科学可视化(Scientific Visualization, SV)这一术语是由美国计算机成像专业委员会(CIP)在1987年提出的, 此后, SV作为一门交叉学科在短短的10 a间已取得了惊人的发展, 当那些“无纸飞机”, “无纸汽车”展示在世人面前时, 计算机图形的作用曾令人刮目相看; 而当人们又将各种自然景物如山水烟云、植物与森林逼真地再现在屏幕上时, 计算机图形的魅力更令人赞叹不已; 电影《侏罗纪公园》中活灵活现的恐龙引起观众又一次的狂热。更让人惊叹的是, 在由计算机所营造的虚拟现实中, 医生们在计算机屏幕上进行着人体解剖, 观察着血液通过心脏的全过程; 生物化学家可以操纵分子模型观察不同药物的立体结构; 而飞行员和宇航员在各种飞行模拟系统中操纵着各自的飞行器, 进行着从心理到生理的训练; 在教学中, 学生们可以在仿真过程中经历不同的时间与空间, 可以与仿真物体接触, 他们不离开教室就可以进入人类经历的数据库中, 等等, 这一个个奇妙的杰作都是由被称之为可视化技术所创造出的。

在CIP的Visc(Visualization in scientific computing)报告中是这样描述可视化的定义的:“可视化是一种计算方法, 它将符号(数据)转换成几何, 使研究者能观察他们的模拟与计算, 它将不可见的变成可见的, 丰富了科学发现的过程, 给予人们深刻与意想不到的洞察力, 在很多领域使科学家的研究方式发生了根本变化”。确实如此, 近年来科技的发展已显示出可视化对科研生产与重大科学突破产生了巨大的影响, 已使得各行各业竞相引入科学可视化的研究成果。科学家们甚至称可视化为第二次计算机革命, 所以, 它的出现标志着计算机科技的又一次更替, 人们把20世纪70年代称为数据计算的时代, 80年代称为文字处理的时代, 90年代则将是实时直观处理(Real virtual presess)的时代, 可见, 信息的可视化正形成一种趋势, 已成为衡量社会进步的重要尺度。可视化程度的高低将成为科技成果进步与否的重要标志之一。

科学可视化是由计算机图形学、计算机视觉、计算机仿真学等多个与计算机相关的学科中孕育出来的, 正因为此, 它涵盖了更丰富的内容, 其应用远远超过计算科学自身, 所以, 可视化技术适用于任何有大量数据存在的场合, 而本质上并不局限于某种特定的应用, 科学可视化一个极具魅力的优点在于“应用学科无关性”。虽说如此, 任何领域在引入可视化技术时都有一个如何应用的问题, 都有一些特殊问题需要解决, 而科学可视化也正是在解决这些应用中不断产生的新问题中得到发展的。

尽管可视化的应用目前还主要集中在较先进的军事科学、航空航天、制造业及工程设计等领域, 但近几年, 在医学、生物学、影视业等领域也都相继引入了可视化技术。在林业科研领域中也逐渐引起了人们的重视。20世纪80年代中期, 在国外的一些学术刊物和国际会议上, 美国、日本等国的林业科技人员都曾报导过他们采用计算机图形技术来描绘森林的总体形态, 混交林的树种分布, 以及实施不同的采伐方案对林分形态结构影响的比较等。但是受传统的规则实体的图形绘制技术的限制, 这些应用的可视化程度仍很低, 图形的逼真度较差, 信息量也很少。法国农业开发国际研究中心(CIRAD)是世界上为数不多的用计算机模拟植物形态与生长的研究机构, 侧重于应用研究, 20世纪90年代初, 曾推出一个叫作“AMAP”的软件系统, 据介绍AMAP系统已成功地构造了上百种不同形态的植物的计算机图形, 从建模到绘制技术较前都进步了许多, 但仍以人工建模为主。由于受可视化软件发展水平的限制, 林业科研中的可视化应用主要还是在一些较为成熟的可视化软件基础上开发一些用于后处理的应用系统。例如, 在林业资源与环境管理中, 地理信息系统(GIS)常被用来将各种专题分类图或区划图与地形图叠加产生各种专题性地图。在造林与园林规划设计中GIS也常被用于生成各种规划图和示意图。在森工及园林设计领域计算机辅助设计(CAD)是常被采用的可视化软件工具。通过参数化层次结构的造型方法所构造出的园林模型, 可克服多年来传统的绘制透视图或制做手工模型的局限, 为古建园林的复原及新设计方案的表现提供了高效率、高质量的崭新方法。在森林资源调查中, 计算机视觉软件可用于将遥感图象与地形图对准, 自动描绘立体地图, 等等。

