林木虛擬生長(zhǎng)建模方法及建模工具研究綜述和展望

焦 祥，鄭加強(qiáng)，張慧春，蘇朦朦

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

林木虛擬生長(zhǎng)建模方法及建模工具研究綜述和展望

焦 祥，鄭加強(qiáng)，張慧春，蘇朦朦

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)受到樹(shù)種或林木個(gè)體的遺傳因素（激素信號(hào)、養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)等）和立地條件、經(jīng)營(yíng)措施以及林木的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)（光照分布、溫濕度、農(nóng)藝措施等）的影響，因此，掌握各種因子影響林木生長(zhǎng)過(guò)程的機(jī)制對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)和精準(zhǔn)林業(yè)研究與實(shí)踐非常重要，但如果實(shí)時(shí)地對(duì)實(shí)際林木進(jìn)行生長(zhǎng)過(guò)程影響因子研究，則存在很大的時(shí)空局限性和很高的測(cè)試成本，因而采用虛擬技術(shù)開(kāi)展林木生長(zhǎng)過(guò)程研究引起國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注。系統(tǒng)地綜述了國(guó)內(nèi)外開(kāi)展林木虛擬生長(zhǎng)研究的7種建模方法和10種建模工具，然后提出基于林木虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模擬的 “林木云”研究展望和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的林木三維建模方法及相關(guān)建模工具的研究建議，并分析了林木4D虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型等，從而促進(jìn)林木虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)技術(shù)研究。圖1參54

森林測(cè)計(jì)學(xué)；林木虛擬模型；動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)；林木云；4D模型；綜述

森林是人類賴以生存的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，需要通過(guò)精準(zhǔn)林業(yè)的實(shí)踐來(lái)實(shí)現(xiàn)以最小資源投入、最小環(huán)境危害來(lái)獲得最大林業(yè)收益的目標(biāo)［1］。林木虛擬生長(zhǎng)是以可視化方式虛擬林木在三維空間中的形態(tài)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間推移的變化規(guī)律及生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)多年的努力，在林木虛擬生長(zhǎng)方面取得了一定的研究成果，在計(jì)算機(jī)上虛擬仿真林木的生長(zhǎng)，可以非常直觀地對(duì)林木的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究方法和技術(shù)手段難以觀察到的規(guī)律［3］。實(shí)踐證明，林木虛擬生長(zhǎng)研究具有很大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。本文系統(tǒng)地綜述國(guó)內(nèi)外開(kāi)展林木虛擬生長(zhǎng)研究的建模方法及其典型建模工具，然后結(jié)合相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展提出林木虛擬生長(zhǎng)建模思想及新的建模方法和建模工具等的建議，促進(jìn)虛擬林木動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)技術(shù)的研究。

1 林木虛擬生長(zhǎng)建模方法研究綜述

美國(guó)學(xué)者Newham［4］早在1964年就建立了花旗松Pseudotsuga menziesii模型，建立該模型后Newham又對(duì)它進(jìn)行改善并對(duì)黑松Pinus thunbergii進(jìn)行分析建模。林木可視化建模的思想起源于Honda［5］在1971年提出的遞歸分枝結(jié)構(gòu)建模的思想，他提出利用少量的林木幾何屬性（分枝角度、節(jié)間的長(zhǎng)度比例等）進(jìn)行林木的模擬。目前虛擬林木生長(zhǎng)最常用的方法有L-系統(tǒng)（L-System），迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS），粒子系統(tǒng)模型方法（Particle System Modeling Technique）和基于圖像的林木三維重建方法以及基于激光掃描技術(shù)的林木三維建模方法等。

1.1 L-System

1968年美國(guó)生物學(xué)家Lindenmayer提出了L-系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，為林木形態(tài)結(jié)構(gòu)三維可視化奠定了基礎(chǔ)，可用于建立林木從微觀細(xì)胞發(fā)展到整棵樹(shù)的過(guò)程模型［6-8］。L-系統(tǒng)的本質(zhì)是一個(gè)重寫(xiě)系統(tǒng)，通過(guò)1條公理和幾條產(chǎn)生式，一步一步進(jìn)行迭代，就能生成形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的林木［9］。L-系統(tǒng)提供了一個(gè)便捷的理論和編程框架來(lái)建立動(dòng)態(tài)的林木結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)可以生成代表林木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征和圖形等［10］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后又提出了上下文相關(guān)L-系統(tǒng)、隨機(jī)L-系統(tǒng)、參數(shù)L-系統(tǒng)、開(kāi)放式L-系統(tǒng)、時(shí)控L-系統(tǒng)、環(huán)境敏感型L-系統(tǒng)等［11］，其中參數(shù)L-系統(tǒng)、開(kāi)放式L-系統(tǒng)及時(shí)控L-系統(tǒng)等可用來(lái)實(shí)現(xiàn)林木的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)建模。

