锡林郭勒盟草原三维数字模型的建立

王瑞永,乔江,袁清＊

(1.中国农业科学院草原研究所,内蒙古呼和浩特 010010;2.中国农业科学院研究生院,北京100081)

20世纪末,随着“数字地球”(digital earth)概念的提出和全球信息化步伐的加快,空间信息技术得到快速发展,三维虚拟现实技术便成为其中研究的热点。就目前而言,三维虚拟技术已经广泛应用于医学、军事、数字城市、数字摄影测量等领域[1],但将其运用于草原科学领域,建立草原的三维数字模型,实现草原的三维可视化,并在三维虚拟环境中嵌入草原生态信息的相关研究尚未见报道。我国现有天然草地近4亿hm2,其中可利用面积3.10×108hm2,占全国国土面积的41.7%,相当于耕地面积的4倍,森林面积的3.6倍[2,3]。草原既是我国陆地面积最大的生态系统,同时又是非常脆弱的生态系统[4-6]。草原生态系统信息数字化管理成为草业科学的重要发展方向之一。21世纪初,业界提出了“数字草原”的概念,为了实现这一宏伟目标,业界人士付出艰辛的努力,致力于将现代化信息技术广泛地应用到草地畜牧业的生产和管理之中。目前,计算机技术和现代化信息技术已广泛应用于草原科学领域[7],同时基于地理信息技术、遥感技术、网络技术等多种现代化信息技术的草原信息系统不断建立,如中国草地资源、种质资源信息系统(www.grassland.net.cn)、内蒙古草地资源地理信息系统(www.grassland.cn)、草原地理信息系统(www.digitalgrass.cn)、中国草业开发专家系统(www.ecograss.com.cn)等。但这些系统都是在二维空间上虚拟草原,在三维空间上的虚拟草原及其数字模型尚未建立。

草原三维数字模型是利用计算机技术、仿真技术、遥感技术、GIS技术等相关技术建立数字模拟现实草原的虚拟地理环境,它打破了传统二维GIS的限制,使人们能够进入三维虚拟环境,直接与其进行交互,并获取更为直观的地理信息。同时,草原三维数字模型的建立能够完善现有地理信息系统空间的分析处理能力、拓展信息表现形式。因此,草原三维数字模型的建立对草原的信息化管理和草原生态系统的研究具有重要的现实意义,同时也对草原生态状况的分析和变化的预测提供技术支持。

为了顺应草原信息化管理的发展趋势,在2008和2009年,以内蒙古锡林郭勒盟为研究区,开展了草原三维数字模型建立技术的研究。集成了遥感技术、地理信息技术、计算机技术、虚拟技术、仿真技术等多种现代化信息技术,科学合理地组织和管理研究区的多元地理信息和草原生态信息,并对其进行压缩集成,最终镶嵌于草原三维数字模型之中。实现了研究区多元地理信息及草原生态信息嵌入草原三维数字模型,并实现了三维虚拟草原空间的动态显示和信息查询功能,填补国内在三维虚拟草原方面研究的空白。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

1.1.1 自然条件 锡林郭勒盟位于中国内蒙古自治区的中部(东经 111°09′～ 119°58′,北纬 41°35′～ 46°46′),辖2个县级市、1个县、9个旗(图1)。土地总面积202 580 km2,它是国家重要的畜产品基地。该区属温带半干旱、干旱大陆性季风气候,其主要气候特点是风大、干旱、寒冷。年平均气温0～3℃,结冰期长达5个月,寒冷期长达7个月,1月气温最低,平均-20℃,为华北最冷的地区之一。7月气温最高,平均21℃。极端最高气温39.9℃,极端最低气温-42.4℃。平均降水量295 mm,由西北向东南150～400 mm递增。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographic location of study area

地势由东南向西北方向倾斜,东南部多低山丘陵,盆地错落,西北部地形平坦,一些低山丘陵和熔岩台地零星分布其间。东北部为乌珠穆沁盆地,河网密布,水源丰富。西南部为浑善达克沙地,由一系列垄岗沙带组成,多为固定和半固定沙丘。海拔为800～1 800 m,最高峰为古如格苏乌拉山峰,海拔1 957 m。

