近10年来, 随着对树木和植物的生长机理、森林生态系统的模拟与预测研究的日益重视, 以森林景观为主要对象的计算机建模和可视化技术成为生态学、森林经理学、自然地理学、植物学等领域的一个研究热点(陈彦云等, 2000; 郝小琴, 2001)。人们已不再满足于用简单的几何图形(如圆锥体)表达生态景观中树木(含草本植物)的分布, 而是力求构造更通用的建模与可视化系统或工具满足对大场景的森林景观进行实时地本真还原和科学模拟(或仿真), 以辅助森林经营管理及影响评价、了解森林生态系统动力学及其生理效应研究, 以及景观和花园的计算机辅助设计等(Deussen et al., 1998, 2002; Prusinkiewicz, 2004b; Muhar, 2001), 甚至进行植物病虫害的管理(Wilson et al., 1998), 最终生成自然客体的真实感模型, 以便更好地理解自然。科学家和森林管理者也越来越多地利用计算机建模和可视化工具进行收获方法改进的效果评价、刻画森林各种特征变量、表达环境变化影响等(Uusitalo et al., 2001)。

本文从单棵树木的建模、森林场景的绘制技术、林分及森林景观系统等几个方面, 对森林景观生态的计算机建模和图形可视化研究现状与发展趋势进行综述。

1 树木的建模技术

树木或植物种类繁多、几何形态与结构高度复杂且差异悬殊, 是自然景观可视化中最难建模与表达的要素。在自然资源管理领域, 树木的可视化建模主要采用3种主流技术:1)基于多面体的建模技术; 2)基于图像的真实感建模技术; 3)基于过程建模技术。

各种技术各有优缺点, 也各有适用范围(场景远近和树种类型)(陈彦云等, 2000):基于多面体可以与森林资源清查数据相支持, 且数据量较小, 绘制速度较快, 但通常无法表达树木外表及场景的外观细节, 真实感较差; 基于图像建模将森林看作一个整体而不强调树木差异, 以追求逼真效果, 难于说明底层的树木数据间的紧密关系; 基于过程建模可以与植物生理学和形态学相结合, 也可以与森林资源的清查数据相结合, 但数据量较大, 适于近景绘制。

1.1 基于多面体的建模方法

基于多面体的建模方法侧重描述树木几何形态结构, 通过设定相关参数利用有限个数的几何图元(如多边形、线段)来完成对植物外观模型的构造。相对于其他方法, 在确定参数时对生物和林学方面的知识要求较少。如Weber等(1995)提出了参数化过程建模, 从整体几何形态、结构出发, 提出了经典的基于几何要素的三维植物构造模型, 用若干参数对树木造型进行控制。Deussen等(1998)围绕一套工具流水线开发一个开放体系结构的自然景观建模与绘制系统及其算法, 其中地形设计采用各个交互式编辑器, 植物的分布可以随手或基于生态系统建模法或两者的结合, 给定单棵树参数化过程模型。陈彦云等(2000)分别采用多边形、纹元(texel)、体纹理(volumetric texture)作为工具来构造不同的植物。