Dorr等［12］開(kāi)發(fā)基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)模型融入霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬分析了草甘膦在棉花Gossypium hirsutum var.sicala，苣苦草Sonchus oleraceus和野燕麥Avena ludoviciana上的沉積，該耦合模型可使人們對(duì)噴施農(nóng)藥的分布情況（如植物表面的沉積量、地面的沉積量或是殘留在大氣中的農(nóng)藥量等）有更直觀的了解，從而可以提高農(nóng)藥在靶標(biāo)植物上的有效沉積量，使農(nóng)藥施用的效益最大化并使農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的影響最小化。Sun等［13］提出了基于L-系統(tǒng)的林木智能建模方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，結(jié)果表明：通過(guò)改變一些相關(guān)參數(shù)便可虛擬林木的生長(zhǎng)。Wu等［11］以龍眼Dimocarpus longan為研究對(duì)象開(kāi)發(fā)了LSTD（a tree designer based on L-Systems）系統(tǒng)。劉東平等［14］基于參數(shù)L-系統(tǒng)，建立了環(huán)境變化的植物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型，并建立了簡(jiǎn)單的植物趨光性、背離性模型，較為真實(shí)地仿真林木生長(zhǎng)過(guò)程。Hamon等［15］提出了實(shí)時(shí)交互型L-系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讓用戶和所構(gòu)建的三維植物進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，即可進(jìn)行拉伸植物莖干長(zhǎng)度、改變枝莖著生角度和調(diào)整枝干彎曲度等操作。

1.2 迭代函數(shù)系統(tǒng)方法

迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS是Hutchison（1981）和Bamsley（1985）提出并發(fā)展起來(lái)的一種研究分形集的數(shù)學(xué)方法［7］，屬于分形構(gòu)形系統(tǒng)。由于林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的自相似性，因此可借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的迭代計(jì)算能力，應(yīng)用分形理論的自相似性、層次的多重性和不同層次的規(guī)則的統(tǒng)一性，并利用紋理、光照等多種已有的多邊形幾何面構(gòu)圖技術(shù)對(duì)樹(shù)體渲染，生成具有高度真實(shí)感的三維分形林木［16-17］。

Wang［18］將云模型和分形方法結(jié)合在一起得到云分形模型，并用于植物的模擬。結(jié)果表明：該模型對(duì)于不確定性問(wèn)題的分析非常有效。鄒運(yùn)蘭等［19］利用IFS建模方法和雙緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)了隨風(fēng)搖擺的蕨葉和生長(zhǎng)林木的動(dòng)態(tài)模擬。趙鵬飛［20］基于迭代函數(shù)系統(tǒng)，對(duì)林木的組成部分（樹(shù)枝和樹(shù)葉）進(jìn)行受力分析，實(shí)現(xiàn)林木隨風(fēng)搖曳的動(dòng)態(tài)模擬。Xu等［21］提出基于分形理論并結(jié)合林木形態(tài)特征的林木三維模擬方法，并借助Visual C++和OpenGL的開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三維林木的優(yōu)化建模和可視化虛擬。

1.3 粒子系統(tǒng)模型方法

1983年，Reeves［22］提出不規(guī)則模糊物體的建模方法，即粒子系統(tǒng)，其基本思想是將許多形狀簡(jiǎn)單的微小粒子作為基本元素聚集起來(lái)，形成一個(gè)不規(guī)則的模糊物體［23］。林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)可以用不同的粒子排列組合來(lái)模擬，粒子在生命周期中的變化反映了林木生長(zhǎng)發(fā)育甚至死亡的過(guò)程［7］。粒子系統(tǒng)被看作是模擬不規(guī)則動(dòng)態(tài)物體最成功的方法。Reeves［22］利用粒子系統(tǒng)模型分別虛擬了陰影林木、近森林場(chǎng)景等。宋萬(wàn)壽等［24］運(yùn)用基于粒子系統(tǒng)的方法，用粒子的誕生、活動(dòng)和死亡3個(gè)階段來(lái)描述火焰模型及從植物生長(zhǎng)來(lái)描述林木模型。雷蕾等［23］基于粒子系統(tǒng)思想提出了一種基于能量模型的葉片紋理構(gòu)造算法，充分發(fā)揮了粒子系統(tǒng)在模擬自然界中復(fù)雜且有規(guī)律事物的優(yōu)勢(shì)，模擬出的葉片具有較高的真實(shí)性。