1.1.2 植被特征 锡林郭勒草原是内蒙古天然草地的主体部分,不仅植被类型繁多,而且植物种类也十分丰富。草地类型多样,以典型草原为主,含有草甸草原、荒漠草原等草地类型。群落主要由旱生多年生丛生禾草和根茎禾草组成,建群种和优势种有大针茅(Stipa grandis)、西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、冰草(Agropyron cristatum)、羊草(Leymus chinensis)、冷蒿(Artemisia f rigida)等[8]。该地区在草原类型上具有一定的典型性和完整性,在空间分布上具有一定的连续性,作为建立草原三维数字模型的研究区域,不仅在示范面积和地域方面具有可探讨性和推广性,而且在地貌特征和植被基础也具有很强的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及技术路线 该研究使用大量的空间数据及其属性数据。采用的基础图件为中国科学院出版的1∶100万草地类型图、土壤类型图,1∶5万数字高程图,1∶25万行政区划图和温度及降水的气象资料;采用的遥感数据为2005年、2006年及2007年7-9月份TM 1～7波段卫星影像。各种数据均以研究区内蒙古锡林郭勒盟的行政边界图为基准从空间上进行了裁切,所采用的技术路线如图2所示。

1.2.2 草原信息数据筛选 有关草原的信息数据可谓是海量数据,将其全部应用于草原三维数字模型的建立既不现实,也不可能。无论是从数据的收集还是从建立草原三维数字模型的技术来讲都是不允许的,这就需要对草原信息数据进行必要的筛选。众所周知,真实世界中的任意点是由[X(经度)、Y(维度)、Z(高程)]三维空间坐标决定的,故高程数据是建立草原三维数字模型的必要基础数据(图3)。要建立逼真的草原三维数字模型还需要以草地资源学和草地生态学原理为依据,结合前人的研究成果,筛选出能够集中反映草原状况且具有很强代表性的草原生态信息数据。草地类型反映了植被对当地气候类型的响应,气候因子是决定天然草地植被类型及其分布的最主要因素[9]。因此在草原生态信息筛选时,选取了草地类型、年平均降水量、年平均气温。

图2 技术路线示意图Fig.2 The map of technical route

土壤是植物赖以生存的基础,土壤条件的好坏,直接影响植物的生长[10]。同时考虑土壤与草地生态系统中物质流动的密切关系,选取了能够从整体上反映土壤状况的指标,即土壤类型。另外,考虑到主要草种能够在一定程度上反映草地质量和物种的丰富度,故选取了主要草种作为一个主要因子。人类的生活和生产活动对草原产生一定影响[11-13],因此增加了与人类活动密切相关的行政区及居民点数据资料。

最终,结合各个因子对草原生态系统的重要性并考虑到数据量的大小,筛选出来的草原信息数据资料由7个基础图件(数字高程图、TM 遥感影像图、行政区划图、土壤类型图、草地类型图、年均降水量图、年均温度图)和对应的属性文件构成。

1.2.3 数据处理及规范化 由于所收集的图件数据都是相互独立的,且图幅、数据格式、数据类型(矢量和栅格)、空间分辨率均不统一。因此,首先需要以研究区的行政边界图为基准对收集到的空间数据进行逐一挖取,统一投影(高斯-克吕格投影,中央经线为E 117°,False Easting为500 000 m),统一格式(栅格格式)。主要处理流程如下:

1)数字高程图处理:原数字高程为DEM(digital elevation model)的矢量数据类型,即等高线下的DEM 数据。使用ArcGIS(9.3)软件,先用其中的3D analyst工具,生成不规则三角网(triangulated irregular network,TIN),然后生成Grid格式,最后用Erdas(9.1)软件的Import/Export模块生成分辨率为30 m的栅格(raster)数据格式(raw格式)(图4)。

2)TM遥感影像的处理:共收集了18景TM遥感影像以覆盖整个研究区。首先使用ArcGIS和Erdas软件对原始影像进行裁剪和拼接。为了取得接近现实的贴图效果,经过反复试验,最终选择 TM影像的2,3,4,5,7波段运算生成近似的真彩色遥感图像,然后又用Photoshop(CS4)软件在色调上做了适当调整,基本满足了本研究的要求(图5),最后将其规范为分辨率为30 m的栅格图。

