。

共選取6塊典型杉木人工同齡純林為研究對象，對樣地內(nèi)林木（包括未達到起測徑階的林木）進行胸徑和地徑檢尺測量。根據(jù)杉木生長特點，分別選取9、16、23、28、45年生杉木作為研究對象，分別進行胸徑、樹高、冠幅以及枝下高、一輪枝的測量，測量結(jié)果見下表。

單木野外實際測量結(jié)果

1.2 調(diào)查方法

首先對湖南黃豐橋林場杉木進行形態(tài)結(jié)構(gòu)的測量，測量參數(shù)包括：樹高、樹干高度、胸徑、枝條平均直徑、枝下高、冠幅、枝條與樹干夾角大小、枝條生長角度等特征參數(shù)，枯枝、斷枝等外形特征，測量方式包括有損測量和無損測量。

2 工作步驟與結(jié)果

2.1 建模流程

在OnyxTree軟件輸出的初級樹木模型將野外實測數(shù)據(jù)輸入到樹模型中，修改其外形，杉木樹葉的長度、疏密等等；然后通過3ds Max軟件、PS軟件，將野外采集的樹皮紋理進行加工；再打開Deep Exploration ,將杉木模型修改成實際高度，貼樹皮、樹葉紋理，最后輸出杉木模型。

圖1 杉木模型建模流程

2.2 建模過程

（1）打開OnyxTree CONIFER 軟件，找到松科中比較像杉木的樹模型，將野外實測數(shù)據(jù)（表2杉木樹模型信息說明為實測數(shù)據(jù)）輸入到樹模型中，修改其外形，樹葉的長度、疏密等等，然后保存文件。

（2）修改Trunk Width、Trunk Mold 、Branch Width中的參數(shù)值，并且將部分枝干做剪切，如圖2所示。

圖2 杉木初始模型

（3）修改Trunk Height、 Bottom Height、Bough Length、Bough Density等參數(shù)值，并且對細枝做了剪切修改，如圖3所示。

圖3 修改枝干參數(shù)值后的模型

（4）修改樹葉的長度、疏密度等，如圖4所示 。

圖4 修改樹高、密度等后的模型

（5）打開3dsMax軟件,通過Tree Storm將樹模型加載進來，修改后導出3DS格式文件。

（6）打開PS軟件，將野外采集的樹皮紋理進行加工，選擇樹皮紋理比較清楚、干凈、盡量沒有陰影的部分拷貝出來，保存成PNG格式，放入3DS格式樹模型文件夾里，如圖5所示。

圖5 樹皮優(yōu)化后的模型

（7）打開Deep Exploration ,將杉木模型修改成實際高度，貼樹皮、樹葉紋理。

（8）在3D物體列表中把物體屬性中位置X、Y、Z都修改為0，尺寸大小修改成樹的實際高度，如圖6所示。

圖6 修改實際樹高

（9）在材質(zhì)中將樹干、各級樹枝、樹葉進行貼紋理，如圖7所示。

圖7 紋理修正

2.3 建模結(jié)果

構(gòu)成樹模型最終樣子，如圖8所示。

圖8 實際輸出模型

3 結(jié)論

為了更好地在單木—林分—景觀可視化表達中展示單木模型，人們選取的各種方法各有利弊。單木模型可視化的目的是為了讓人們更加直觀準確的對樹木“可見”，本文提出的在OnyxTree軟件基礎(chǔ)上結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)，運用3ds Max軟件、PS軟件處理而獲得的實時樹木模型能有效的避免“看起來不像”的問題，因此可以在單木—林分—景觀可視化表達中使用。

[1] Vos J, Marcelis LFM, Visser JB. Functional-Stuctureal Plant Modelling in Crop Production: adding a dimension. Netherlands: Wageningen University and Research Series, 2007,22：1～12.

[2] Jiang Xian，Zhang Huai-qing，The Design and Implementation of Plantation structure adaptive simulation.Proceedings of International conference on computational Intelligence and software engineering（CiSE2010）978-1-4244-5392-4.

[3] 盧康寧，張懷清，劉閩，等.杉木單木生長可視化模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].林業(yè)科學研究，2012，25（2）：207~211.

[4] 宋鐵英.一種基于圖像的林分三維可視模型[J].北京林業(yè)大學學報，1998，20（4）：93~97.

[5] 權(quán)兵.基于虛擬森林環(huán)境的林分生長和經(jīng)營模擬研究[D].福州：福州大學，2005.

TP391.414

B

1004-7743（2017）04-0065-03

2017-09-09

蔣嫻（1980-）,女，四川眉山人，助理研究員，主要從事林業(yè)科學數(shù)據(jù)可視化。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金“基于空間結(jié)構(gòu)的林分生長可視化模擬技術(shù)研究”（IFRIT201503）