为了让生成的树木在近距离观察时具有自然分枝过渡的模式, 在每一尺度上拥有丰富的细节, 结果图象比例匀称自然, 几何模型需要有大量且复杂的参数空间。Maierhofer等(2002)提出了一种直接从植物相片中半自动提取植物模型参数, 以简化真实感树叶和分枝形态, 其具体做法是直接指定可观察分枝长度和角度取代大量参数的人工定义。Lluch等(2001)提出利用单一的多边形网格进行树木分支结构的建模。树皮是树木成长和组织分化的结果, 树皮的合成是林木局部建模的重要部分, 但在技术处理上存在较多困难, 如采用纹理贴图表达树皮在近距离观察时难于得到真实感效果, 出现分枝部分纹理不连续、表皮特征难于控制等现象。Lefebvre等(2002)认为开发一个完美的树皮模拟器不切合实际, 因为这不利于使用者随时根据需要调整各种参数而改变树皮外表。与树皮建模有关的模型包括基于过程纹理贴图建模和物理模拟2个部分。过程技术局限于特定的树种和需要很多的参数调整才能得到满意的效果。Bloomenthal(1985)采用树皮样本的X光线图像产生树皮的隆块图斑纹理; 而物理模拟法主要集中在枝皮的开裂(fracture)构造上。此方面有较多的研究成果, 如Federl等(1996)用一个mass-spring网络贴到树面生成树皮。Wang等(2003)将具有中尺度结构特征的树皮真实感建模为研究任务, 在分析树皮外表的复杂性导致建模困难基础上, 提出了从单一图像来源、基于外表模样法进行树皮表面建模的框架, 并将其总结为特征定义、高度场分配和纹理校正等3个问题。Lefebvre等(2002)认为由于各种树皮特征(如硬皮、皮裂、皱纹等)延伸长、原始表皮具有一定的保持特性, 以及树皮表面随树枝年龄变化但各个部分具有连续性等原因, 传统的纹理贴图方法难于模拟树皮外表; 在分析有关树生长和树皮建模相关机理基础上, 提出了一个基于裂纹模拟的树皮生成模型。该模型不仅能实时交互、参数化, 而且模拟的树皮具有随时间变化和各个部位的连续性。

1.2 树木的过程建模

Lindenmayer(1968)从生物学意义上提出了一个基于一组规则的植物形态特征造型符号复写系统(即L系统), 并在后来的树木和植物的过程建模中得到广泛应用。如林木的形态结构和成长的精确重构、揭示结构参数如何影响林木的形态、研究管理行为和外界条件对植物成长的影响等(Prusinkiewicz, 2004a)。在Prusinkiewicz等学者的努力下, 先后提出了能定性反映环境变化的表格L系统、定量反映环境影响的参数化L系统、强调局部影响的环境敏感性L系统、能处理植被-环境双向相互作用的开放式L系统(Prusinkiewicz et al., 1988; 1990;2001;Prusinkiewicz, 2004a; 2004b), 以及在L系统模型中集成了能提高真实感的3个表达要素(树干和叶子的伸长姿态、特征渐变和绘制过程粗细级数)。除了L系统模型采用各种参数控制植物形态外, 还有些学者开发了可定制的过程植物模型, 以便提供更直观的参数和更方便控制模型, 如根据De Reffye等(1988)提出的过程模型开发的系统AMAP。

基于规则和基于多面体的对象实例化方法主要差别在结构信息的表达方式上, 前者使用原型图链而后者由衍生要素的参数规定。近年来的发展趋势是:将上述2种建模途径有机结合, 实现在形态学上逼真而又遵守植物生长规则原理的通用建模方法(Lintermann et al., 1999)。如Fournier等(1998)将基于L系统的软件系统与局地微气候模型集成实现枫树生长的三维模拟。

粒子系统的建模算法由Reeves等(1985)提出, 最初用于构造森林和草地的美丽景象, 后应用到爬行植物的行为模拟上。从粗到精的多层次场景粒子系统建模的四步法(数字地形生成、地形之上的植被的交互式或过程式铺设、林木的建模以及模型的绘制)已成为通用途径(Chiba et al., 1997)。实现粒子系统另一途径是AMAP法。AMAP法由De Reffye等(1995)详细描述。AMAP系统中, 基于20多种植物结构的基本模型库, 某一种特定植物可选用其中的基本模型进行结构定量化和客户化。同时, 植物的生长具有一定的随机性, 如某个位置的侧芽是否产生分枝、分枝的类型与出现的时间等, 该系统应用概率分布和随机过程理论可描述其规律。AMAP模型适用于模拟高大植物(如各种类型的树), 已实现了对从热带到温带不同气候带生长的植物的模拟, 此外还有Utool和Uview侧重于分析。与此类似, Chiba等(1996)提出的粒子系统则重点在于解决植物与光线、剪枝之间的交互效应。基于多分辨或分级参数控制机制, Boudon等(2003)提出了一个基于“多尺度树图或分解图”进行植物建模操作的方法。Oppenheimer(1986)利用分形几何的自相似原理, 利用分叉角、枝条与母体长度之比等参数建立了植物和树木的分形生成模型。孙敏等(2002)将树的分形模型与其图像替代模型结合, 解决了树木的三维可视化研究。