但是, 林业科学的研究对象除了地理空间信息外主要是树木和森林, 而对于这一类自然景物的可视化处理恰恰是计算机图形技术的薄弱环节。一方面, 林业科学可视化技术的应用程度较低, 技术力量也较薄弱, 而另一方面, 林业科学对可视化技术的要求又相对较高, 这就制约了林业科学可视化应用的发展。所以, 树木、森林、植物这一类自然景物的计算机生成问题就成了首先要解决的关键技术。作者自20世纪90年代初即开始对这一课题的研究, 在森林景物的建模(造型)技术和绘制技术方面作了较深入的探索, 先后推出了多种森林景物的建模法和绘制算法。例如, 在研究初期, 曾采用一种旋转扫描法来绘制树木, 树木的3维图形是根据它的冠形曲线经旋转绘制而成, 在生成从某一视点所观察到的林分总体图时, 需根据视点和树木在林中的位置座标计算出每株树在屏幕上的实际位置, 再经过消隐即可。由此方法生成的树木图形信息量少, 逼真度低, 较适合于绘制森林的远景图, 如图版Ⅰ-1所示的落叶松林。为了能绘制更为逼真的树木个体的3维图, 又提出了基于TREE-DOL文法规则的单木生长的视景仿真模型, 它利用文法所具有的很强的描述结构的能力, 仅以若干个字符组成的链语言即可描述一株结构复杂的树木形态, 并结合单木生长的预测模型动态地生成不同生长期的树木图形, 图版Ⅰ-2所示的落叶松林即为由此文法构图法绘制而成的。但由于以链语言描述的景物模型不包含几何信息, 在图形绘制过程中仍需做相应的几何解释, 程度编制难度较大, 所需中间存贮量也较大。所以, 作者认为文法构图法更适合于绘制结构层次较多, 枝体较细的灌木类或草本类等植物, 如图版Ⅰ-4所示的迎春花图和图版Ⅰ-5所示的山坡上的油菜花图。基于分形几何的3D-IFS建模法, 是作者推出的又一成果, 它以3维迭代函数系统(Iterated Function Systems即IFS)作为树木的形体模型, 一株结构复杂, 枝叶繁茂的大树由十几个仿射变换参数确定的一组IFS码即可描述, 其模型不仅包含了拓扑信息, 也包含了几何信息, 有利于图形的绘制。并采用了由概率驱动的随机算法来绘制图形, 无需保留中间结果, 所以存贮量将大大减少, 同时还有利于色彩的分配与纹理的生成, 简单快速。此建模法建立的是树木3维形体模型, 由一组IFS码即可获得多个视点的图像。可用于对树木、植物生长的可视化仿真、自然景观设计等, 如图版Ⅰ-3所示的老槐树和图版Ⅰ-7所示的香山红叶图。但分形法构图要求景物有较强的分形特征, 即自相似程度要高, 而有些树木其总体的自相似程度并不高, 或是拟相似的, 或是局部相似的。所以, 这样的树木采用IFS描述其结构往往不理想, 尤其干体高大的树木。所以, 可以设想将文法构图法和分形法的优点结合起来, 利用文法描述结构的能力来建立景物的结构模型, 控制树木各级结构的生成, 而采用分形法来描述树木的基元(干、枝、叶), 即文法-分形组合构图法, 图版Ⅰ-8所示的南洋杉和图版Ⅰ-6所示的杨树防护林即是在此方面所做的尝试。总之, 树木和植物的种类繁多, 千姿百态, 多年的研究证明, 任何一种构图法都不可能适合所有的植物和树木, 一个景物可采用多种方法建立其模型, 一种模型也可采用多种绘制算法来生成图形。只有采用更多、更新的建模技术, 编制更灵活的绘制算法, 才可适应景象万千的自然景物。所以, 新的、更有效的、适用面更广的构图法仍是我们不断探索的目标。

