适用于林分三维可视化的树木模型构建研究

蒋娴 侯瑞霞 张怀清 李凡

（中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091）

适用于林分三维可视化的树木模型构建研究

蒋娴 侯瑞霞 张怀清 李凡

（中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091）

根据林分三维可视化对树木模型在大小、分级显示LOD、交互、生长的需求，提出一种基于onyxtree的树木模型构建方法。以杉木为例，在OnyxTree软件输出的初级树木模型将野外实测数据输入到树模型中，修改其外形、树叶长度、疏密等等，然后通过3ds Max软件、PS软件，将野外采集的树皮纹理进行加工，再打开Deep Exploration ,将杉木模型修改成实际高度，贴树皮、树叶纹理，最后输出杉木林分三维可视化树木模型。

林分；三维可视化；树木模型；构建

近年来，随着计算机技术、图形学的不断发展，将树木形态结构精确描述、可视化表达成为树木模拟发展的重要方向[1]。20 世纪 90年代以来，国内外面向植物的建模与绘制软件发展较快，有法国的Amap，加拿大的L-studio，美国的onyxTREE、LMS、SpeedTree等[2]；同时国内也相继开发了Easytree、3DTree、CTS等树木模拟软件。这些软件功能应用范围不尽相同，既有面向建立模型的工具平台，又有面向景观的综合管理等[3]。但是，这些树木软件的输出模型往往是对模型形态结构的大致拟合，不能表现树木的具体形态，也不能根据树木的生理过程进行动态表达。尤其是在进行单木—林分—景观的场景切换时，树木软件的输出模型往往占用很大的内存空间，并且没有层次变化[4]；而单一的广告牌又不能满足场景的变化对树木形态的需求[5]。因此，本文以杉木为研究对象，选取OnyxTree软件作为初级树木模型输出，然后在此基础上输入野外实测数据，修改其外形、树叶长度、疏密等等，然后通过3ds Max软件、PS软件，将野外采集的树皮纹理进行加工，再打开Deep Exploration ,将杉木模型修改成实际高度，贴树皮、树叶纹理，最后输出杉木模型。

1 材料与方法

1.1 实验样地

选用位于湖南省攸县黄丰桥林场杉木人工纯林固定样地为数据源。黄丰桥林场位于湖南省株洲市攸县境内，介于东经113.04°-113.43°，北纬27.06°-27.04°之间。全场地貌以中低山为主。境内最高海拔1270m，最低海拔115m，坡度25-35°之间。全场现有林地面积10122.6hm2，活立木蓄积879 705 m3，树种以杉木、松类为主，其中杉木面积3197.6hm2、占用材林面积89.9%，蓄积593738m3、占96.56%，全部为人工林。

共选取6块典型杉木人工同龄纯林为研究对象，对样地内林木（包括未达到起测径阶的林木）进行胸径和地径检尺测量。根据杉木生长特点，分别选取9、16、23、28、45年生杉木作为研究对象，分别进行胸径、树高、冠幅以及枝下高、一轮枝的测量，测量结果见下表。

单木野外实际测量结果

1.2 调查方法

首先对湖南黄丰桥林场杉木进行形态结构的测量，测量参数包括：树高、树干高度、胸径、枝条平均直径、枝下高、冠幅、枝条与树干夹角大小、枝条生长角度等特征参数，枯枝、断枝等外形特征，测量方式包括有损测量和无损测量。

2 工作步骤与结果

2.1 建模流程

在OnyxTree软件输出的初级树木模型将野外实测数据输入到树模型中，修改其外形，杉木树叶的长度、疏密等等；然后通过3ds Max软件、PS软件，将野外采集的树皮纹理进行加工；再打开Deep Exploration ,将杉木模型修改成实际高度，贴树皮、树叶纹理，最后输出杉木模型。

图1 杉木模型建模流程

2.2 建模过程

（1）打开OnyxTree CONIFER 软件，找到松科中比较像杉木的树模型，将野外实测数据（表2杉木树模型信息说明为实测数据）输入到树模型中，修改其外形，树叶的长度、疏密等等，然后保存文件。

（2）修改Trunk Width、Trunk Mold 、Branch Width中的参数值，并且将部分枝干做剪切，如图2所示。

图2 杉木初始模型

（3）修改Trunk Height、 Bottom Height、Bough Length、Bough Density等参数值，并且对细枝做了剪切修改，如图3所示。

图3 修改枝干参数值后的模型

（4）修改树叶的长度、疏密度等，如图4所示 。

图4 修改树高、密度等后的模型

（5）打开3dsMax软件,通过Tree Storm将树模型加载进来，修改后导出3DS格式文件。

（6）打开PS软件，将野外采集的树皮纹理进行加工，选择树皮纹理比较清楚、干净、尽量没有阴影的部分拷贝出来，保存成PNG格式，放入3DS格式树模型文件夹里，如图5所示。

图5 树皮优化后的模型

（7）打开Deep Exploration ,将杉木模型修改成实际高度，贴树皮、树叶纹理。

（8）在3D物体列表中把物体属性中位置X、Y、Z都修改为0，尺寸大小修改成树的实际高度，如图6所示。

图6 修改实际树高

（9）在材质中将树干、各级树枝、树叶进行贴纹理，如图7所示。

图7 纹理修正

2.3 建模结果

构成树模型最终样子，如图8所示。

图8 实际输出模型

3 结论

为了更好地在单木—林分—景观可视化表达中展示单木模型，人们选取的各种方法各有利弊。单木模型可视化的目的是为了让人们更加直观准确的对树木“可见”，本文提出的在OnyxTree软件基础上结合实际测量数据，运用3ds Max软件、PS软件处理而获得的实时树木模型能有效的避免“看起来不像”的问题，因此可以在单木—林分—景观可视化表达中使用。

[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] 卢康宁，张怀清，刘闽，等.杉木单木生长可视化模拟系统设计与实现[J].林业科学研究，2012，25（2）：207~211.

[4] 宋铁英.一种基于图像的林分三维可视模型[J].北京林业大学学报，1998，20（4）：93~97.

[5] 权兵.基于虚拟森林环境的林分生长和经营模拟研究[D].福州：福州大学，2005.

TP391.414

B

1004-7743（2017）04-0065-03

2017-09-09

蒋娴（1980-）,女，四川眉山人，助理研究员，主要从事林业科学数据可视化。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金“基于空间结构的林分生长可视化模拟技术研究”（IFRIT201503）