森林三維虛擬場景建立——以帽兒山林場為例

劉 洋 項忠夫

(中國地質大學(北京)，北京，100083) (哈爾濱市國土資源勘測規劃院)

劉 君 張 研 王 猛

(黑龍江省煤田地質研究測試中心) (黑龍江省第五地質勘察院) (黑龍江省林業設計研究院)

“數字林業”的三維可視化是目前在林學和計算機圖形學領域研究的一個熱點。利用此技術可以對林地植被進行模擬，虛擬演示林地分布情況。虛擬現實技術例如虛擬防火、虛擬病蟲害、虛擬林木生長等應用的實現，也對林業的管理和決策起著至關重要的作用［1］。如何快速、高效、逼真地采用三維可視化和虛擬現實技術來顯示“數字林業”，是專家和技術人員共同努力的目標［2］。近年來，三維計算機圖形學發展迅速，新的理論和方法層出不窮，其在各行各業應用的深度與廣度也在日益增大。在林業方面，出現了相當多的植物生成算法和滿足各種要求的植物模型生成軟件，例如Speedtree、Xfrog、L22Studio、SVS等，并且已經部分應用于林業研究領域［3］。但是，隨著模型和場景的復雜度的增長，對實時性和精確性的要求越來越高，這在林業可視化中依然是一個很大的挑戰。

通過融合地理、遙感、專題以及公共信息等各要素建立虛擬環境，就必須借助數字攝影測量學的方法和高分辨遙感影像信息，從立體像對恢復、正射影像圖制作、矢量采集以及虛擬環境建立，才能建立具備可視化、立體的地理信息。本文借助ERDAS系統，利用該軟件中圖像處理、正射處理、立體測量以及虛擬地理信息系統，將矢量、圖像、DEM數據快速地融合在一起，建立了具有真實感的虛擬森林環境。根據地理信息系統理論，借助虛擬現實技術和計算機圖形技術及相關編程語言，制作具有高度真實感和可操作性的虛擬林相系統，對林地植被的模擬、林地分布情況的虛擬演示都具有積極的意義。

1 研究區域概況

以帽兒山林場作為研究區域。帽兒山林場位于尚志市西北部，場址距市區40km，隸屬于尚志國有林場管理局。地理坐標為東經 127°18＇0″～ 127°41＇6″，北緯 45°2＇20″～ 45°18＇16″。林場東與小九、尚志林場相鄰，南與五常市相連，西與阿城市接壤，北與東北林業大學實驗林場相接。林場地處張廣才嶺西坡。境內以山區丘陵地貌為主。施業區內坡度較緩，大部分坡度在5°～25°之間;地勢南高北低，海拔高度多在200～600 m之間;最高峰大青頂子，海拔649.9 m;最低處西泉眼，海拔高200 m;平均海拔400 m左右。主要河流多為松花江二級以上支流，其中較大河流有黃泥河。該區有3個土類，以暗棕壤為主，暗棕壤共有3個亞類，即原始暗棕壤、典型暗棕壤和草甸暗棕壤。該區屬中溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長、寒冷而干燥，多西北風;夏季溫熱短促、降雨集中。研究區域經營總面積27858 hm2。林業用地面積26067 hm2，其中:有林地面積23204 hm2，未成林造林地632 hm2，無林地2490 hm2，苗圃5 hm2;非林業用地1 527 hm2。森林總蓄積1 879 380 m3，森林覆蓋率83.29%。

2 虛擬林相的組建

2.1 數據資料

選取帽兒山林場的地形圖作為提取原始地貌信息的基礎資料。在ERDAS8.7軟件的支持下，將原始圖像經過幾何校正、圖像融合以及圖像預處理后，使圖像具有較高質量，完全可以滿足制圖的需要。

輔助數據主要包括:帽兒山林場地面實測資料，帽兒山1∶10000地貌圖，1∶10000林相圖，1∶10 000地形圖，1 ∶10 000地形數據資料。

在數據預處理中，為了既能與全國地貌制圖坐標系統相一致，又能充分保證本研究區的數據資料變形較小，本次工作將各種類型的矢量數據、掃描圖件和航片影像等都要統一到同一坐標系統中。其投影系統的具體參數如下［4］:Ellipsoid_Krassovsky;Transverse_Mercator;False_Easting:500000.000000;False_Northing:0.000000;Central_Meridian:129.000000;Scale_Factor:1.000000。

2.2 虛擬林相的構成

虛擬林相系統主要由三維圖像顯示、空間屬性數據處理、三維場景漫游3個部分組成［5］。三維圖像顯示是將DEM(數字高程模型)與數字林相圖進行疊加，產生三維地形的可視化。空間屬性數據處理主要包括:樹種參數模板，小班圖層，以小班為基本單元的森林屬性數據，以及地形DEM模型。得到小班內所有樹木的位置與高程后，下一步需要動態生成符合該小班屬性的樹木幾何模型，最后將該小班作為一個組結點加入虛擬林相中。三維場景漫游是在Virtual GIS環境中，可以在虛擬林相的三維空間中進行虛擬漫游，自定義漫游飛行的路線，能在實時三維環境中提供GIS分析和實時三維飛行方式的訪問，體驗三維森林景觀的空間變化。

