林分3D可視化經(jīng)營技術(shù)研究
——以黃豐橋國有林場為例

周湘紅，羅為檢

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

引言

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、“3S”技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，“數(shù)字林業(yè)”已是當(dāng)今林業(yè)信息化發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，數(shù)字化的浪潮極大地促進(jìn)了林業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展[1]，三維虛擬林相的建立與可視化經(jīng)營管理已成為當(dāng)今國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究與關(guān)注的焦點(diǎn)。三維可視化是指在三維環(huán)境中觀察圖像或建立貫穿飛行，在虛擬的信息環(huán)境中進(jìn)行查詢檢索、三維分析等的現(xiàn)實(shí)模擬技術(shù)[2-3]。DEM(Digital Elevation Model)數(shù)字高程模型在研究與應(yīng)用方面受到了廣泛關(guān)注，它是由麻省理工學(xué)院的Chairesl Miller教授在1956年設(shè)計(jì)高速公路模型時(shí)提出的[4]。目前現(xiàn)行的數(shù)字高程模型(DEM)獲取方式大致可以歸納為三類，即遙感立體影像構(gòu)建法、采集等高線法與地面實(shí)測法。其類型主要有等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID)和不規(guī)則三角網(wǎng)格模型(TIN)，每一種模型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，TIN和GRID格網(wǎng)模型是目前應(yīng)用最廣泛的連續(xù)表面數(shù)字表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[5-9]。3D Max具有真實(shí)的三維模型、逼真的色彩和高精度的輸出產(chǎn)品，其紋理貼圖技術(shù)在構(gòu)建真實(shí)的單木三維模型方面具有重要的意義，但是在將模型轉(zhuǎn)移或在其他軟件載入模型時(shí)，往往會(huì)存在丟失貼圖的現(xiàn)象，導(dǎo)致模型失真甚至不可用，目前相關(guān)學(xué)者常采用的是利用相對(duì)路徑與絕對(duì)路徑的相互轉(zhuǎn)換[10]，由于二者的優(yōu)缺點(diǎn)是相對(duì)的，因此合理的使用相對(duì)路徑與絕對(duì)路徑，使得紋理映射技術(shù)使用非常方便。在系統(tǒng)開發(fā)方面，利用.NET技術(shù)與ArcEngine技術(shù)實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，是當(dāng)前常用的技術(shù)手段之一，ESRI公司發(fā)布的ArcEngine軟件提供的ArcObjects組件含有豐富的封裝程序集模塊以及類型的對(duì)象，用戶可以通過其特定的接口調(diào)用所需的功能，使用非常方便[11-13]。

目前國內(nèi)外關(guān)于對(duì)如何利用ArcGIS技術(shù)、ArcEngine技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)森林資源可視化管理以及對(duì)采用OpenGL技術(shù)與軟件開發(fā)工具構(gòu)建三維虛擬林相的研究鮮有報(bào)道，在此基礎(chǔ)上，研究提出結(jié)合圖像處理工具與三維建模工具對(duì)黃豐橋林場的地形和樹木進(jìn)行模擬，利用面向?qū)ο蟮慕换ナ骄幊陶Z言與ArcObject二次開發(fā)組件包，實(shí)現(xiàn)林場的虛擬經(jīng)營與可視化管理，它能實(shí)現(xiàn)森林場景的真實(shí)感表達(dá)，為用戶提供視覺上的感受，彌補(bǔ)二維森林資源信息系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界表達(dá)的逼真程度低的不足，提高森林場景的交互性與實(shí)時(shí)性，同時(shí)，為滿足當(dāng)前基于林場生產(chǎn)任務(wù)和業(yè)務(wù)管理的實(shí)際要求，做一些基礎(chǔ)性的工作，使經(jīng)營決策真正建立在科學(xué)規(guī)劃及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，能因地制宜地依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃進(jìn)行科學(xué)地管理資源，從而使生產(chǎn)做到科學(xué)化、智能化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃豐橋國有林場呈帶狀跨株洲攸縣東西部，地處113°04′—113°43′E，27°06′—27°04′N，地貌以中低山為主，境內(nèi)最高海拔1270 m，最低海拔115 m，坡度一般在20°～35°之間。林場地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.8 ℃；平均無霜期為292 d；平均日照時(shí)間為1612 h，太陽輻射量年平均448.965 kJ/m2；年平均降水量1 410.8 mm；現(xiàn)有林地總面積10 122.6 hm2；森林覆蓋率達(dá)86.24%；典型地物類型主要有針葉林、闊葉林、竹林、灌木林地、農(nóng)田、裸土地、水體、建設(shè)用地等。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