3)气象资料数据处理:年均降水量和年均温度图是采用反距离加权法(IDW)进行空间数据插值而生成的,在空间插值的过程中借鉴文献[14,15]做了适当修正,处理后分辨率为240 m。

4)其他图件的处理:收集到的草地类型图、土壤类型图、行政区划图均为矢量格式,使用软件ArcGIS和Erdas将其转化为栅格数据格式,草地类型图和土壤类型图分辨率均为30 m,行政区划图分辨率为30 m。由于该3个图件的属性数据及居民点属性数据中没有合适的字段与三维虚拟空间进行关联,所以在相应的数据中添加了与三维虚拟空间关联的字段,最终将属性数据均规范为关系型数据表格式,以自定义的tab格式保存。

图3 三维数字模型的逻辑结构图Fig.3 Diagram of logic structure of digital model

1.2.4 图层叠加及与属性数据的关联 经处理后的数字高程图、TM遥感影像图及其他基础图件是相互独立的。为使其在草原三维数字模型中建立高效的关联,需要对数字高程图与TM遥感影像图进行叠加,并在基础图件与属性数据之间建立有机的关联。图层叠加及与属性数据的关联是运用Visual C++6.0自行编写的软件进行处理,经处理后主要实现数字高程数据与TM遥感影像数据合并保存为的自定义的bin图件格式。最后将三维空间数据与属性数据通过关联字段建立关联。

1.2.5 建立三维数字模型的环境与方法 草原三维数字模型开发是基于Windows XP(SP3)操作系统进行的。为了便于代码的编写和调试,开发环境硬件采用配置为2.2 Ghz CPU、4 G内存、1 024 MB显卡的微型计算机。开发软件环境是基于Visual C++6.0和Visual Studio 2008环境提供的MFC框架,运用C/C++语言以及Visual C++中的高级语言进行编写开发。具体实现策略是:首先把总体任务划分为几个部分(属性数据管理、空间数据管理、数据操作、数据显示等),再把各个部分分解为较小的任务,继而再把小任务分解为更细化为功能模块完成。模型建立过程是:首先逐一设计并编写小模块,模块的设计和开发是通过运用C/C++语言调用OpenGL[1,16,20]提供的API函数从底层进行设计开发的。经过调试、测试后,把小模块集成为中型模块,再经过中型模块的进一步封装集成后,最终完成草原三维数字模型的开发。

2 结果与分析

2.1 草原三维数字模型的建立

基于GIS理论和草原生态学原理,综合应用3D技术、硬件与软件技术,建立了草原三维数字模型(grassland 3D-digital model,G3DDM),并在草原三维数字模型中嵌入多元地理信息和草原生态信息。建立的草原三维数字模型实现了多层图件以及属性数据的集成管理,通过操作模块和输出模块相应的模块可实现坐标转换、地形渲染、信息查询等功能。G3DDM的逻辑结构见图3。

图4 锡林郭勒盟数字高程Fig.4 DEM of Xilin Gol

图5 锡林郭勒盟真彩色植被Fig.5 True color vegetation of Xilin Gol

2.2 三维数字模型的显示

通过DEM获取的数据只是三维空间离散的点,并不能生产真实的立体感。为了实现系统对草原复杂地形的逼真模拟。首先,借鉴前人的算法[17,18],依据系统的特点,自行编写适合本系统的算法,以读取的高程数据为基础进行连续绘制TIN,来拟合真实的地面,运用TIN模拟三维地形效果见图6。然后,将TM遥感影像的颜色信息镶嵌三维空间模型骨架之上,即实现TM遥感影像作为纹理映射到三维地形之上,送入OpenGL渲染管道进行实时渲染,便实现了三维虚拟草原地形的渲染,三维地形渲染的流程见图7;映射TM遥感影像到草原三维数字模型上实时绘制三维虚拟草原的场景见图8。地面随着数字高程的变化,呈连绵起伏的三维地形仿真效果。