2.3 生成虛擬林相的步驟

虛擬林相的建立過程是一個較大的系統工程，簡單來說，它就是DEM與數字林相圖的疊加，但是完整的虛擬林相還需要一些輔助步驟(見圖1)［6］。

圖1 虛擬林相流程圖解

矢量數字林相圖包含的核心內容是小班多邊形專題，它攜帶了森林資源的主要信息量［7］。等高線是通過手扶跟蹤掃描的地形圖來獲取，這里使用的等高線數據和高程數據來自帽兒山實驗林場。數字高程模型(DEM)通過掃描矢量化等高線內插方法來生成，圖2為DEM構建原理結構圖(見圖2)。在生成的DEM之后利用ERDAS IMAGINE轉換成為.img格式，使DEM與林相圖中的矢量數據格式一致，便于兩者相疊加(見圖3)［8］。建立立體地形圖必須將DEM描述的場景坐標系轉換成為視點坐標系，其轉換方程見式(1)、式(2)［9］。

圖2 DEM的構建過程

圖3 帽兒山DEM

式中:(xe，ye，ze)為視點坐標系中的坐標;(xw，ys，zw)為場景坐標系中的坐標;(Cx，Cy，Cz)為視點坐標系原點在場景坐標系中的坐標;(Ux，Uy，Uz)為視點坐標系的為x軸方向向量;(Vx，Vy，Vz)為視點坐標系的為y軸方向向量;(Nx，Ny，Nz)為視點坐標系的為z軸方向向量。顯然，上述的轉換過程由兩個轉換組成，即平移和旋轉。之后對圖像進行LOD技術處理，LOD技術的思想是在不影響畫面視覺效果的條件下，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜性，從而提高繪制算法的效率。該技術通常對每一原始多面體模型建立幾個不同逼近精度的幾何模型，與模型相比，每個模型均保留了一定層次的細節。當從遠處觀察物體時，采用較為粗糙的模型，而若從近處觀察物體時，則采用精細模型，即為了加速圖形生成以保證實時的圖形繪制，根據觀察點位置的變化選擇不同精度的模型予以成像［10］。利用數字林相圖著色，一般針對于公路、河流等地物進行著色，此目的在于充分應用計算機表達顏色的豐富功能來營造真實感。最后將三維地形圖和林相圖進行配準。

2.4 虛擬林相的合成

將生成的DEM與處理好的數字林相圖在ERDAS IMAGINE 8.7中的Virtual GIS模塊中進行疊加合成。將研究區域的道路、河流、省界、鄉界等各種信息均矢量化后保存為一個ERDAS IMAGINE可讀的.img文件，便于在Virtual GIS三維顯示窗口中加載(見圖4)。

圖4 添加各種矢量信息后的全景圖

3 結束語

通過對帽兒山林場進行虛擬林相的建立，可立體的、多角度的了解了森林林分組成，更直觀的了解森林的總體概況。而且通過對森林屬性信息的錄入，使得該系統具備了方便快捷的查詢功能。最后根據三維虛擬全景，可以對虛擬林相中森林的各個樹種進行分析，得出該地區的森林格局，為更好的經營森林提供了有利的理論基礎。

本文現實意義在于以直觀的形式將傳統的專題地圖轉換為可視化的虛擬地理環境，讓非專業人士也能同專業人士一樣獲取信息，三維屬性數據查詢讓操作者更直接的認識查詢對象。森林資源在空間分布上具有分散性和遼闊性，在時間分布上具有動態性，虛擬現實的構模造型技術，對森林的監測、地質的勘探、礦產的調查更具有現實意義。

［1］孫景花，周勝利，李罡.地理信息系統數字化林相圖的應用技術［J］.吉林林業科技，2002，31(5):51－52.

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［3］盧新，李星.虛擬現實技術在地學信息可視化中的應用［J］.工程地球物理學報，2004，6(1):538－540.

［4］周艷.虛擬地理環境與空間數據可視化［J］.鐵道勘察，2004(6):11－14.

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［6］羅傳文.三維虛擬林相的制作技術研究［J］.林業科學，2003，39(3):169－171.

［7］張維勝，趙革，王超，張紅，吳樊.基于ERDAS的三維虛擬地理環境開發方法研究［J］.測繪技術裝備，2005，3(7):6－8.

［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):3－4.

［9］李鶴元，王軒，謝鵬.虛擬3維地理環境系統的設計與實現［J］.測繪通報，2002(8):22－24，31.

［10］辛海強，聞輝，張昱.ERDAS軟件在森林資源分類工作中應用［J］.測繪科學，2003，28(2):39－41.