林业科学  2006, Vol. 42 Issue (11): 123-131   PDF    
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雷相东, 常敏, 陆元昌, 赵天忠.
Lei Xiangdong, Chang Min, Lu Yuanchang, Zhao Tianzhong.
虚拟树木生长建模及可视化研究综述
A Review on Growth Modelling and Visualization for Virtual Trees
林业科学, 2006, 42(11): 123-131.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(11): 123-131.

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收稿日期:2005-04-28

作者相关文章

雷相东
常敏
陆元昌
赵天忠

虚拟树木生长建模及可视化研究综述
雷相东1, 常敏2, 陆元昌1, 赵天忠2     
1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091;
2. 北京林业大学信息学院 北京 100083
摘要: 虚拟树木, 就是应用计算机模拟树木在三维空间中的生长发育状况, 近年来已成为植物学、农林业、环境科学和计算机领域的研究热点。生长模型和可视化技术是它的核心内容。虚拟树木生长模型包括形态结构模型、功能模型和结构-功能模型等, 其中结构-功能模型可以模拟树木与环境间的相互关系, 其结果为树木的三维结构, 因此它最为接近现实树木的生长, 是虚拟树木生长模型的发展方向。树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾一直是可视化研究中的难点。树木可视化还有不同于其他物体的特性, 如多级分枝、枝条的弯曲、自相似、向光性、树木分枝间的光滑与非光滑连接等。树木可视化软件可分为2类:纯图形学软件和基于结构-功能模型的软件, 其应用已涉及娱乐、商业、计算机辅助景观设计、教育、科研和林业生产等方面; 但在树木构筑型数据的采集和管理、结构-功能模型的建立、树木可视化技术的研究及面向林业生产等方面仍需要大量的工作。
关键词: 虚拟树木    生长模型    可视化    
A Review on Growth Modelling and Visualization for Virtual Trees
Lei Xiangdong1, Chang Min2, Lu Yuanchang1, Zhao Tianzhong2     
1. Institute of Forest Resources Information Techniques, CAF Beijing 100091;
2. College of Information, Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: Virtual trees are models that describe the growth and development of a tree in 3D space by computer simulation.The study of virtual plants has been more and more popular in botany, agriculture, forestry, environmental sciences and computer. Growth modelling and visualization techniques are essential parts of virtual plants.Growth models of virtual trees include morphological structural models, functional models and functional-structural models.Functional-structural models may simulate the interaction between trees and its environment, whose outputs are 3D structure of trees.Therefore, functional-structural models are more close to realistic tree growth process and lead the trend of tree growth modelling.One of the major difficulties in tree visualization is the contradiction of between computer time and memory occupation and tree morphological structure complexity.Specific features different from normal objects for visualization cover self-similarity, ramification, branch bending, phototaxy, smoothly and un-smoothly blending branching etc.Tree visualization software is based on either pure graphics or functional-structural models, which has been applied in games, commerce, computer-assistant landscape design and forestry education, research and practice.Further work should be done in the collection and management of tree architecture data, the development of functional-structural models, the visualization techniques and forestry-oriented application.
Key words: virtual trees    growth modelling    visualization    

