基于SketchUp的杂种马褂木年轮形态模拟技术

李彦强，刘腾云，周 华，孙小艳，余发新

(江西省观赏植物遗传改良重点实验室，江西省科学院生物资源研究所，江西 南昌330096)

0 引言

杂种马褂木可选作新一代阔叶落叶用材林树种，其具有适应性广、干形通直、生长快、材质轻颜色浅等诸多优点［1］。而过去多以生长量或材积指标一维曲线或平面图表表现其生长特性，其表现性和可视性较差。随着计算机和空间技术飞快发展，特别是3D等计算机仿真虚拟技术发展将成为今后发展的新趋势和新技术，目前该技术在林业方面主要应用于宏观领域。而林木生长微观模型研究较少，且过去多以LindenmayerA［2］提出的L系统拓扑结构方法，该方法太抽象不便操作等。关于利用SketchUp技术应用于林木形态生长结构研究较少，相关研究处于探索阶段［3～5］。

本研究利用GoogleSketchUp(简SketchUp)软件，将杂种马褂木某段圆盘形态特征3D图像化和数字化，模拟实物实际，以期真实可视化，主要包括二维和3D可视化模拟模型，结合实测数据控制模型大小并以期实物数字化控制，该模型和模拟方法对于速生树种树干解析3D数字化模型构建具有一定的通用性，使其3D单株实景立体形象表现，也为今后单一树种人工林群体生长动态模拟和可视化林分管理模型提供基础构件和方法。

1 材料与方法

1.1 材料

该树种栽植于江西省科学院生物资源研究所高安基地，以9年生杂种马褂木为材料。2013年3月每木检尺，并伐倒平均胸径树木，制作圆盘，并拍数码照。本文以胸径1.3 m处的长约13.5 cm圆盘数码照为研究对象。

1.2 SketchUp软件介绍

本文采用 SketchUp8.0.11434b版本及官网［6，7］相关帮助信息。

SketchUp是一套直接面向设计方案和创作过程的设计软件，简单便捷的操作工具和快捷键自定义，是三维设计方案创作的优秀软件［8］。但在林木或林分结构应用研究报道较少。主要特点有:(1)独特简洁的界面和简单工具，用户可快速掌握并可自定义设置窗口界面;(2)适用范围广泛，可用于各个领域的3D模型构建;(3)独特的推拉功能，用户可将任一闭合面利用该工具生成初步3D几何体，再利用实测数据结合其它工具模拟出实物实景;(4)可将实拍实物二维数码照直接导入软件，利用图形生成相关工具模拟出实景二维图，为后来生成3D需要提供简单闭合的面;(5)生成的3D图可以全方位观测内部结构和各个线面相关数据。

SketchUp中可选择创建具有不同精确需要的构件，可选择参数范围和精度。而且选定对象输入确定的数字控制大小及精度。也可以将3D结构导出为二维图形、3D模型或动画等形式。且输出格式具有较好的兼容性。SketchUp进行树干及年轮形态模拟方便快捷，也可将自己建立的模型通过网络进行共享。

2 林木年轮形态模拟

2.1 准备及数据采集

将杂种马褂木带皮圆盘年轮用黑色油性笔拓描，以便不规则似圆形年轮明显，将拓描后的圆盘拍成数码照，并用直尺测量其南北方向年轮宽度等数据并记录。将拍成年轮数码照导入SketchUp软件。

2.2 林木年轮模拟

SketchUp的界面非常简洁，与其他三维设计软件一样。SketchUp也使用坐标系来辅助绘图。SketchUp中的每个模型都由2个要素构成。即边与面，边是直线或曲线，而面是几条边构成一个闭合或不闭合的二维平面。SketchUp中创建的一切线或图都有精确的尺寸，因此每一个已知宽度和高度的对象在“推/拉”工具的应用下都可得到三维形状，SketchUp中测量专用工具，可以把测量实际数据可显示图形实际大小。

树木生长及年轮的模拟过程要结合本身实际情况，首先不规则似圆形及多层构成闭合平面的建立，其次利用“推/拉”工具建立三维模型，再次选中上面利用“拉伸”工具按照实际测量数据按比例大小数字化缩放。最后将实际测量的有用数据利用尺寸工具可标记到模型上去。

开始画图前系统默认模板为google地球建模－米，由于树木年轮单位及精度不适合，需经设置，在“窗口”→“模型信息”→点击“单位”→右边显示“长度单位”格式设置为“十进制”“厘米”精度值“0.000 cm”。