1.3 基于图像的树木建模

将基于图像的建模与绘制技术应用于森林场景的建模与可视化是近年来林业、景观生态学与图形学等交叉融合的最新成果, 为高度真实感(逼真得如相片一样)的树木绘制提供了一种替代方案。基于图像的森林场景建模与绘制算法也多数采用通用的算法, 少部分是面向植物或森林专用的算法。实际上, 基于图像的树木建模是根据一定的算法, 利用少量典型的、具有高度真实感的场景相片生成任意视点处观察的整个场景, 关键是如何提高场景的绘制速度。Max等(1996)提出了基于图像的建模方法, 一种在预先计算不同视点的树木之间内插的算法。宋铁英(1998)利用计算机图形与图像相结合的方法, 提出一种基于图像的林分三维可视模型。

Lluch等(2004)将树干和树枝采用多边形建模, 而叶子采用图像方式建模, 在叶子与树木相比很小时效果特别好, 其中树的绘制采用随视点距离改变的多分辨率模型, 最粗的LOD(层次细节模型)取整棵树的所有叶子包括的框, 最细的LOD由一组纹理贴的多边形大小, 一片叶子一个多边形。刘彦宏等(2002)实现了一个从双视点图像来重建无叶树木三维模型系统。

2 森林场景的绘制

树木或植物建模理论和方法已有大量研究, 而实时绘制方面目前还是个待解决的问题(Remolar et al., 2002), 特别是大场景、大数据量森林景观的实时绘制。

传统的树木和森林场景绘制方法主要采用基于多面体的绘制方法, 而近年来涌现的基于图像的、体纹理绘制方法是解决大场景或大数据量的更有效的途径。与此同时, 不少学者也提出相应的加速绘制和增强绘制效果的处理技术。各种植被, 特别是自然森林场景格外复杂, 大多数快速绘制方法失效或得到的可视化效果不尽人意, 在自然场景生成应用中植物往往做近似处理、真实性比其他要素相差甚远, 要么干脆忽略。Mantler等(2003)根据基本绘制图元进行各种真实感植被实时绘制算法划分, 并对比分析了各种绘制算法的适用对象(枝条和叶)、优缺点以及性能。

2.1 绘制技术 2.1.1 基于多面体的绘制

利用简单的几何要素(如圆锥体)表达树木是传统的绘制技术, 最初可以说只是象征性的表示树木分布, 由于当时计算机性能限制绘制的速度。Oppenheimer(1986)用多棱柱绘制粗大的树干, 用线代表细的树干。Weber等(1995)提出类似的方法, 用线代表柱状的树枝, 用点代表树叶, 甚至省略, 以达到简化模型的目的。Marshall等(1997)的多分辨率表达是将大对象的多边形表达与次要部位四面体近似表达相结合。

在建好的几何模型表面贴上树纹理是实现树木绘制走向真实感、实时的一种最常用的方法。简单易行的方法就是将树图像纹理贴到2个十字交叉矩形面上, 并实现漫游过程正对观察者, 其中最常用是采用单个矩形面的广告版(billboards)技术(Remolar et al., 2002), 而更多的应用是采用基于图像的绘制技术。另外, 一些改进的绘制途径, 如动态纹理替换(impostors)和Sprites法, 能处理拥有大量多边形数的场景实时绘制。动态纹理替换方法利用帧间相关性可以减少相当数量的多边形绘制, 图像在没有超过指定的容限时可以在多帧之间重复使用。