森林是一个复杂的动态生态系统。为了获得经营决策所需要的信息, 必须对森林的变化进行预测。生长和收获模型的应用可以追溯到19世纪50年代(Peng, 2000)。但是, 早期的生长模拟主要是数值模拟(唐守正, 1991), 没有包括三维可视化方面的工作。随着计算机技术水平的提高, 应用计算机进行植物生长过程的三维可视化研究得到了越来越多研究者的重视, 并已成为计算机图形学中的经典问题。虚拟植物(virtual plants), 就是应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况(Room et al., 1996; 郭焱等, 2001; 赵星等, 2001a), 它是伴随着计算机技术的发展以及人们定量研究植物的生长规律而产生的。它不仅可以定量地模拟植物的生长, 加速模型检验和验证的过程, 而且能更直观地模拟现实植物生长过程中的动态变化, 发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律, 缩短试验周期, 节约费用。虚拟植物已被作为一种有用的工具来理解基因功能、植物生理、植物生长及植物形态间复杂的关系(Prusinkiewicz, 2004; Godin et al., 2005), 成为包括生物学、植物学、生态学、计算机等学科领域的研究热点, 相当活跃。迄今为止, 已于1996年在芬兰、1998在法国、2001年在加拿大、2004年在法国召开了4次结构-功能模型(FSPM, functional-structural plant models)国际研讨会, 建立了相应的国际植物构筑型信息系统研究网络(PAIS)。国外目前已经建立了许多虚拟植物模型并开发了有关的虚拟植物软件(表 1), 代表性的如法国的AMAP(De Reffye et al., 1988)、加拿大的VLAB、芬兰的LIGNUM (Perttunen et al., 1998)等, 广泛地用于农林业、景观设计、计算机教学等多个领域。我国开始数字植物研究始于20世纪90年代中期。近年来, 我国在此领域也取得很大的进展, 以中国科学院自动化研究所中法实验室(LIAMA)为代表, 他们与中国农业大学等单位合作, 在AMAP的基础上建立了GreenLab(青园)模型(Hu et al., 2003), 对玉米和棉花地上部和根系的三维数字化和可视化进行研究, 开发了基于三维数字化技术的作物冠层信息采集系统原型, 实现了作物的三维重建(郭焱等, 1998; 1999;Guo et al., 2006), 但限于农作物的研究, 虚拟树木的研究相对较少。郝小琴等(1992;1993)、郝小琴(1999)宋铁英(1998)等较早地在树木可视化方面进行了开创性的工作; 近年来的研究如魏琼等(2003)权兵等(2004), 多为纯图形学研究, 与树木生长结合还不多见(张红, 2000; 雷相东等, 2006)。关于虚拟植物的研究, 胡包钢等(2001)和郭焱等(2001)都进行了比较全面的综述, 类似的研究如丁维龙等(2002)马新明等(2003), 但主要是针对农作物和农业领域。有关虚拟树木方面的研究综述少见报道(郝小琴, 2001)。在虚拟植物领域, 生长模型和可视化技术是2个最核心的内容。相对于农业生态系统来说, 森林生态系统更为复杂和多样, 使得树木在生长发育方面与农作物有着显著不同, 尤其是单木模型的研究已成为森林生长模型的一个发展趋势(雷相东等, 2003)。因此, 本文主要针对虚拟树木(单木层次)生长建模和可视化方面的研究进展进行了述评。

1 虚拟树木生长模型

根据模型结构及其对模拟系统过程描述的不同, 可以将虚拟树木生长模型分为形态结构模型、功能(过程)模型和结构-功能模型。

1.1 形态结构模型

树木的形态结构在其生长过程中起着重要的作用, 例如叶面积决定了其光合作用的能力, 器官之间的关系决定了内部营养物质的分配等, 它直观反映了树木的生长发育状况, 是进行科学经营决策的重要因子。