从以上分析可见, 林业科研中的可视化应用已开始起步, 也取得了不小的成绩, 但是从总体上看, 无论是在深度或广度上都还不够。某些领域还只是侧重于可视化的后处理技术的应用上, 基本上仅涉及到问题的几何方面, 问题的其它方面的分析和计算往往在单独阶段进行, 因此, 原则上讲这仅是一些计算机绘图过程。而科学可视化的目标不仅要求计算结果的可视化, 而且要使得计算过程可视化, 这是两个不同的层次。所以, 林业科学的可视化应用的道路还很长, 我们应在现有的研究基础上向着更高层次的方向发展。

从CIP对科学可视化的定义中可以看出, 可视化有两个明确含义:不仅要求计算结果的可视化(即后处理), 而且要使得计算过程可视化。这意味着可视化不仅是将数据转换成几何, 更重要的是要使得研究者在整个计算过程中能及时了解到出现什么情况和问题, 即要为科研人员提供与数据交互的手段, 从而能实时的对计算过程加以调节和控制。一般按交互方式将可视化策略分成3层:后处理、实时跟踪、驾驭, 这后两层对应着计算过程的可视化, 目前已形成共识。可视化后处理技术较易普及, 也较成熟, 在许多领域已实用化。实时跟踪包含了仿真技术的两个实质性内容, 即“交互和投入”。它使得整个仿真过程在监控程序的控制下, 按着仿真实验模型设计的步骤进行, 随着计算的推进可以同时做一部分可视化工作, 大量繁杂的数据经可视化处理后, 较为关键的信息就易于显露出来, 以助于对模式及趋势的搜寻, 更便于对问题的洞察, 寻求问题的最佳解决。整个可视化仿真过程是一个不断修正错误, 反复循环的过程, 研究者置身于一个交互的可视环境中, 对过程的任一环节进行干预, 这是一种全新的研究方式, 较好地体现了科学可视化的内涵, 也是目前科学可视化的研究焦点。驾驭意味着计算与可视化并发进行, 可视驾驭计算目前还处在理论探讨阶段, 它是研究的更高目标, 它使得科学可视化臻至完善。

林业科学可视化的发展也应遵循上述途径, 在进一步完善可视化后处理技术的基础上, 向更高层次的应用方向发展, 更广泛的引入可视化仿真技术。为此, 就要大力开发适合于本领域的可视化软件工具, 使专业人员能在不同的应用域中方便地解决各自的可视化问题, 因为只有知道问题的人才知道如何使问题可视化。所以, 在近期应分阶段、有步骤地解决以下几个问题:(1)要继续完善对自然景物(主要是树木、森林、植物、山、石、云、水等)的计算机生成问题的研究, 在此基础上着手进行自然景物的计算机辅助设计软件的开发, 用于解决计算机辅助建模、计算机绘制等一系列应用基础问题。(2)要解决如何管理和使用好已生成的各种图形信息的问题, 即为用户提供对图形信息的计算机存储、检索和更新, 以及各种开发利用的工具, 也就是要建立图形数据库管理系统, 用户可以在此基础上开发出更具专业化的可视化信息系统, 如“可视化植被信息系统”, 它可以将森林景物的图形信息与GIS提供的地理间信息结合, 生成更为逼真的视景仿真图形, 以取代用不同色彩和符号表示的各种植被。总之, 实现对图形信息的计算机管理, 是实现过程可视化的基础。(3)交互界面的辅助设计工具的开发, 为用户提供与计算机的交互手段, 专业人员可根据各自的仿真实验模型来设计与计算机的交互界面, 以协调和控制仿真实验模型运行过程中的各个部分, 使研究人员置身于一个交互的可视环境中。(4)要实现多种数据源如数据模型产生的计算数据、遥感数据、远程(网络)数据等的一体化管理。林业科学虽说仍是以实验为主的科学, 但由于其自身的特点, 如树木的生长期长, 面积辽阔等, 时间和空间的局限使得林业科研的发展受到较大限制, 所以, 新的研究方法的探索和先进技术的引进都是必然的趋势。