1.4 基于類二叉樹(shù)的三維林木重構(gòu)

為了提取自然界分枝植物的生長(zhǎng)規(guī)則，方逵等［25］提出一種基于類二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的虛擬植物分枝結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)方法，以克服L-系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)規(guī)則的描述和定義的不直觀性與不確定性，闡述分枝植物生長(zhǎng)規(guī)則描述的可操作性。但由于植物生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該方法在建立類二叉樹(shù)模型時(shí)，還需要人工進(jìn)行識(shí)別，影響適用性，還需要研究類二叉樹(shù)模型的自動(dòng)化改進(jìn)，自動(dòng)建立正確的類二叉樹(shù)模型。

1.5 基于圖像的林木三維重建

基于圖像的虛擬方法是指通過(guò)采集林木2D圖像，并利用基于圖像的林木三維重建技術(shù)生成林木的3D模型的方法［26-27］?；趫D像的三維重建技術(shù)分為基于單幅圖像的三維重建技術(shù)和基于多幅圖像的三維重建技術(shù)。其中，基于多幅圖像的三維重建技術(shù)已能生成具有強(qiáng)烈真實(shí)感的三維圖像；對(duì)基于單幅圖像的三維重建技術(shù)的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，但由于其建模效率高，越來(lái)越得到人們的重視［28］。Quan等［27］實(shí)現(xiàn)了奈弗臺(tái)屬Poinsettia植物、鵝掌柴Schefflera octophylla及1株室內(nèi)樹(shù)的三維重建。Tang等［29］提出最大限度地減少用戶干預(yù)的圖像建模方法，并分別對(duì)盆栽樹(shù)和大中型林木進(jìn)行三維重建，達(dá)到了非常逼真的建模效果。Teng等［30］提出了用幾幅從很窄的可視角度范圍捕獲的圖像來(lái)重建林木三維模型系統(tǒng)，該系統(tǒng)在進(jìn)行三維重建時(shí)僅需少量的幾幅圖像，因而在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的靈活性。Lopez等［31］提出一種新型的基于圖像的無(wú)葉林木的三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維林木的真實(shí)還原。顏君萍等［26］提出基于圖像的造型方法，結(jié)合從圖像上提取林木枝干的相關(guān)信息和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到林木的分枝信息，實(shí)現(xiàn)了林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的重建。

1.6 基于激光掃描技術(shù)的林木三維建模

激光掃描技術(shù)能反映林木實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)變化的樹(shù)冠特征以及對(duì)林木結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行有效捕捉，有助于構(gòu)建精準(zhǔn)的單木3D模型［32］。在林木的掃描測(cè)量過(guò)程中，有2種不同的方法：①單一掃描方法，即直接將掃描儀固定于樣本地中心，將周圍的景物掃描一遍；②復(fù)合掃描方法，即在樣本地中心選擇3個(gè)以上的點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)各掃描1次，并保證掃描區(qū)域有一定的重疊部分［33］。相比之下，利用復(fù)合掃描方法得到林木的相關(guān)數(shù)據(jù)更加詳盡，但測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng)。激光掃描儀測(cè)量林木生成的3D點(diǎn)云可用于林木的定量分析和林木的三維重建，同時(shí)可以測(cè)量林木的位置、高度、冠層、樹(shù)種和樹(shù)干曲線等特征［34］。然而由于林木形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、枝葉遮擋等問(wèn)題，造成測(cè)量所得的林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的誤差，而且激光掃描儀技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用缺少必要的嘗試，將它應(yīng)用于林木3D建模將是林木建模研究中的新的發(fā)展趨勢(shì)。Park等［35］利用地面激光掃描儀測(cè)量所獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)單株林木進(jìn)行建模，但由于樹(shù)葉和枝干不能很好地從背景中分割出來(lái)從而使建立的模型具有一定的誤差。高士增［36］基于地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建林木枝干的等值線模型和Delaunay三維網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)林木形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)和人機(jī)交互式提取。Kelbe等［37］開(kāi)發(fā)了一套激光掃描系統(tǒng)并用該掃描系統(tǒng)自動(dòng)重建了樹(shù)干模型，模型中樹(shù)干的細(xì)節(jié)（如錐度、延伸和傾斜度）得以重建再現(xiàn)。王曉輝等［38］基于三維激光掃描獲得的林木離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)出一個(gè)交互式半智能化的單樹(shù)幾何建模系統(tǒng)。