结构模型一般包括3方面的信息(Godin et al., 1998):分解信息(描述植物由几个组分或单元构成)、几何结构信息(描述各组分的形状和空间位置)和拓扑结构信息(描述各组分在物理上的连接方式, 可以表示为一种分层的分枝系统)。在虚拟树木的结构模型中, 一个重要的概念就是树木的构筑型(tree architecture)。虽然树木构筑型广泛地用于各种文献, 但还没有一个统一的定义。对它的理解更多地决定于应用的环境(Godin et al., 1998)。为了能包括植物构筑型在不同领域的用法, Godin(2000)认为, 植物构筑型是指对所有组成植物的单个组分的描述, 包括它们的生物学类型和形状、在空间的位置和方向以及这些组分在物理上的连接方式。简单地说, 植物构筑型是指植物体的三维空间组织。因此, 一种植物的构筑型至少包括分解信息、几何信息和拓扑信息。依据树木的形成与生长方式和形态动态特征等构筑要素, 植物学家将世界所有的热带树木划分为23个基本的构筑模式, 每个构筑模式都用一个著名植物学家的名字来命名(臧润国等, 1998)。不论如何复杂, 其生长模式都可以用构筑模式来描述。而对于一种具体的植物, 具体描述的这种模式称为“构筑型单元(architecture unit)”。一种植物的构筑型可以看成一种分层的分枝系统, 由不同的轴组成, 其中的轴可以分成不同的类, 如树干、枝、小枝、细枝、短枝。每一类根据其所在的分级序列有不同的结构和功能特征如生长方向、叶序、叶的形状和大小等。最终构筑学单元通过不同种类的轴的数量、其功能和形态特征、相对位置来描述(Barthelemy, 2003)。

由于树木由一系列不同类型的可以复制的单元组成, 形态结构存在自相似性, 即局部与整体相似, 因此结构模型中一般先将树木分为若干结构单元。一种是具有生物学意义的、基于器官的分解, 如LIGNUM模型(Perttunen et al., 1998)包括4个基本单元:枝段(2个分枝点间的部分)、芽、分枝点和轴(由一系列枝段、分枝点和末端芽构成); GreenLab模型把树木的组织分为4个层次(赵星等, 2001a), 从小到大依次为:植物分生单位(由节间、顶芽、叶及腋芽等组成)、生长单元(在一个生长周期内植物在轴上所长出的新的分生单位的总和)、母枝(由产生枝的主轴的生长单元组成)和子结构。另一种是基于空间的分解, 即将树木分解为单元或像素, 再将各单元赋以生物学特征, 如叶片密度、光照等。

几何结构模型是指对植物整体和器官(根、茎、节间、叶、花或果实等)的三维几何形态描述。对于树冠形状的几何表示, 一种是用简单的参数方法例如用球体、椭球体、圆柱体、截锥体等, 也有把树冠分段, 每段用不同的几何参数表示。另一种方法是用非参数模型, 如多面体。描述树冠曲线的方法也有2种:一种是间接方法, 即通过预测沿主干的枝的属性(长度和角度), 再通过枝的长度和角度间的三维几何关系来计算树冠的宽度; 一种是直接方法, 建立树冠半径与单木及林分因子(如胸径、密度、树冠比、林分断面积、立地因子等)间的回归关系(David等, 2003))。最详细的对于树冠的几何结构的三维说明如ECOPHYS和SIMWAL, 对每个叶子和枝条的大小、形状和方向都进行了规定(Xavier et al., 2001)。此外, 还用削度方程来表示树木的直径沿树干向上减小的程度。已经有大量的函数来描述树木的削度, 大部分为多项式(Demaerschalk et al., 1977; Max et al., 1976);也有用三角函数(Thomas et al., 1991); 最近已发展到采用可变指数模型来表示, 既灵活又简单, 并与材积模型和材积表相容(Kozak et al., 1988; Newnham, 1992; Courbet et al., 2002)。

对于枝条, 已经建立了许多关于枝属性的预测模型, 包括枝的数量、枝的角度、枝的长度、枝的基径、分枝角度、枝的分布、枝的自稀疏性、存活概率等(Harri et al., 2002; 2003;Li, 2004;贾炜玮, 2002)。弯曲是枝条及器官的另一个重要特征。目前主要有2类生成枝条弯曲的方法:1)参数曲线拟合, 即利用参数曲线拟合根据实际测量得到的枝条弯曲形状, 该方法虽然能模拟各种枝条弯曲, 但需要对枝条的弯曲形状做大量测量, 而且不适合模拟植物生长的过程; 2)通过设定组成枝条各枝段的弯曲角度来模拟枝条的弯曲。这类方法虽然简单实用, 但由于枝条上各片段的弯曲角度是非线性的, 人为给定各片段的弯曲角度很难自然逼真地模拟枝条的弯曲形状。枝条弯曲受重力的影响很大, 特别是对于比较柔软的枝条。赵星等(2001b)则采用简易力学模型来模拟枝条受力弯曲状况, 实现了基于双尺度自动机模型的枝条弯曲算法。