毋须讳言, 科学可视化在林业领域中的发展是很艰难的, 但其发展是必然的, 也许正由于空白点太多, 其发展的天地将会更广阔。纵观科学可视化在各领域的发展趋势, 可以预见, 林业科学可视化在未来可能会有两个较快的技术生长点, 其一是与网络技术的结合, 其二是虚拟现实(Virtual Reality即VR)技术的引入。这是因为, 图形信息的处理需要较高档的主机, 所需的外部设备较多, 也较昂贵, 软件开发的技术难度也相对较大。所以, 可视化技术的发展需要较多的资金、技术和时间的投入, 这些都是制约其发展的因素。随着网络技术的普及和应用, 使得软、硬件和信息资源均可实现共享, 所以, 开发基于网络平台的网络版的可视化软件系统是解决此问题的有效途径。VR技术是一种高度逼真的模拟人在自然环境中视、听、触等行为的人机交互技术。它有两个基本特征, 即“沉浸”(Immersion)和“交互”(Interaction)。VR的“沉浸”要求计算机所创建的三维虚拟环境能使“参与者”得到全身心置于该环境的体验。VR的“交互”主要是指参与者通过使用专用设备(如头盔显示器、数据手套、六自由度鼠标)来实现用人类自然技能, 对虚拟环境中的实体进行考察与操作, 使得研究者能在时间与空间上穿行。目前, VR技术正广泛地应用到科学研究、医学、建筑、军事、金融等领域中, 它将成为现代图形学的应用主流。林业所面对的正是自然景物, 一般的可视化处理意义不大, 越是逼真、越接近于现实, 其效果将越好, 回报也高。所以, VR技术也必将在林业领域中找到它的用武之地。例如, VR技术在飞行模拟训练中的成功应用启发我们去探索是否可将这一技术用于森林消防训练中。可以设想这样一个场景, 森林消防人员带着头盔显示器, 穿戴好装有特制传感设置的衣裤和手套, 进入到一个虚拟的燃烧着熊熊大火的森林中, 场景中的火势、风向、气温等均可得到控制, 甚至还可以感受到火的灼热和烟的熏炝, 消防人员的每个举动也可得到相应的反馈, 他们在这个逼真的虚拟境界中, 在心理和生理上都处在高度紧张的状态下进行着扑火训练。我们还可以设想将学生带入到一个宁静的世界, 学生们在古老的原始森林或美丽的西双版纳热带雨林中漫游, 各种珍奇的植物, 参天的大树, 稀有的树种历历在目, 我们可以观赏它, 甚至还可以触摸它。这一切听起来像是科学幻想, 实际上, 这一目标离我们并不遥远。不久的将来, 更快、更高质量的图形; 更便宜、更完善的VR设备将使虚拟现实和实际境界之间的界限变得越来越模糊。

综上所述, 科学可视化在林业中的应用虽刚刚起步, 道路也很艰难, 但路已趟出, 前景是很广阔的。