高度分叉植物结构与其他诸如房子、街道等人造地理对象很不一样, 后者只要有限个数的连接面就可实现, 而植被通常由很多细小且相互孤立的面才能构成(Deussen et al., 2002), 并且有时呈现高度的稀疏性, 传统的层次细节LOD模式难于奏效。为解决该问题, 不少人提出基于点绘制技术或者两者结合(Cohen et al., 2001), 并在相关领域有着较多成功应用。基于点的绘制有许多成功的应用例子, 但该法用于树木绘制时需要处理节点几何变换, 绘制时间比多边形充填慢20倍, 此外该方法弱点还体现在距离适应性方面(Dachsbacher et al., 2003)。Reeves等(1985)提出的粒子系统虽然不是实时, 但其过程绘制众多简单基本图元的思想已用于植被绘制, 单木的粒子模型过程化生成, 依次绘制, 内存占用只决定于单棵数的粒子树。

2.1.2 基于图像的绘制

传统的图形绘制技术均是面向场景几何模型的, 因而绘制过程涉及到复杂的消隐和光亮度计算过程, 但对于像森林景观这样高度复杂的野外场景, 现有的计算机硬件仍然无法实时绘制简化后的几何场景。基于图像的绘制(IBR)技术是一种提高绘制效率的有效途径, 因为绘制时间复杂度和内存开销不受实体复杂度的影响, 只受结果分辨率控制, 因此很适合于像树木和植物这样复杂对象的绘制(Mantler et al., 2003)。

Max(1995)提出一种预处理的Z-缓冲视点法进行树木的图像绘制。绘制过程中任一个视点的图像得于对预先计算好的树的Z-缓冲器的插值。Z-缓冲器呈多层, 记录着每个像素的色彩、法矢量和Z值, 因没有阴影信息, 特别耗时。Jakulin(2000)采用切片和缝合的绘制法, 通过退化不直接正对视点的广告牌(billboards)来消除明显的人工痕迹。采用纹理贴图的方式控制树冠的颜色和透明度也是一种场景绘制的策略。Meyer等(2001)在开发基于图像绘制系统时, 提出了一个绘制具有复杂效应(如暗淡、阴影等)的树绘制框架。Lim等(2003)利用虚拟现实建模语言(VRML), 基于仿真二维图像, 实现10万棵树以上规模的森林场景的实时绘制。

Sakaguchi(1999)基于IBR技术, 采用自上而下方法确定树形态和分枝结构实现树的建模以适应于外力作用下(如风和人干预)的序列模拟。同时他指出了图像绘制法的缺点是:虽然能产生极其逼真的视觉, 但也存在诸如缺乏数据, 因原始图像导致产生的图像不连续, 也难于更新原始图像等缺陷。

2.1.3 体纹理绘制方法

体纹理方法是采用三维数据集作为纹理模式将一个三维纹理贴到树表面上。Kajiya等(1989)表达毛皮时提出体纹理做以克服纹理贴图多边形缺陷, 体纹理特别适用于有连续植被覆盖的景观中, 而后适用于硬件绘制。针对传统几何方法绘制高度复杂场景时遇到大量的细小图元造成效率低下, 易产生高频信号导致走样现象, Neyret(1998)开展了体纹理绘制新方法研究, 其中三维纹理帖图与几何网格剖分分别进行, 纹理模式可以是任意形状, 绘制时某个体纹理只存在某个面的附近, 参考体所包含的实例(纹元, texel)通过空间变形实现不断重复出现。Decaudin等(2004)在实时绘制茂密的森林场景时, 采用一组边缘一致的棱柱体形成的体纹理表达树木, 并将2种切片方法结合实现实时绘制。

2.2 绘制的优化技术

由于精细地表达自然森林场景的几何数据容量大大超过计算机处理能力, 因此需要认真考虑CPU时间、内存和磁盘空间等资源的合理分配。以往实现的各种方法, 均是在自然场景真实感程度与资源消耗之间的一种平衡选择(Decussen et al., 1998)。在硬件条件受限情况下, 如何采用合适的加速绘制和增强绘制效果的技术便成为众多学者研究的对象(Decussen et al., 2002)。这些技术方法中主要有新型绘制算法、多分辨率方法、动态纹理替换、类对象实例化、空间索引与剖分方法, 以及提高绘制过程的人-机实时交互性能或者它们的有机结合。