拓扑结构模型描述植物器官之间的连接关系。植物的拓扑结构与其分解的组成单元密切相关, 不同的分解单元有着不同的连接方式。由于植物生长的特殊性, 常常用树状图(tree graph)来表示植物的拓扑结构, 因为植物的生长都可以看成是新的组分在老的组分上的生长。Godin等(1998)认为对植物的描述应在不同的时空尺度上进行, 并提出了一种多尺度的植物拓扑结构模型———多尺度树状图MTG(multiscale tree graph)。不同的分解单元之间或者是线性关系、或者是分枝关系, 分别记为XYX +Y, 前者表示YX的顶芽产生, 后者表示YX的腋芽产生。并通过记录链、矩阵及字符串等方法来表现植物的拓扑结构。随着记录的增加、矩阵行列的增加以及字符串的扩展来实现拓扑结构的生长。

模拟植物形态的建模方法主要有纯数学方法包括分形几何(fractal)方法和迭代函数系统(iterated function system)(Barnsley, 1993; Chen et al., 1993; Berezovskava et al., 1997; 刘向东等, 2000), 粒子系统(particle system)(Reeves et al., 1985; 王小铭, 1999)等。Reeves等(1985)就利用粒子系统生成了漂亮的树木和草地; 郝小琴(1999)以三维迭代函数系统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。其他复杂的方法则综合了植物学知识, 典型的如L系统和AMAP模型。L系统是美国生物学家Lindenmayer (1968)提出的, 是一种字符重写系统或形式化语言方法, 通过对植物对象生长过程的经验式概括和抽象, 构造公理(或初始状态)与产生式集(或描述规则), 生成字符发展序列, 以表现植物的拓扑结构。Prusinkiewicz等(1990)发展了利用L系统的框架来模拟植物和环境的理论、工具和应用。目前, 它广泛被运用于树木建模中, 并且被不断发展, 如上下文相关L系统、随机L系统、参数化L系统、开放L系统、时变L系统、微分L系统等。L系统应用广泛, 功能强大, 描述具有严格分形结构的物体非常精炼。但由于L系统用字符串表示其产生式, 本身存在难以理解和使用的缺点。而以Phillippe De Reffye (Jaeger et al., 1992; De Reffye 1997a; 1997b)为代表的法国农业发展国际合作研究中心(CIRAD)开发的AMAP植物模拟系统则综合了植物构筑学方面的知识, 利用数学表达式来描述植物的形态结构和功能如生长、死亡和分枝等, 用概率分布和随机过程理论描述其规律。该系统依靠功能强大的田间数据采集与分析模块, 将测定的植物各类数据输入数据库, 应用马尔可夫过程分析植物拓扑结构演化规律, 通过模式识别方法提取生长规则。模型应用蒙特卡罗方法模拟植物的生长, 应用几何方法表达其形态规律。该模型已由单纯的形态发生模型发展到包括器官和光合作用的结构-功能模型GreenLab (De Reffye et al., 2003; Yan et al., 2004; Guo et al., 2006), 在生长单元周期的时间尺度上, 通过“源-汇”关系将植物的结构组成与生理功能的相互关系结合起来, 把植物生长固有的随机性、非线性、时变性较好地统一在同一个数学模型里。但在描述植物时需要较多的状态参数。

我国一些学者也基于L系统开发了树木模型, 并进行了部分改进(郝小琴等, 1993; 苏理宏等, 2000; 陈昭炯, 2000; 张树兵等, 2002; 魏琼等, 2003; 蔡振江等, 2003), 但都是树木形态的计算机模拟, 缺乏生物学意义和环境过程的表达。