所用遙感影像為ASTER影像的3A01數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)名稱為正射圖像，影像成像時(shí)間為2012-04-20，空間分辨率為15 m，所用影像質(zhì)量比較理想。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

主要采用圖像幾何校正和圖像增強(qiáng)處理，幾何校正利用SPOT5的5 m分辨率多光譜影像為標(biāo)準(zhǔn)影像對(duì)ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，共選取26個(gè)明顯地物點(diǎn)，系統(tǒng)均方根誤差為0.49，即精度控制在半個(gè)象元以內(nèi)，基本滿足研究所需的精度；圖像增強(qiáng)主要采用了對(duì)比度增強(qiáng)和彩色增強(qiáng)兩種圖像增強(qiáng)方法，以提高影像質(zhì)量，通過ENVI4.8軟件的Equalization(直方圖均衡化拉伸)功能，設(shè)定指定的DN值，對(duì)影像進(jìn)行均衡化處理，達(dá)到了預(yù)期的效果。研究區(qū)影像處理后效果圖如圖1。

圖1 研究區(qū)影像處理后效果圖

1.3 研究方法

1.3.1 地形建模

地形模型是構(gòu)成三維場景的基本要素，是進(jìn)行三維可視化和空間分析的基礎(chǔ)，對(duì)于地形建模的方法有許多種，數(shù)字高程模型(DEM)是目前進(jìn)行三維可視化建模常用的模型之一，此次采用ArcGIS軟件，對(duì)具有高程值的等高線進(jìn)行處理，包括等高線的平滑、稀疏等處理，完成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的構(gòu)建。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)具有數(shù)據(jù)冗余少、構(gòu)網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算過程比較復(fù)雜，不便于與遙感圖像進(jìn)行直接復(fù)合分析，雖然表示的地形是連續(xù)的，但是三維顯示的表面比較粗糙，而基于規(guī)則格網(wǎng)的表示方法計(jì)算簡單，存儲(chǔ)方便，因此將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉(zhuǎn)換成規(guī)則格網(wǎng)(GRID)，以實(shí)現(xiàn)地形建模。

1.3.2 單木建模

樹木是森林的主體，三維真實(shí)樹木模型的構(gòu)建是再現(xiàn)森林可視化的一個(gè)重要組成部分，利用預(yù)先生成的一些樹木二維圖像映射圖，來實(shí)時(shí)生成不同視點(diǎn)的場景畫面，可以實(shí)現(xiàn)用戶全方位觀察三維樹木，這一過程稱之為單木建模[17]。利用Photoshop軟件對(duì)所需的杉木、馬尾松等研究區(qū)常見樹種的二維圖像進(jìn)行特定的處理，以滿足樹木三維建模的需要，采用3D Max軟件的紋理貼圖功能，結(jié)合森林二類調(diào)查數(shù)據(jù)，為每個(gè)單木模型都賦予一個(gè)唯一的ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)單木的三維模型(圖2)，這種方法既能保證圖像的顯示效果，又能減少模型的數(shù)據(jù)量，從而實(shí)現(xiàn)用較小的數(shù)據(jù)量實(shí)現(xiàn)真實(shí)的三維場景。