2.2.1 新型绘制算法或组合

Max等(1999)将层次树模型与图像绘制方法相结合加速硬件绘制速度。具体做法是利用标准的Z缓冲硬件预先计算多层深度图像(包含色彩和法向信息), 绘制时层次取代不同部分的树木。Jakulin(2000)成功地将传统的多边形绘制方法(用于树干和树枝)与基于图像绘制方法(用于表达树冠)相结合, 通过切片和合并机制实现交互式植被的绘制。针对树叶的真实感实时绘制问题, Lluch等(2004)提出了基于L系统预处理生成的层次图像, 将参数信息存储在一个纹理数据树结构中。Qin等(2003)提出了一种不同光照条件下相片级真实感树的快速绘制方法, 其通过利用2D缓冲器组合将三维模型转换成拟-3D数据库实现树几何和颜色深浅的配准。

2.2.2 多分辨率模型

树木的真实感建模研究已比较深入, 但实现巨大数量的多边形表达的实时绘制实际上是不可能的。这些交互式场景绘制的制约因素在于大量的几何体处理效率问题(Hart et al., 1996)。建立树木的多分辨率模型(层次细节模型, LOD), 突出重要而忽略次要细节也是解决树木实时绘制的另一有效途径, 研究如何用相对少量的点和线原始要素来实时逼真地绘制复杂户外场景(Decussen et al., 2002)。

LOD法有静态与动态之分。前者是通过几组离散的表达来存储林木对象, 后者则对几何体生成进行更为精细的控制。静态方法, 最简单的方法就是使用广告牌(billboards)(缺点是模型均采用二维表达, 缺少不同细节), 还有离散的多分辨率LOD方法[缺点是占用存储空间大, 采用缝合技术blending technique实现不连续过度]。

Weber等(1995)开发了一个专门用于树表达的启发式多分辨率模型。Lluch等(2004)在处理树叶的真实感实时绘制时, 采用树体轮廓内6片纹理按对角排列和α缝合法, 以克服不同级LOD过渡时出现纹理“突变”或不平滑现象。为了解决常规多分辨率简化绘制模型难于保持树木特性的不足, 基于参数化L系统, Lluch等(2001)提出了一个带有分辨率参数符号链机制的过程多分辨率绘制新模型实现树木几何简化和结构可视表达。他们主要针对树枝建立LODs, 而未对树叶处理。Remolar等(2002)提出树叶的简化算法, 通过迭代折叠不断得到新的树叶。为克服各种方法不能实时地随着摄像机取景的不同而简化场景几何, 针对传统的视点独立的离线简化的算法无法用于树叶的表达, Remolar等(2003)提出了视点依赖(view-dependent)的多分辨率模型。

2.2.3 动态纹理模型

Perbert等(2001)开发了一种基于纹理替换(impostors)、虚拟草地的高效绘制和动画漫游方法。光滑物体的动态LOD表达研究自1996年来开始, 用于地形的绘制始于Duchaineau等(1997)的工作。由于叶子的离散结构, 绘制过程中边缘破坏(edge collapses)只能允许在很小范围内, 故不能用该法。Lluch等(2004)指出加速树木绘制的最常用方法是采用纹理替换, 其用一个或多个带有纹理的多边形取代树或树的某个部位。有2类纹理替换:广告牌是将一个图像纹理贴到一个多边形上; 另一类是采用贴有透明纹理的相互垂直的2个多边形。采用这2种方法的缺点是近距离观察时失去真实感。

2.2.4 实例化

类对象的实例化也是一个有效的加速绘制措施。场景中多次使用的对象只需定义一次, 以后便可经过仿射变换调整大小和变形处理达到多次出现(实例)。场景通过“近似实例化”方法实现降低几何复杂性, 其中植物群组、单棵植物、植物器官均可看成森森景观的不同层次实例(Deussen et al., 1998)。由于表达变换所需要的空间很小, 因此整个场景占用的空间主要取决于不同对象类型的数量和复杂性, 而不是实例数量。