树木的结构是动态变化的, 其生长可以看成是在一定尺度上组成单元的数量及各单元的特征随时间而发生的变化。以前的研究一般侧重于植物结构生长规则的提取和固定时间步长的植物生长模拟。20世纪90年代以后, 研究与植物结构有关的生理生态过程, 侧重于植物形态结构的机理性研究。以加拿大Calgary大学Prusinkiewicz等(1990)开发的VLAB虚拟植物系统和法国农业发展国际合作研究中心(CIRAD)De Reffye等(1997a;1997b)建立的AMAP系统最具代表性。VLAB用参数L系统描述植物的生长过程; AMAP系统则根据植物的生理年龄来组合植物的生长参数, 应用了符合植物顶芽和腋芽发育的概率模型来生成植物的拓扑结构(赵星等, 2001a)。近年来, 树木生长的生物机械性质(biomechanics)分析也引起了重视, 一些学者(Fourcaud et al., 2003a; 2003b;Hart et al., 2003)建立了树木形状和生长压力的模型, 这种模型在树木结构的描述上更加准确, 有助于分析树木的形状生长变化、干形和缺陷。但是, 纯碎的结构模型常常缺少与生理生态过程的联系。

1.2 功能模型

树木的生长受环境的影响, 只有模拟环境的影响才能建立真正的树木模型(Hart et al., 2003)。功能模型又称为机理模型或者过程模型, 与环境因子有关, 强调与环境有关的植物的功能和树木生长的驱动过程, 生物量的累计和分配是它的目标。主要模拟生理过程, 生长通过碳平衡(基于光合作用、呼吸作用和资源分配)及影响碳平衡的因子和过程如营养循环、光照条件、水分等来描述。这些模型的关键是树木不同器官间的资源分配(Sievanen et al., 2000), 一些过程模型如BIOMASS(McMurtrie et al., 1990)、3PG(Landsberg et al., 1997)、FOREST-BGC (Hoff et al., 2002)、TRIPLEX (Peng et al., 2002)。我国学者Zhang等(2003)也以杉木(Cunninghamia lanceolata)为对象, 建立了以光合生理生态为基础的生长和产量过程模型。功能模型是分析树木和森林生长过程的有利工具, 它可以模拟出由于气候变化、大气的化合成物组分的变化对未来树木生长的影响(Timo et al., 2002; Magnani et al., 2004)。但它们常常简化了树木的结构。此外, 由于参数过多, 在一定程度上也限制了它的应用。

1.3 结构-功能模型

一方面, 树木的形态结构是树木生长的结果; 另一方面, 这种结构又为影响进一步生长的过程设定了边界条件, 结构决定功能, 二者互相作用。形态结构模型和过程功能模型并不是相互独立的, 二者没有绝对的划分界限。纯粹的形态结构模型和过程功能模型是不存在的。形态结构模型包含一定程度的机理因素, 同样过程功能模型也包含一定程度的形态因素, 只是程度不同, 侧重点不同。形态结构模型和过程功能模型相互关联。

因此, 形态结构模型和功能模型的结合(结构-功能模型)是一个必然, 形态结构模型与过程功能模型的合并是一个新的发展。它具有2个模型的典型特征, 它在形态结构模型和过程功能模型间建立了一个桥梁, 通过对树木进行三维分析, 来实现树木动态生长。它把树木看成是基本结构单元或者模块的集合, 这些基本单元通过物理连接(拓扑结构)相互发生作用, 实现内部的物质交换, 同时通过其空间分布和功能过程与环境相互作用。由于它包含对树木形态结构的明确描述, 可以很好地研究树木与环境间的相互作用。树木结构-功能模型的模拟结果常常是一些组分的三维结构。其目的就是基于生理过程得到树木的三维生长预测(Sievanen et al., 2000)。