圖2 基于圖像的三維單木模型

1.3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用ArcGIS Engine技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)是當(dāng)前常用的技術(shù)手段[18]，本系統(tǒng)采用C#作為開發(fā)語言，利用ArcGIS Engine9.3方法完成林分3D可視化經(jīng)營系統(tǒng)的開發(fā)，是一個(gè)典型的林業(yè)GIS二次開發(fā)系統(tǒng)，主要包括森林經(jīng)營管理子系統(tǒng)、林木管理子系統(tǒng)、屬性漫游子系統(tǒng)和三大模塊；設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：一是虛擬林相表達(dá)：此次研究采用了數(shù)字高程模型(DEM)與單木三維模型疊加遙感影像的方法實(shí)現(xiàn)虛擬林相的表達(dá)，根據(jù)林場范圍內(nèi)的等高線數(shù)據(jù)和林相圖，以小班為單位，直接讀取等高線數(shù)據(jù)，通過Arcengine系列提供的Arcobject組件讀取DEM格網(wǎng)數(shù)據(jù)與3 ds單木三維模型，并且疊加上ASTER數(shù)據(jù)，生成虛擬的森林三維場景；二是森林經(jīng)營：研究根據(jù)林分的采伐量不超過間隔期內(nèi)林木的生長量原則，綜合考慮蓄積量采伐強(qiáng)度和株數(shù)采伐強(qiáng)度等，制定上層林郁閉度不應(yīng)小于0.5的規(guī)則，用林木材積、冠幅、樹高等要素來實(shí)現(xiàn)此規(guī)則。

2 結(jié)果與分析

2.1 DEM建模比較

為了取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究在構(gòu)建數(shù)字高程模型(DEM)時(shí)分別運(yùn)用了不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)法與規(guī)則格網(wǎng)(GRID)法，進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)在計(jì)算過程中比較復(fù)雜，而且不便于與遙感影像進(jìn)行直接的復(fù)合分析，而規(guī)則格網(wǎng)形式的DEM，其每一個(gè)格網(wǎng)都是一個(gè)立體四邊形，直接用格網(wǎng)(立體四邊形)來表示三維地面，數(shù)據(jù)組織簡單、存儲(chǔ)效率高、檢索速度快、使用十分方便。所以最終利用ArcToolBox工具箱將不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)轉(zhuǎn)換成規(guī)則格網(wǎng)(GRID)，實(shí)現(xiàn)地形建模。研建的黃豐橋林場DEM圖如圖3。

圖3 黃豐橋林場DEM圖

2.2 基于ArcScene中的虛擬林相分析

ArcScene是ArcGIS三維分析模塊3DAnalyst所提供的一個(gè)三維場景工具，它可以高效地管理三維GIS數(shù)據(jù)、創(chuàng)建三維要素、建立具有三維場景屬性的圖層以及進(jìn)行三維分析，實(shí)現(xiàn)基本空間瀏覽功能包括放大、縮小、漫游、導(dǎo)航、飛行等，但是要實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的森林可視化經(jīng)營管理，讓用戶更加簡單方便的交互式操作，滿足林場基層的需求，進(jìn)行ArcGIS二次開發(fā)成為了當(dāng)前三維分析基本需求，研究利用ArcGIS的二次開發(fā)，更好的實(shí)現(xiàn)空間瀏覽和空間分析功能。

對(duì)于研究區(qū)樹種圖像只分了幼、中、成3個(gè)齡組(圖4)，這和實(shí)際情況有較大誤差，為了更為真實(shí)地反應(yīng)樹種在不同年齡的外形特征，應(yīng)分更多的年齡段進(jìn)行模擬才能讓樹種外形有連續(xù)性。

圖4 三維數(shù)據(jù)庫屬性表

2.3 森林經(jīng)營

通過IFeatureLayer接口獲取用戶輸入的擇伐條件(如胸徑、樹高、年齡等)或者間伐種類(群狀間伐與帶狀間伐)，利用IQueryFilter接口遍歷數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，根據(jù)判斷規(guī)則if(useroles.Size> PlantSize)，調(diào)用Delete方法與Refresh方法，最終完成森林經(jīng)營與管理(圖5)；利用MSSQL Server建立詳細(xì)的屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎對(duì)森林資源的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、插入、刪除以及查詢等操作，實(shí)時(shí)的更新林場森林狀況。

(a) 擇伐效果顯示圖

(b) 間伐效果顯示圖

3 結(jié)論與討論

從森林虛擬技術(shù)入手，以小班為單位，建立DEM模型，利用基于圖像的建模技術(shù)，構(gòu)建單木三維模型，并疊加上遙感影像圖，對(duì)森林進(jìn)行三維場景的逼真顯示，在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS系列組件包開發(fā)出一套可行的森林可視化經(jīng)營管理系統(tǒng)，并結(jié)合二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1) 利用ViewGIS構(gòu)建新的線狀圖層，然后對(duì)研究區(qū)掃描后的點(diǎn)陣數(shù)字圖像進(jìn)行手扶自動(dòng)跟蹤數(shù)字化處理，即地形圖矢量化，方法操作簡單，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快，而且在對(duì)等高線賦值時(shí)，可以進(jìn)行等高線的連續(xù)處理，并且得到了較好的結(jié)果。

