基于SketchUp的雜種馬褂木年輪形態(tài)模擬技術(shù)

李彥強(qiáng)，劉騰云，周 華，孫小艷，余發(fā)新

(江西省觀賞植物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西 南昌330096)

0 引言

雜種馬褂木可選作新一代闊葉落葉用材林樹種，其具有適應(yīng)性廣、干形通直、生長(zhǎng)快、材質(zhì)輕顏色淺等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。而過去多以生長(zhǎng)量或材積指標(biāo)一維曲線或平面圖表表現(xiàn)其生長(zhǎng)特性，其表現(xiàn)性和可視性較差。隨著計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)飛快發(fā)展，特別是3D等計(jì)算機(jī)仿真虛擬技術(shù)發(fā)展將成為今后發(fā)展的新趨勢(shì)和新技術(shù)，目前該技術(shù)在林業(yè)方面主要應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域。而林木生長(zhǎng)微觀模型研究較少，且過去多以LindenmayerA［2］提出的L系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方法，該方法太抽象不便操作等。關(guān)于利用SketchUp技術(shù)應(yīng)用于林木形態(tài)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)研究較少，相關(guān)研究處于探索階段［3～5］。

本研究利用GoogleSketchUp(簡(jiǎn)SketchUp)軟件，將雜種馬褂木某段圓盤形態(tài)特征3D圖像化和數(shù)字化，模擬實(shí)物實(shí)際，以期真實(shí)可視化，主要包括二維和3D可視化模擬模型，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)控制模型大小并以期實(shí)物數(shù)字化控制，該模型和模擬方法對(duì)于速生樹種樹干解析3D數(shù)字化模型構(gòu)建具有一定的通用性，使其3D單株實(shí)景立體形象表現(xiàn)，也為今后單一樹種人工林群體生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬和可視化林分管理模型提供基礎(chǔ)構(gòu)件和方法。

1 材料與方法

1.1 材料

該樹種栽植于江西省科學(xué)院生物資源研究所高安基地，以9年生雜種馬褂木為材料。2013年3月每木檢尺，并伐倒平均胸徑樹木，制作圓盤，并拍數(shù)碼照。本文以胸徑1.3 m處的長(zhǎng)約13.5 cm圓盤數(shù)碼照為研究對(duì)象。

1.2 SketchUp軟件介紹

本文采用 SketchUp8.0.11434b版本及官網(wǎng)［6，7］相關(guān)幫助信息。

SketchUp是一套直接面向設(shè)計(jì)方案和創(chuàng)作過程的設(shè)計(jì)軟件，簡(jiǎn)單便捷的操作工具和快捷鍵自定義，是三維設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作的優(yōu)秀軟件［8］。但在林木或林分結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究報(bào)道較少。主要特點(diǎn)有:(1)獨(dú)特簡(jiǎn)潔的界面和簡(jiǎn)單工具，用戶可快速掌握并可自定義設(shè)置窗口界面;(2)適用范圍廣泛，可用于各個(gè)領(lǐng)域的3D模型構(gòu)建;(3)獨(dú)特的推拉功能，用戶可將任一閉合面利用該工具生成初步3D幾何體，再利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合其它工具模擬出實(shí)物實(shí)景;(4)可將實(shí)拍實(shí)物二維數(shù)碼照直接導(dǎo)入軟件，利用圖形生成相關(guān)工具模擬出實(shí)景二維圖，為后來生成3D需要提供簡(jiǎn)單閉合的面;(5)生成的3D圖可以全方位觀測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各個(gè)線面相關(guān)數(shù)據(jù)。

SketchUp中可選擇創(chuàng)建具有不同精確需要的構(gòu)件，可選擇參數(shù)范圍和精度。而且選定對(duì)象輸入確定的數(shù)字控制大小及精度。也可以將3D結(jié)構(gòu)導(dǎo)出為二維圖形、3D模型或動(dòng)畫等形式。且輸出格式具有較好的兼容性。SketchUp進(jìn)行樹干及年輪形態(tài)模擬方便快捷，也可將自己建立的模型通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享。

2 林木年輪形態(tài)模擬

2.1 準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)采集

將雜種馬褂木帶皮圓盤年輪用黑色油性筆拓描，以便不規(guī)則似圓形年輪明顯，將拓描后的圓盤拍成數(shù)碼照，并用直尺測(cè)量其南北方向年輪寬度等數(shù)據(jù)并記錄。將拍成年輪數(shù)碼照導(dǎo)入SketchUp軟件。

2.2 林木年輪模擬

SketchUp的界面非常簡(jiǎn)潔，與其他三維設(shè)計(jì)軟件一樣。SketchUp也使用坐標(biāo)系來輔助繪圖。SketchUp中的每個(gè)模型都由2個(gè)要素構(gòu)成。即邊與面，邊是直線或曲線，而面是幾條邊構(gòu)成一個(gè)閉合或不閉合的二維平面。SketchUp中創(chuàng)建的一切線或圖都有精確的尺寸，因此每一個(gè)已知寬度和高度的對(duì)象在“推/拉”工具的應(yīng)用下都可得到三維形狀，SketchUp中測(cè)量專用工具，可以把測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)可顯示圖形實(shí)際大小。

樹木生長(zhǎng)及年輪的模擬過程要結(jié)合本身實(shí)際情況，首先不規(guī)則似圓形及多層構(gòu)成閉合平面的建立，其次利用“推/拉”工具建立三維模型，再次選中上面利用“拉伸”工具按照實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)按比例大小數(shù)字化縮放。最后將實(shí)際測(cè)量的有用數(shù)據(jù)利用尺寸工具可標(biāo)記到模型上去。