1.7 基于三維數(shù)字化儀的林木三維重建

三維數(shù)字化儀已經(jīng)迅速發(fā)展成為一種重要的數(shù)據(jù)獲取途徑，該儀器能夠快速精確地獲取360°的XY-Z空間坐標(biāo)，并通過(guò)配套的軟件迅速重建研究對(duì)象的三維模型。三維數(shù)字化儀在獲取林木三維坐標(biāo)參數(shù)時(shí)，同時(shí)記錄每個(gè)枝條的直徑，其值用游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具來(lái)測(cè)量，從而得到林木的三維拓?fù)渲貥?gòu)模型［39］。章蘭芬等［40］基于三維數(shù)字化儀，并利用Piaf Digit和 Vege STAR軟件，建立了13年生高紡錘形蘋(píng)果樹(shù)Malus domestica的數(shù)字化模型。王菲［41］利用三維數(shù)字化儀并結(jié)合Piaf Digit軟件和Vege STAR軟件構(gòu)建了蘋(píng)果樹(shù)三維模型。

2 林木虛擬生長(zhǎng)建模工具綜述

要實(shí)現(xiàn)林木虛擬生長(zhǎng)，必須有良好的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，目前包括C，C++，VC++，Java，VB，Matlab等軟件，但多選用OpenGL作為圖形編程平臺(tái)。OpenGL是一種與硬件、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)相獨(dú)立的一系列應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API），提供一種直觀的編程環(huán)境，由大量功能強(qiáng)大的圖形函數(shù)組成，大大簡(jiǎn)化三維圖形程序，開(kāi)發(fā)人員可以利用這些函數(shù)對(duì)整個(gè)三維圖形進(jìn)行光色渲染，從而方便地繪制出客觀世界逼真的三維景象［42］。國(guó)內(nèi)外虛擬植物建模工具包括AMAP，Vlab/LStudio，SpeedTree，Xfrog，GreenLab，LSTree，Plantstudio，LMS/SVS，Smart-Forest等，其中不少是基于L-系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，而也有不少僅用于虛擬游戲場(chǎng)景等中的林木虛擬設(shè)計(jì)或用于提高虛擬林木生長(zhǎng)教學(xué)效果。

2.1 AMAPstudio

法國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展國(guó)際合作研究中心（French Centre for International Cooperation in Agriculture Research for Development，CIRAD）的de Reffye等［43］建立的AMAPstudio系列植物結(jié)構(gòu)建模軟件具有描述植物生長(zhǎng)、死亡、枝條分布情況和三維可視化模擬植物生長(zhǎng)過(guò)程的功能。AMAPstudio模型從植物結(jié)構(gòu)角度包括植物重建、探索、分析和研究植物生長(zhǎng)的應(yīng)用程序和模型，適用于模擬高大植物。

2.2 Vlab/L-Studio和TreeSketch

加拿大Calgary大學(xué)Prusinkiewicz等［44］分別開(kāi)發(fā)了基于L-系統(tǒng)的虛擬植物模擬軟件Vlab/L-Studio和TreeSketch。Vlab/L-Studio可在Windows，MAC OSX和Linux系統(tǒng)下，能生成各種植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖，但使用復(fù)雜，不能很好地虛擬植物和環(huán)境間的交互影響，且不能構(gòu)建大型、可擴(kuò)展的植物模型。TreeSketch可在iPad上進(jìn)行全功能交互式三維林木建模，即可在平板電腦上進(jìn)行林木的互動(dòng)過(guò)程建模［45］。創(chuàng)建1株樹(shù)正如簡(jiǎn)單地在屏幕上繪畫(huà)并觀察林木生長(zhǎng)的過(guò)程。TreeSketch能在數(shù)秒內(nèi)創(chuàng)建各種形式的、復(fù)雜而自然的林木模型。該系統(tǒng)將林木生長(zhǎng)過(guò)程集成于多點(diǎn)觸控平板電腦界面，提供詳細(xì)的、基于林木自組織概念來(lái)控制生成林木形式的程序，并模擬林木從幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中樹(shù)枝對(duì)空間和光線的競(jìng)爭(zhēng)。建模人員可以控制林木的生長(zhǎng)過(guò)程，即能用程序刷引導(dǎo)生長(zhǎng)過(guò)程，隨林木生長(zhǎng)可改變參數(shù)，實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)控制和自動(dòng)生長(zhǎng)以及編輯生成林木的形式。