LIGNUM模型是一种结合了树冠的具体描述以及功能过程描述的结构—功能模型(Perttunen et al., 1998)。LIGNUM模型包括树木结构的基本模型、树木的生长规则和与这些规则有关的光分布和吸收模型。树木的年生长由除去呼吸之外的净光合产量来驱动。叶的光合率取决于吸收的光量。分配给新枝段的光合量由光量和其母枝的叶量来控制。树木的生理过程与结构直接相关。LIGNUM模型不但适用于模拟松树, 而且适用于研究不同生理学上的特性和枝条形态对树木生长的影响。

GREENLAB是一个模拟植物结构与功能相互作用的数学模型(De Reffye et al., 2003; Yan et al., 2004), 用双尺度自动机来模拟植物器官从萌芽到成熟的生长循环。鲜生物量由蒸腾作用来计算, 并假定蒸腾效率为常数, 在水分供应无限制情况下, 气体需要为驱动力。器官生长的需要通过异速生长关系和每个器官的生长率来估计。类似的还有L-PEACH (Allen et al., 2005), 是一个基于L系统的模拟桃树生长的结构-功能模型。

SIMWAL(Philippe et al., 2000)能根据气候条件(如温度、太阳辐射和CO2浓度)和剪枝, 模拟从几个月到几年的核桃树的三维动态结构和生物量在不同器官的分配。

EMILION是一个关于松树的结构-功能模型(Bosc, 2000)。它基于对与器官的碳和水有关的过程模拟, 包括光的分布、光合作用、呼吸作用、气孔传导、蒸腾、水分传输等, 输出结果包括树木和林分的三维结构。

结构-功能模型可以用来研究一些以前的模型所不能解决的现象。树木结构与功能的关系仍是这类模型的重点。由于结构-功能模型包含树木的形态描述, 所以适合于研究树木形态在不同环境下与环境发生物质交换问题。详细的树木特征描述易于精确地估算出资源的供给, 更重要的是, 它易于估计由于资源供给和树木生长的方式带来的各个器官的生长限制。但是, 这样做造成的数据量很大, 会给计算带来一定的困难。此外, 大多数树木结构-功能模型对碳分配和树木形态对生长影响的反映较弱; 对于地下部分的过程表达仍然不足(Xavier et al., 2001)。

在森林生长模型方面, 还可以将模型分为经验(统计)模型、过程模型和混合模型(Peng, 2000)。其中混合模型是经验模型和过程模型的结合。但是, 经验模型和形态结构模型的结合, 还不多见(Meredieu et al., 2004)。张红(2000)以长白落叶松(Larix olgensis)人工林为研究对象, 利用团状树解析数据, 构造出树冠结构模型, 并结合树木经验生长模型, 采用计算机图形模拟技术和VC++语言, 建立林分生长动态的三维图形模拟系统。经验模型主要用来模拟树木或林分在不同经营措施下的生长变化, 形态结构模型则主要是芽的生长、分枝和死亡等。因此, 将结构模型和经验生长模型相结合, 可更准确地描述树木的生长。

2 虚拟树木可视化技术及虚拟树木软件

科学计算可视化的目标是把由数值计算或试验获得的大量数据按照自身的物理背景进行有机结合, 用图像的方式展示数据所表现的内容及其相互关系, 便于把握过程的整体演进, 发现其内在规律, 丰富科学研究的途径, 缩短研究周期。可视化技术首先要将抽象数据表示转化为图形或图像图元表示。因此, 树木可视化实现是指植物形态结构特征在计算机上的显示与虚拟表达, 亦即将上述植物拓扑结构描述方法与几何形态参数反演成具体的植物空间形态, 包括如何通过光照、纹理、渲染等手段来绘制树木。计算机图形学在这方面起着举足轻重的作用。绘制树木与绘制其他物体有许多相似或者相同的内容, 例如图形的快速渲染、完成各种变换(如透视、投影变换等)、画面绘制(如消隐、裁剪、配色、明暗处理、纹理产生等)等。但是, 树木因形态结构复杂还有不同于其他物体的特性, 如自相似、多级分枝、枝条的弯曲、树木的向光性, 由于季节变换和光照强弱等引起的树木尺寸、形状及颜色等的变化树皮纹理的设置, 树木分枝间的光滑与非光滑连接等(毛卫强等, 2000a; 2000b;Callum et al., 2004)。