2) 規(guī)則格網(wǎng)(GRID)形式的DEM，其每一個(gè)格網(wǎng)都是一個(gè)立體四邊形，直接用格網(wǎng)(立體四邊形)來表示三維地面，數(shù)據(jù)組織簡單、存儲(chǔ)效率高、檢索速度快、而且與影像紋理疊加取得的效果較為理想。

3) 利用ArcEngine技術(shù)與ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，并結(jié)合上當(dāng)前強(qiáng)大的MSSQL Server 2005數(shù)據(jù)庫功能，在Visual Stadio 2008平臺(tái)上，運(yùn)用C#面向?qū)ο笳Z言進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，大大的降低了開發(fā)的難度，提高了人機(jī)交互操作的能力，符合當(dāng)前開發(fā)需要。

4) 虛擬林相的表達(dá)與森林可視化經(jīng)營管理的模擬，是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，由于森林資源信息量很大，涉及面廣泛，而且各類信息之間具有相

當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系，所以森林可視化要調(diào)用的數(shù)據(jù)量非常龐大，因此今后的研究與工作中要加強(qiáng)三維場景的簡化與優(yōu)化研究，簡化地形模型、樹木模型等，增強(qiáng)三維場景的實(shí)時(shí)顯示功能以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張風(fēng).論數(shù)字技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用——數(shù)字林業(yè)[J].湖北林業(yè)科技，2002(1)：34-35.

[2] 毛瓊，羅傳文，單瑤瑤.結(jié)合GIS創(chuàng)建三維可視化園林景觀[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20(5)：21-22.

[3] 孫海洪，羅傳文，趙慶丹，等.基于OpenGL的三維虛擬林相建立[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(8)：137-139.

[4] Eugene L.Zuch.Computer Design[M].[s.l.]:Computer Design Publishing Co.，1978：3-7.

[5] 蔣欣，陳鷹.DOM與DEM數(shù)據(jù)的管理和三維可視化[J].測繪科學(xué)，2002，27(3)：41-43.

[6] 王秋平，段瑞.基于ArcGIS的三維可視化分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)報(bào)，2011，13(1)：116-118.

[7] 車風(fēng).黃豐橋國有林場經(jīng)營可視化系統(tǒng)研建[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2009.

[8] 徐占華，陳曉玲，李毓湘.基于ArcGIS與ERDAS IMAGINE的三維地形可視化[J].測繪信息與工程，2005，30(1)：14-16.

[9] 蔣湘寧.基于DOL系統(tǒng)的樹木三維可視化模型研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(3)：80-87.

[10] 曾敏.在3D MAX中貼圖路徑的解決方案[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用學(xué)報(bào)，2012(2)：20-25.

[11] 張貴，賓厚，楊志高.“3S”森林資源管理信息系統(tǒng)研究[J].湖南林業(yè)科技，2001，28(4)：12-15.

[12] 陳明，陸嵐.基于.NET插件技術(shù)的GIS應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)信息工程，2012 (3)：33-35.

[13]何小梅.基于OpenGL的三維邊坡穩(wěn)定分析可視化軟件研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008(9)：117-119.

[14]孫華，林輝，陳利，等.Hyperion數(shù)據(jù)大氣校正與地面同步觀測數(shù)據(jù)擬合分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(11)：13-17

[15]李小文.遙感的原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008：6-10.

[16]龔健雅，夏宗國.矢量與柵格集成的三維數(shù)據(jù)模型[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(3)：5-8.

[17]陳錦昌，詹偉杰，何正國.虛擬校園中三維景物表面貼圖的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，31(4)：66-68.

[18]潘宸，石善球，廖磊，等.基于ArcEngine插件式GIS應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代測繪學(xué)報(bào)，2011，34(3)：12-33.