2.3 Xfrog

由德國(guó)Greenworks公司開(kāi)發(fā)的植物制作軟件Xfrog，通過(guò)改變植物生長(zhǎng)的相關(guān)參數(shù)（生長(zhǎng)速度、分枝數(shù)量、向地性和趨光性等）來(lái)虛擬植物從種子到成年的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。從而可以讓用戶簡(jiǎn)單快捷、逼真詳細(xì)地構(gòu)造復(fù)雜林木、灌木、花卉的三維模型，并能夠有效實(shí)現(xiàn)林木的生長(zhǎng)模擬［46］。

2.4 SpeedTree

美國(guó)Interactive Data Visualization,Inc.（IDV）的SpeedTree軟件專門(mén)用于三維林木建模，可快速建立和渲染大片林木，并且其本身帶有強(qiáng)大的林木庫(kù)［47］。利用SpeedTree建立林木動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型時(shí)，可以在使用極少多邊形情況下創(chuàng)造高度逼真的植物，如果在SpeedTree中加入風(fēng)場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)林木隨風(fēng)飄動(dòng)的效果［48］。熊壯等［48］基于SpeedTree實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)三維林木的建模；吳曉暉［47］通過(guò)對(duì)Virtools二次開(kāi)發(fā)機(jī)制及SpeedTree林木開(kāi)發(fā)機(jī)制的研究，驗(yàn)證了林木在虛擬森林場(chǎng)景中繪制、運(yùn)行效率及風(fēng)效效果。

2.5 GreenLab

以中法實(shí)驗(yàn)室（Laboratoire Sino’Européend’Informatique，d’Automatique et de MathématiquesAppliquées/Sino French Lab in Computer Science，Automation and Applied Mathematics，LIAMA）為代表，建立了GreenLab模型，并在可控環(huán)境下用西紅柿Lycopersicon esculentum，小麥Triticum sestivum，菊花Chrysanthemum morifolium對(duì)GreenLab模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證［49］，對(duì)棉花和玉米Zea mays地上部分和根系的三維數(shù)字化和可視化進(jìn)行了研究，但虛擬林木的研究相對(duì)較少［42］。利用數(shù)學(xué)、自動(dòng)化、軟件工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和渲染技術(shù)，GreenLab可以進(jìn)行不同類型的應(yīng)用實(shí)踐，如促進(jìn)植物建模及其可視化以及植物生長(zhǎng)相關(guān)技術(shù)、促進(jìn)植物建模及其可視化技術(shù)轉(zhuǎn)移到農(nóng)業(yè)、林業(yè)和生物科學(xué)領(lǐng)域［49］。2009年，國(guó)紅等［50］以油松Pinus tabulaeformis為對(duì)象，首次將GreenLab模型應(yīng)用于林業(yè)，實(shí)現(xiàn)了油松幼樹(shù)動(dòng)態(tài)三維可視化的模擬。2011年，國(guó)紅等［51］基于GreenLab模型建立了18年生和41年生油松形態(tài)的動(dòng)態(tài)三維可視化模型。

2.6 LSTree

林郁欣等［52］基于植物形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生長(zhǎng)發(fā)育的生理生態(tài)過(guò)程，提出由器官尺度上升單樹(shù)尺度的L-系統(tǒng)文法規(guī)則組合拼接方法，設(shè)計(jì)了單株植物建模工具軟件的功能和體系結(jié)構(gòu)，在VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用Open GL圖形標(biāo)準(zhǔn)、VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成單樹(shù)建模工具軟件LSTree。系統(tǒng)具有單樹(shù)三維建模、生長(zhǎng)過(guò)程模擬、林木與環(huán)境交互模擬、三維可視化交互等功能，支持通用三維模型格式。