2.2.5 分块管理与实时调度

Reeves等(1985)采用结构化的粒子系统, 其中单树的粒子模型按过程顺序依次生成, 每一模型绘制完整后即时放弃, 场景生成所需要的内存取决于单棵树占有的粒子数而不是场景中所有的粒子数。该方法需要进行近似阴影(approximate shading)计算, 这样也可减少绘制所需要的时间。Hammes(2001)提出了将场景要素分层和四叉树结构绘制方法实现地形上植物位置生成以实现场景的快速绘制并保证变化多样。在解决植物整体表达机制基础上, Deussen等(2002)又进行复杂大对象的空间八叉树划分和小植被群组合绘制等方法实现场景真实感绘制时的优化。

2.3 交互绘制

实时绘制的交互是植物可视化建模一个突出问题(De Reffye et al., 1995; Měch et al., 1996)。因早期基于分形的植被建模技术无法解决植物-环境交互行为模拟问题, 绘制过程的实时才逐渐为人们所重视。根据植被-环境系统的信息流特点, 可将交互及其对应的模型分为3类:1)环境因素全局影响如白昼长短对花期的控制和日气温极值对生长速率的调节; 2)环境的局部影响, 如障碍物对草地扩展控制、树根生长导向、爬行类植物支持、植物分枝修剪带来的表面效应; 3)环境-植物在空间、水和养分、光等方面表现的双向作用。因需要对环境和植物进行完整的描述, 上述对应的第三类模型最难描述、实现和表达, 生物学行业研究仅限于个别种类植物, 计算机图形学行业虽使用了很多真实感表达的先进技术, 但也很少顾及各类植物拥有的生物学机制的再现。

Měch等(1996)提出了植物-环境双向交互的建模和可视化通用框架(软件), 并示范性地实现了枝条相互挤压、繁殖蔓延、树冠相互争夺日光等效应。Deussen等(2002)提出了一种交互式户外大场景绘制方法, 主要贡献在于模型数据的预处理方法(线, 如细长的叶子和树干、点面, 如更多紧凑对象)、采用基于点和线层次细节方法的高效绘制算法(混合表达法)。Guerraz等(2003)在解决风对植被作用、运动物体对草地踏压效应基础上, 以一群虚拟人在游玩草地的漫步为例提出了交互式生动模拟自然景观的过程方法。Lintermann等(1999)将传统的几何造型技术与基于规则的方法结合起来, 提出了一种交互式植物建模方法。在国内, 潘云鹤等(2001)提出一个基于树木交互变形处理的树木三维建模方法, 以用于表达树枝增删、弯曲、伸缩、旋转以及整体美学控制效果。

3 虚拟森林景观系统

20世纪90年代以来, 随着虚拟现实技术、计算机图形学、地理信息系统的发展, 世界上面向森林或植物建模与绘制的软件或工具不下20种, 主要分布在美国、法国、德国、日本、澳大利亚等发达国家, 国内的相关工作未形成稳定的系统(Perrin et al., 2001)。各系统的功能和支撑平台、应用范围均差异很大, 有的是通用的模型生成与绘制工具(如OnyxTree、SpeedTree、Virtual Plants、Xfrog)单纯用于模型生成和场景管理; 有的则面向景观管理的综合系统(AMAP、Vantage point、Digital Landscape、L-Studiao Virtual Lab.、SmartForest、LMS SVS Envision等), 具有植物或森林生长模拟、景观生态分析与规划评价、信息管理与维护等功能。