開始畫圖前系統(tǒng)默認(rèn)模板為google地球建模－米，由于樹木年輪單位及精度不適合，需經(jīng)設(shè)置，在“窗口”→“模型信息”→點(diǎn)擊“單位”→右邊顯示“長(zhǎng)度單位”格式設(shè)置為“十進(jìn)制”“厘米”精度值“0.000 cm”。

由于樹皮粗糙且不規(guī)則，可用“徒手畫”工具在放大視圖下慢慢拓描一圈封閉建成閉合面。最外面一圈年輪也采用“徒手畫”拓描形成閉合面。由于利用“徒手畫”工具往往不能形成閉合的面，因此觀察靠里面實(shí)際年輪與外圍年輪高度相似，可采用“偏移”工具進(jìn)行繪制，但是由于似圓形曲線是由直線構(gòu)成，在偏移過程中縮小產(chǎn)生變形，再利用“擦除”工具擦除掉不用的線段就構(gòu)成閉合的面了。最里面的幾圈年輪觀察非常接近圓形，首先采用“圓”工具畫圓，再用“圓弧”工具修改成實(shí)際性狀，如法一一繪制。

利用測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)將繪制年輪似圓形線利用“拉伸”結(jié)合右下方的“度量”輸入相應(yīng)的比例數(shù)據(jù)繪制成實(shí)際大小的年輪。然后將繪制好的年輪閉合面利用“推/拉”工具一一拉成柱狀圖即初步3D建成。由于柱狀體上下面的年輪大小一樣，而實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)是不一樣的，采用“拉伸”結(jié)合右下方的“度量”繪制柱狀體上下面年輪。

圖1 數(shù)碼照片導(dǎo)入a，拓描b，3D推c拉d示意圖(單位cm，精度0.000 cm)

通過結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)輸入模型控制，基本實(shí)現(xiàn)了樹木某段生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)，具有較好三維可視性，其信息化利用前景廣闊。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用SketchUp模擬不僅可以建立樹木某段生長(zhǎng)及年輪變化模擬結(jié)構(gòu)圖是3D三維圖，而且SketchUp測(cè)量工具模型中線、面、體等大小即實(shí)際實(shí)物大小，估算相關(guān)生長(zhǎng)量、面積、材積等。較好地模擬實(shí)際實(shí)物，使實(shí)物更加可視化、形象化、信息化。

本研究樹干某段生長(zhǎng)及年輪模擬方法簡(jiǎn)單易學(xué)，不需要復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算、不涉及樹木生長(zhǎng)模型曲線。當(dāng)然該軟件也有“文本”工具，如有必要也可輸入相關(guān)生長(zhǎng)模型公式，有利于豐富信息。

本文目的是簡(jiǎn)便快速地生成原態(tài)某段生長(zhǎng)及年輪，側(cè)重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。SketchUp模擬某段生長(zhǎng)及年輪具有良好的通用性，可作為原始SkethUp模型利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享，對(duì)于其它樹種稍作修改即可。本文雖是靜態(tài)3D構(gòu)型，但是可為動(dòng)態(tài)模型研究提供依據(jù)。以及基于MRI、XCT等現(xiàn)代影像技術(shù)的樹木生長(zhǎng)及年輪三維構(gòu)型的原位觀測(cè)和定量分析技術(shù)研究提供依據(jù)。

本文建立簡(jiǎn)單的SkethUp靜態(tài)3D構(gòu)型，樹木生長(zhǎng)是一個(gè)綜合動(dòng)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)3D構(gòu)型建立為最終目標(biāo)，動(dòng)態(tài)模型建立不僅需要時(shí)序信息，而且不同立地條件下樹木生長(zhǎng)表現(xiàn)不同，某一立地條件生長(zhǎng)狀況也要可視化信息化，立地條件也要模擬到SketchUp-3D中。SketchUp動(dòng)畫功能也為今后研究可視化動(dòng)態(tài)構(gòu)型提供方法。當(dāng)然SketchUp也是一個(gè)開放的軟件，與Photoshop、3DMax等軟件有良好的兼容性。結(jié)合這些軟件為樹木及林分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提供豐富軟件工具。

本文只是簡(jiǎn)單介紹了利用SketchUp模擬樹木某段生長(zhǎng)及年輪畫法，及如何將其可視化。為今后建立3D動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)實(shí)景和林分群體3D模擬生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)圖提供一些依據(jù)。

該軟件可測(cè)定選中線長(zhǎng)短信息和閉合面的面積大小等數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是目前該軟件不能測(cè)定選定目標(biāo)的體積大小，關(guān)于其材積估算還需該樹種形數(shù)等參數(shù)。

［1］ 葉金山，王章榮.雜種馬褂木雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳分析［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，(4):67－71.

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［3］ 胡包鋼，趙 星，嚴(yán)紅平，等.植物生長(zhǎng)建模與可視化回顧與展望［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，27(6):816－835.

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［6］ 官方幫助中心網(wǎng)址［EB/OL］.http://www.sketchup.com/intl/zh-CN/redirects/gsu8/support.html.

［7］ 中文SketchUp信息網(wǎng)址［EB/OL］.http://www.sketchup.com/intl/zh-CN.

［8］ SketchUp百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/410748.htm.