2.7 PlantStudio

Plantstudio植物圖形軟件（Botanical Illustration Software），基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)模擬建立草本植物（非木質(zhì)），如野花、鮮花、蔬菜、雜草、牧草等的3D植物模型。在使用Plantstudio植物圖形軟件進(jìn)行植物3D建模時(shí)，可直接調(diào)用植物庫(kù)里相應(yīng)的植物3D模型，也可對(duì)已有的植物進(jìn)行變異得到新植物品種，甚至可以創(chuàng)建多植物成分的植物群，因此可用于林區(qū)雜草的虛擬生長(zhǎng)模型研究。

2.8 LMS/SVS

美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局Pacific Northwest Research Station開(kāi)發(fā)了集成軟件LMS（Landscape Management System）和可視化軟件工具SVS（Software Virtualization Solution），應(yīng)用生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型和可視化工具相結(jié)合，進(jìn)行植物的生長(zhǎng)模擬，建立起虛擬植物的通用模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型植物的模擬。LMS由許多獨(dú)立的程序組成，進(jìn)行生長(zhǎng)預(yù)測(cè)、生成表格和圖形顯示、存儲(chǔ)庫(kù)存信息和將這些不同程序連接到一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。

2.9 Smart-Forest

美國(guó)University of Illinois空間成像實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的Smart-Forest森林模型引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將巨大的森林?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和模擬結(jié)果用虛擬陸地森林圖像在景觀水平直觀地展示出來(lái)［53］。幾何建模方法通常展示單株林木，Smart-Forest提供的方法能有效地展示不同景觀場(chǎng)景的區(qū)域，特別適用于林木茂密但其鄰近觀測(cè)點(diǎn)已失去有效性的區(qū)域。

2.10 GFSM

貢嘎山森林演替模型(GFSM：Gongga Forest Succession Model）是以林窗模型為基礎(chǔ)的單木模擬模型，以多個(gè)小面積（斑塊、patch）上的林分表現(xiàn)作平均，描述林地斑塊中單木的萌發(fā)、生長(zhǎng)、死亡過(guò)程、樹(shù)種更替及與環(huán)境因子（水分、光照、熱量、養(yǎng)分）的關(guān)系，并按隨機(jī)過(guò)程方式模擬環(huán)境條件的變化，仿真模擬林木的更新與死亡中的外在和內(nèi)稟不確定性［54］。模型基本上代表了中國(guó)西南山區(qū)生長(zhǎng)的36種主要建群樹(shù)種類型，可分析優(yōu)選各樹(shù)種的生態(tài)學(xué)參數(shù)以反映中國(guó)南方山區(qū)林地演替和物種的基本特性。

3 林木虛擬生長(zhǎng)建模研究展望

3.1 創(chuàng)建基于林木虛擬生長(zhǎng)模擬的林木云

單純林木結(jié)構(gòu)的虛擬已發(fā)展較成熟并取得較理想的虛擬效果，結(jié)構(gòu)模型可以實(shí)現(xiàn)利用較少的參數(shù)虛擬出漂亮的林木結(jié)構(gòu)圖形。但對(duì)于農(nóng)林生產(chǎn)領(lǐng)域，相對(duì)于林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)，開(kāi)展林木功能(生長(zhǎng)過(guò)程）模型特征的相關(guān)模型耦合的研究將更有意義。為結(jié)合前面分析的國(guó)內(nèi)外有關(guān)林木虛擬生長(zhǎng)建模方法、建模工具等，提出如圖1所示的林木虛擬生長(zhǎng)模擬的林木云的構(gòu)建框圖。即通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)測(cè)試與分析林木生長(zhǎng)因子，利用 “大智移云（大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算）”平臺(tái)創(chuàng)建 “林木云”，同時(shí)利用和創(chuàng)新林木生長(zhǎng)虛擬建模方法與工具建立林木虛擬生長(zhǎng)三維模型，更能真實(shí)地反映林木生長(zhǎng)過(guò)程及周圍環(huán)境對(duì)其的影響，為林業(yè)生產(chǎn)提供高效可行的管理措施，推動(dòng)中國(guó)精準(zhǔn)林業(yè)研究及林業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