树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾一直是可视化研究中的重点问题。Weber等(1995)针对树的特征提出了启发式多分辨率(heuristic multiresolution)方法, 它能够减少几何图元的数目; 其他的方法如用有纹理的平面多边形(texture-mapped flat polygon)来表示树木; 定量纹理法(volumetric textures)等(Kajiya等, 1989)。近年来, 又有人提出了以点和线为基本几何单元的点模型和线模型方法(Marc et al., 2002), 绘制速度比较快。但是, 顺序地模拟符合植物学特征的复杂树结构会占用很多计算机资源。为了实现植物的快速可视化, Yan等(2002)提出子结构的算法。子结构是个相对的概念, 又是个递归的概念, 如单株植物主干上的侧枝是植物的子结构, 而植物本身又是群落的子结构; 康孟珍等(2004)则用子结构的概念提出了弯曲枝条的子结构算法、重复生长的子结构算法和花序的子结构算法, 模拟结果说明, 该方法具有通用性。由于该方法中重复出现的结构只被计算一次, 因此不仅可以提高像树木这类复杂结构的计算速度, 而且可以降低几何信息的存储量。Zhang等(2006)提出器官形状复杂的植物模型的简化方法, 保持了植物的结构分级, 包括叶序结构、花序结构等。淮永建等(2005)对森林植被的实时可视化技术(基于图像、几何和点元的绘制方法)进行了比较, 指出很难具体评价某种算法的性能和优劣, 因为3大类算法各有利弊, 不同算法可有效利用于绘制树的不同部分, 而基于图像、几何和点元的多分辨率混合绘制算法是未来的研究趋势之一。

树木可视化软件的操作系统既有Windows, 也有UNIX(如VLAB)和Linux (如AMAP); 开发环境包括C、C ++、Vc、Java、Vb、Matlab、Scilab、Mathematica等(薛全等, 2001); 多选用OpenGL作为图形编程的平台。OpenGL是一种与硬件、窗口系统和操作系统相独立的一系列API, 它提供了一种直观的编程环境, 它是由大量功能强大的图形函数组成, 大大简化了三维图形程序, 开发人员可以利用这些函数对整个三维图形进行光色渲染, 从而方便地绘制出客观世界逼真的三维景象。

树木可视化软件目前的应用包括娱乐、商业、计算机辅助景观设计、教育、科研和林业生产等方面, 其目的可分为2类:一是生物学驱动, 为了了解树木的生长和发育过程; 另一类是为了产生视觉上逼真的树木图像。相应地, 软件的要求和功能也不尽相同。树木可视化软件可分为2类:纯图形学软件和基于结构-功能模型的软件。前者较少考虑植物学知识, 如Bionatics、Xfrog、SpeedTreeCAD、Onyxtree和SVS-Tree-designer(表 1), 一般都包括树木设计器(用户可以选择参数来生成树木)和树木库, 环境效果(天空、雾)和多媒体功能(动画)、交互式的虚拟现实环境等。它们可以生成非常漂亮的植物图形, 一般用于商业, 如景观设计、游戏制作等。后者则尽可能地考虑树木的结构和功能, 则多用于教育、研究和林业生产, 通用的如AMAP、VLAB, 专用的如PipeTree[模拟冷杉(Abies fabri)的生长]、ECOPHYS、[模拟杨树(Populus spp.)的生长] (表 1)。其中AMAP系列软件从1978年开始研究, 从最初的基因编码和植物的三维重现发展到目前的包括三维专业动态植物模拟、建筑用的简单真实植物模拟和现实环境优化的植物模拟软件包, 成为世界领先的虚拟植物软件。