图6 TIN模拟三维地形显示Fig.6 The display of terrain simulation using TIN

图7 基于OpenGL三维地形生成的流程Fig.7 The procedure of 3D terrain generation using OpenGL

图8 草原三维数字模型的显示Fig.8 The display of 3D-digital model of grassland

2.3 三维数字模型草原信息的嵌入、显示

2.3.1 多元地理信息的嵌入、显示 为了方便草原地理信息及生态信息的查询,在草原三维数字模型中设计了动态查询多元地理信息及生态信息的机制。可用鼠标随意指向三维虚拟草原数字模型中的任意一点(无需点击),便能迅速、动态获取该点草原的多元地理信息及生态信息(大地坐标、地理经纬度、海拔、草地类型、生长的主要草种、土壤类型、年平均气温、年平均降水量等)。草原多元地理信息查询显示是通过坐标转换模块和计算模块来实现的,而草原生态信息的查询显示是基于地理坐标和已建立属性关系表实现的。

2.3.2 居民点的嵌入、显示 由于天然草地多分布于生态环境相对较为脆弱的干旱半干旱地区,故草地生态系统是受人类活动影响最大的陆地生态系统之一[7,19],尤其随着人口数量的不断增加,人类对草原生态系统的影响愈来愈明显,于是在草原三维数字模型中嵌入了在一定程度能够反映人类活动的信息,即居民点信息。居民点信息的嵌入是通过在三维虚拟地形模型上叠加点图层实现的,居民点信息嵌入草原三维数字模型后,会在三维虚拟草原地形上自动用红色斑点标记城、镇、村落等的所在位置(图9)。只需将鼠标移动到标记点上,或标记点附近,便会以文本形式显示该点的属性信息。居民点信息主要显示该点地名的名称,如城市名、苏木名、嘎查名、机井、电站、街道办事处、车站名等。

图9 草原三维数字模型渲染效果Fig.9 Render effect of grassland 3D-digital model

2.3.3 行政边界的嵌入、显示 行政边界嵌入是通过在三维数字模型中叠加线状图层实现的,在三维虚拟草原场景嵌入行政边界后,能够方便地识别行政区的边界,目前该草原三维数字模型上可以叠加研究区的分旗县行政区划图,并用红色线条显示在三维虚拟草原地形上。

3 讨论

该草原三维数字模型的建立是运用VC++6.0和Visual Studio 2008软件进行完全自主设计、底层开发,不依赖于任何国内外商业软件。首次在国内建立了大范围、较高分辨率的草原三维数字模型,该三维数字模型的建立集成应用以高程数据为核心的多层图件数据,并将多元草原生态信息嵌入与三维数字模型,在三维虚拟草原场景中成功地实现草原信息的快速查询。同时,该三维数字模型的建立运用视景体裁剪技术、背面剔除技术[20,21],然后经过算法的反复优化,在中高档的微型计算机上运行能够满足渲染的要求。建立的草原三维数字模型经过30余次的反复验证,运行稳定,查询准确可靠,在配置为1.8 GHz CPU、2 G内存、512 M 显存的微型计算机上,G3DDM渲染1.46 G图件数据的帧率平均为22 FPS左右(图9)。相对于数据量大小,三维数字模型采用的算法优于ROAM算法[22,23]。但是,该三维数字模型也存在一些不足之处,比如:草原信息指标选取不够全面,功能还需进一步完善,分辨率、信息丰富度、遥感影像处理效果等方面都有待于进一步提高。对草原三维数字模型一套新操作方案和机制仍然在不断深入研究之中,主要解决多时相遥感影像叠加和草原生态状况的动态分析和预测。总之,该数字模型的建立有利于进一步加快草原信息管理的步伐,并为三维虚拟草原的深入研究提供了技术支持。

理想的数字草原不仅是现实草原在网络平台上的模拟与再现,而且是多元科学数据集成应用的共享系统,浏览、检索、查阅、计算、分析,甚至预测都可以在数字草原得以实现[24]。随着草原信息化的不断发展,草原三维数字模型将与草业相关地理信息系统、专家系统等结合集成,将形成三维虚拟草原的智能化,能够在三维虚拟环境下对草原生态状况进行实时动态分析及预测。随着网络技术的发展和WebGL标准规范预计2010年上半年制定完成,有助于利用HTML5的相关技术实现草原三维数字模型在互联网上的搭建。目前仍在进行此方面的深入研究。

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