隨著 “大智移云”技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及智能科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新，所有作業(yè)設(shè)備可能具有識(shí)別、語(yǔ)言、運(yùn)算、控制甚至意識(shí)、精神等生物特性，而林木就是有生命的生物體，則作業(yè)設(shè)備的智能化與生物體之間的信息交換和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究，將極大地促進(jìn) “大智移云”在農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用，農(nóng)林動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息化的水平和程度將得到極大的提高。利用大數(shù)據(jù)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合挖掘，可將枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)變化的三維模型，能夠形象直觀地研究林木生長(zhǎng)規(guī)律和周圍環(huán)境對(duì)其生長(zhǎng)的影響以及對(duì)其采取相應(yīng)的管理措施后林木發(fā)生的種種變化等。

圖1 林木虛擬生長(zhǎng)模擬的林木云構(gòu)建Figure 1 Forest tree cloud construction for virtual forest tree growth model

云計(jì)算作為一種新的技術(shù)趨勢(shì)得到快速發(fā)展。在林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，可通過(guò)搭建一個(gè)林木生長(zhǎng)云計(jì)算平臺(tái)，來(lái)構(gòu)建基于云計(jì)算的林木生長(zhǎng)過(guò)程中各類數(shù)據(jù)信息的資源共享系統(tǒng)。也就是，利用傳感與智能化、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)，建設(shè) “林木云”，融合林木生長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù)、林木生長(zhǎng)發(fā)育實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、林木生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控?cái)?shù)據(jù)，以及挖掘森林資源信息元數(shù)據(jù)、林木新品種圖像描述數(shù)據(jù)、林分樹(shù)高立地分級(jí)、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)等調(diào)控因子與林木脅迫因子及其危害預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)和森林火災(zāi)信息數(shù)據(jù)等，并將其接入林木生長(zhǎng)云計(jì)算平臺(tái)，從而可讓不同林業(yè)部門(mén)和科研單位的科研人員能方便快捷地共享 “林木云”。利用 “林木云”對(duì)林木進(jìn)行三維模型構(gòu)建時(shí)，可方便地利用其提供的林木生長(zhǎng)參數(shù)，解決費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且誤差較大的人工實(shí)地測(cè)量。

3.2 林木虛擬生長(zhǎng)模型建模方法和建模工具的創(chuàng)新研究建議

目前，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的三維建模在工業(yè)方面應(yīng)用較多，技術(shù)也較成熟，如：考古學(xué)及文物保護(hù)領(lǐng)域，即 “數(shù)字遺產(chǎn)”；建筑物三維建模；人頭部和臉的三維重建，并能夠?qū)崿F(xiàn)人臉部動(dòng)畫(huà)。但該建模方法在農(nóng)林方面缺少必要的嘗試。德國(guó)MVTec公司開(kāi)發(fā)的HALCON軟件支持C，C++，C#，Visual Basic和Delphi等多種編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。HALCON 11具有三維表面比較功能，即將一個(gè)三維物體的表面形狀測(cè)量結(jié)果與預(yù)期形狀進(jìn)行比較。HALCON提供的所有三維技術(shù)（如多目立體視覺(jué)或片光即sheet of light），都可用于表面重構(gòu)；同時(shí)也可通過(guò)三維硬件掃描儀進(jìn)行三維重構(gòu)。而且HALCON還支持多種三維目標(biāo)處理的方法，如點(diǎn)云的計(jì)算和三角測(cè)量、形狀和體積等特征計(jì)算、通過(guò)切面進(jìn)行點(diǎn)云分割等。因此可以考慮應(yīng)用HALCON研究虛擬林木生長(zhǎng)模型。用HALCON軟件建立林木生長(zhǎng)三維模型時(shí)，可采用三維激光-掃描儀從不同的角度對(duì)林木進(jìn)行掃描，然后用三維激光掃描儀自帶的拼接軟件將從不同角度掃描獲取的林木點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接得到林木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將林木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HALCON軟件中，用HALCON軟件的三維目標(biāo)處理功能，計(jì)算林木生長(zhǎng)參數(shù)（樹(shù)干高度、直徑，樹(shù)枝長(zhǎng)度、直徑和著生夾角等），最后利用HALCON軟件的三維數(shù)據(jù)快速可視化功能將獲取的林木生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行三維可視化處理，從而實(shí)現(xiàn)林木生長(zhǎng)三維模型的重構(gòu)。利用HALCON對(duì)林木進(jìn)行三維重建的優(yōu)點(diǎn)是可以利用其三維表面比較功能對(duì)重建的三維模型與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證林木三維模型的精確度。同時(shí)可以利用HALCON的三維目標(biāo)處理，對(duì)所建的林木三維模型計(jì)算其形狀和體積等特征，從而可以對(duì)林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為園林工作提供最佳的管理措施；同時(shí)對(duì)林木三維模型體積的計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成材量估量，為木材的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