表 1 主要的虚拟树木模型或软件 Tab.1 Some popular virtual tree models or software packages
3 问题及发展趋势 3.1 数据的采集与管理

数据的获取是所有树木模型建立的开始。对树木进行模拟, 需要大量的数据来确定参数。树木构筑学方面的数据收集尤为重要(Godin, 2000)。需要准确地模拟树木的构筑型动态时, 模型的层次要更细些; 需要模拟样地层次的树木生长时, 大致表示树木的构筑型就足够了。在数据采集方法上, 需要发展三维数字化技术(Sinoquet et al., 1997), 将传统测树方法与信息处理方法结合, 采用计算机图形学、计算机图像处理、模式识别和立体视觉等多种方法, 快速、精确地获取所需的信息, 如获取树木各组分在三维坐标系中的坐标值, 并进一步分析分枝的倾角与方位角、叶片的几何形状等。另一方面, 目前不同的系统数据的类型和格式差异很大, 如何对这些数据进行一体化管理, 使其得到充分共享和利用, 是一个重要问题。需要制定这方面的标准, 建立数据的共享机制。

3.2 结构-功能模型的建立

结构-功能模型对于理解树木的结构动态极为重要。结构-功能模型尽管多种多样, 但是一般用2种方法进行构造:一种是从形态结构模型出发, 增加生理功能; 另一种是从过程功能模型出发, 增加形态描述。现实中, 人们对森林生态系统的认识不够全面, 现有的模型方法不够完善, 如何根据实际中复杂的情况把2种模型相互结合, 构造合理的结构-功能模型, 满足需要, 实现模型优化, 是结构-功能模型建立的难点。此外, 作为自然生态系统的森林, 如何模拟环境因子(如光、土壤等)对树木生长的影响和形态结构变化对环境的影响, 并在此基础上加入经营的影响, 都需要大量的工作。林业上目前已建立了大量的经验生长模型, 如何将经验生长模型和形态结构模型相结合, 进行基于模型和测量数据的树木生长参数估计和参数优化、基于测量数据的模型验证、校准与参数修正, 也是另一个值得探讨的领域。

3.3 树木可视化技术

人们对虚拟树木的逼真需求使得需要不断完善高细节、逼真的实时动态植被绘制方法, 树木形态的复杂性与计算时间和空间的矛盾将一直是可视化研究中的重点问题, 如何利用树木本身固有的特性、有效地降低树木渲染的复杂性、改进渲染算法以及与计算机硬件技术结合以提高渲染速度等, 依旧是今后树木可视化研究需要解决的问题(胡包钢等, 2001)。结合虚拟现实技术, 实现真实感很强的三维漫游式植物体可视化和人机交互等, 也是树木可视化研究的方向(郝小琴, 2001)。另外, 如何建立树木可视化软件开发平台, 实现开放源代码的开发技术也是需要考虑的问题。

3.4 面向林业应用

单纯的树木外观可视化软件己日趋成熟, 但面向林业应用的树木可视化软件需要进一步研究。由于树木生长的长周期性, 应用计算机对能够客观反映现实规律的树木生长模型进行可视化试验, 可以部分地替代在现实世界难以进行的, 或者是费时、费力和费资金的试验, 有助于在植物生理方面了解植物的发展过程及各种假说的测试, 例如植物开花的控制与复杂的植物分枝结构分析。同时, 通过树木的可视化可以获取快速的、直观的树木生长的信息, 在林业生产上也具有广阔的应用前景:如预测与展现环境条件对于树木生长的影响, 模拟全球变化; 分析树干形状与木材内部结构的关系(Thiéry et al., 2003); 在病虫害防治的应用方面, 用于仿真植物与昆虫间的交互影响; 在森林经营上, 用以进行经营措施设计、优化经营方案、森林的防风效果分析、景观规划设计、工程影响评估等。

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