建模方法及其绘制上, 主流的树木建模和虚拟景观系统基本上还是采用传统的几何面或基于过程(规则)的建模方法, 纹理映射的绘制技术, 但对于大场景还无法达到实时绘制。个别软件还保留用简单图形的非真实感技术表示树木的痕迹, 而具有高度真实感的、基于图像或体纹理建模和绘制新技术虽在较多的文献中已论述但尚未体现在成熟的软件中。SmartForest(Orland, 1994)系统的经营管理模式, 树木是用简单的规则几何面表示, 而地面用不同颜色来表达不同的林分, 以实现快速、高效查询和分析林分和树木的特征。景观模式中, 树木和地面则是用二维图像纹理映射到复杂的对象几何面上, 该模式构建的森林真实感强。目前绘制速度与真实感两者兼顾的要数Bionatics(AMAP的发展版), 绘制速度可达数亿个多边形数据量的实时绘制。

用途上, AMAP、LMS已具有单木、林分、场景3个尺度的建模与可视化, 同时可与GIS数据和森林资源的二类调查数据相结合, 具有林分生长模拟的功能。此外, Vantage point具有单木和场景的建模与可视化, 基于GIS数据和林业调查数据建模; 三维场景中可增加文化特征数据, 模型可以分层管理。以上的系统较符合林业科学研究人员和林业决策管理者等用户需求, 基本都具有经营管理、景观规划、设计的辅助决策功能。而OnyxTree、SpeedTree、Virtual Plants、Xfrog偏图形学方面, 注重树木的逼真性, 主要用于游戏、动画、电影制作。

系统集成能力上, 一种发展趋势是建模和景观系统与主流的图形或图像处理耦合形成可扩展或定制的专门组件, 增强系统的数据或平台应用范围, 如AMAP提供了AutoCAD、MAYA、3D Max、Imagis、GIS等产品的集成; 另一发展方向, 系统提供与GIS的集成, 以实现空间分析和森林资源信息的查询与连接。Vantage point系统的数据源主要有GIS中的线状、面状图, 如道路、水系、林相图等。这些文化特征数据加在3-D地形上, 林班分布界线可以用“墙”表示。单林分的信息由树种、密度、树木尺寸构成, 从而生成三维景观, 具有经营管理的功能, 能进行交互式的规划, 如间伐, 同时能用三维加以表达。AMAP、LMS等系统或工具可以实现与GIS软件的松散集成, 实现各种森林资源数据的空间分析和规划。在国内, 罗传文(2003)开展了基于现有三维遥感软件系统, 集成林相图数据管理, 实现了三维林分的展示和再现。

4 结论与展望

森林景观的计算机建模与可视化研究的目标是构建虚拟森林三维空间, 实现反演过去、再现现实、预测未来的森林动态生长变化过程, 实现具有沉浸感、交互式森林经营、管理、规划等。在不断完善和引进先进树木建模和林分场景绘制算法的同时, 未来几年的研究与开发重点将集中在:

1) 发展基于图像的树木建模与林分场景高度真实感实时绘制算法, 研究加速绘制和增强绘制效果、场景优化管理的技术, 并实现在成熟或商业的软件工具或系统中得到体现。现有模型与新近出现的肌体组织和分子级模型结合推动建模方法发展, 导致对植物生长机制从基因到景观全面深入理解。

2) 采用新型体系结构和群体决策模式。传统孤立的工作方式、以单一媒体进行交互的方式已远远无法满足信息时代人们要求, 需要基于崭新的体系结构, 建立协同虚拟森林景观或环境, 人与人之间合作、信息交流及共享、协同决策。

3) 与地理信息系统、数据库管理系统紧密结合, 实现虚拟现实与信息管理一体化, 系统往实用化、业务化发展, 用户交互界面更加友好。遥感、GIS、GPS为代表的空间信息集成技术的发展可为虚拟森林提供高精度的数字地面高程、数字林相图和空间分析工具、现代高精细的森林调查数据库与虚拟森林提供良好的数据。

4) 虚拟森林环境还应与面向区域、典型树种的森林生长模型等模拟计算结果紧密结合起来, 才有助于在更大的空间尺度上预测和模拟森林生长全过程。用真实感强的三维几何树模型表达、并实现实时地绘制森林, 为管理者们提供一个实实在在的森林环境, 从而才能让他们走入不同生长阶段下的虚拟森林环境, 这也是森林经营资源管理对虚拟森林环境的需求。