由于树皮粗糙且不规则，可用“徒手画”工具在放大视图下慢慢拓描一圈封闭建成闭合面。最外面一圈年轮也采用“徒手画”拓描形成闭合面。由于利用“徒手画”工具往往不能形成闭合的面，因此观察靠里面实际年轮与外围年轮高度相似，可采用“偏移”工具进行绘制，但是由于似圆形曲线是由直线构成，在偏移过程中缩小产生变形，再利用“擦除”工具擦除掉不用的线段就构成闭合的面了。最里面的几圈年轮观察非常接近圆形，首先采用“圆”工具画圆，再用“圆弧”工具修改成实际性状，如法一一绘制。

利用测量的实际数据将绘制年轮似圆形线利用“拉伸”结合右下方的“度量”输入相应的比例数据绘制成实际大小的年轮。然后将绘制好的年轮闭合面利用“推/拉”工具一一拉成柱状图即初步3D建成。由于柱状体上下面的年轮大小一样，而实际测量数据是不一样的，采用“拉伸”结合右下方的“度量”绘制柱状体上下面年轮。

图1 数码照片导入a，拓描b，3D推c拉d示意图(单位cm，精度0.000 cm)

通过结合实际测量数据输入模型控制，基本实现了树木某段生长结构的再现，具有较好三维可视性，其信息化利用前景广阔。

3 结束语

利用SketchUp模拟不仅可以建立树木某段生长及年轮变化模拟结构图是3D三维图，而且SketchUp测量工具模型中线、面、体等大小即实际实物大小，估算相关生长量、面积、材积等。较好地模拟实际实物，使实物更加可视化、形象化、信息化。

本研究树干某段生长及年轮模拟方法简单易学，不需要复杂数学计算、不涉及树木生长模型曲线。当然该软件也有“文本”工具，如有必要也可输入相关生长模型公式，有利于丰富信息。

本文目的是简便快速地生成原态某段生长及年轮，侧重于计算机图形学。SketchUp模拟某段生长及年轮具有良好的通用性，可作为原始SkethUp模型利用网络进行共享，对于其它树种稍作修改即可。本文虽是静态3D构型，但是可为动态模型研究提供依据。以及基于MRI、XCT等现代影像技术的树木生长及年轮三维构型的原位观测和定量分析技术研究提供依据。

本文建立简单的SkethUp静态3D构型，树木生长是一个综合动态过程，动态3D构型建立为最终目标，动态模型建立不仅需要时序信息，而且不同立地条件下树木生长表现不同，某一立地条件生长状况也要可视化信息化，立地条件也要模拟到SketchUp-3D中。SketchUp动画功能也为今后研究可视化动态构型提供方法。当然SketchUp也是一个开放的软件，与Photoshop、3DMax等软件有良好的兼容性。结合这些软件为树木及林分计算机图形学提供丰富软件工具。

本文只是简单介绍了利用SketchUp模拟树木某段生长及年轮画法，及如何将其可视化。为今后建立3D动态实时实景和林分群体3D模拟生长结构图提供一些依据。

该软件可测定选中线长短信息和闭合面的面积大小等数据，缺点是目前该软件不能测定选定目标的体积大小，关于其材积估算还需该树种形数等参数。

［1］ 叶金山，王章荣.杂种马褂木杂种优势的遗传分析［J］.林业科学，2002，(4):67－71.

［2］ Lindenmayer A.Mathematical models for cellular interaction in development，PartⅠandPartⅡ［J］.Journal of The oretical Biology，1968，(18):280－315.

［3］ 胡包钢，赵 星，严红平，等.植物生长建模与可视化回顾与展望［J］.自动化学报，2001，27(6):816－835.

［4］ 宋恒川，陈丽华，汲文宪，等.基于SketchUp的林木根系形态模拟研究［J］.广东农业科学，2012(14): 186－188.

［5］ 钟 南，罗锡文，严小龙，等.植物根系生长的三维可视化模拟［J］.华中农业大学学报，2005，24(5): 516－518.

［6］ 官方帮助中心网址［EB/OL］.http://www.sketchup.com/intl/zh-CN/redirects/gsu8/support.html.

［7］ 中文SketchUp信息网址［EB/OL］.http://www.sketchup.com/intl/zh-CN.

［8］ SketchUp百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/410748.htm.