3.3 林木4D虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型研究

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了大量的林木虛擬生長(zhǎng)模型研究，但均是在2D平面、3D空間研究林木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)信息。在3D空間對(duì)林木進(jìn)行虛擬時(shí)，只能研究林木的空間結(jié)構(gòu)特征，無(wú)法便捷地研究林木形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化和時(shí)間的關(guān)系，林木真實(shí)感和動(dòng)態(tài)性能還相對(duì)較差。在3D空間坐標(biāo)系中引入和耦合時(shí)間維度，即可變?yōu)樵?D空間建立林木動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型，這樣便可以將林木的空間結(jié)構(gòu)特征的變化和時(shí)間關(guān)系實(shí)時(shí)地聯(lián)系在一起，由此得到的數(shù)據(jù)更有利于建立林木的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型，因此4D可視化將攜帶更多信息量，并提高信息密度。特別地，當(dāng)林木4D虛擬生長(zhǎng)將以實(shí)際林木為基礎(chǔ)，獲取真實(shí)林木圖像，對(duì)實(shí)際林木的細(xì)節(jié)（如同葉位的葉長(zhǎng)、葉寬、葉形、葉片空中伸展曲線、葉色、葉片衰亡、不同節(jié)間的節(jié)間長(zhǎng)、不同葉位的葉鞘長(zhǎng)度和顏色）進(jìn)行盡可能100%還原，然后定制融入一系列隨時(shí)間軸變化的參數(shù)和生長(zhǎng)因子（如光合作用等），強(qiáng)化脅迫因子的逆境記憶，不斷采取逆境鍛煉，就可以更加真實(shí)地模擬林木生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程。甚至可以通過(guò)虛擬基因信息對(duì)林木3D結(jié)構(gòu)生成工作機(jī)理，優(yōu)化樹(shù)種，為選育新品種提供理論依據(jù)，可縮短培育周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

林木虛擬生長(zhǎng)從簡(jiǎn)單的2D字符串重寫(xiě)，發(fā)展到具有動(dòng)態(tài)效果的3D虛擬，乃至4D虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，從簡(jiǎn)單的林木結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展到考慮林木生理生態(tài)功能的結(jié)構(gòu)-功能模型以及隨機(jī)模型。本文綜述了林木虛擬生長(zhǎng)建模方法和建模工具，結(jié)合 “大智移云（大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算）”技術(shù)，分析探討了基于林木虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模擬的 “林木云”，提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的建模方法和林木4D虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型等。今后，隨著相關(guān)技術(shù)及精準(zhǔn)林業(yè)研究的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)林木虛擬動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型的研究必將成為精準(zhǔn)林業(yè)的研究熱點(diǎn)，由試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)應(yīng)用，由技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)中國(guó)林業(yè)建設(shè)開(kāi)創(chuàng)嶄新的局面。

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Research and perspectives of modeling methods and modeling tools of virtual forest tree growth

JIAO Xiang,ZHENG Jiaqiang,ZHANG Huichun,SU Mengmeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China）

The morphological structure of forest trees are affected by tree species or individual tree genetic factors（hormone signal and nutrient competition）,site conditions,management measures and competition status of forest（light distribution,temperature,humidity,and agronomic measures）.Mastering the mechanism study on the determinants of the forest trees growth process is very important for the forestry production and precision forestry research and practices.The real-time field survey of the determinants of the forest trees growth process is constrained greatly by time and space,and requires high test cost.Therefore,applying virtual technology to conducting the research on the forest trees growth has drawn great attention at home and abroad.This paper systematically reviewed 7 modeling methods and 10 modeling tools for studying the virtual forest tree growth, proposed the research prospect of forest tree cloud based on the simulation of dynamic growth of virtual forest trees,suggested on computer vision system based 3D forest trees modeling and the modeling tools,analyzed the models of forest trees growth in 4D to promote the research on the technology of the virtual dynamic growth of forest trees.［Ch,1 fig.5 4 ref.］

forest measuring;virtual model of forest trees；dynamic growth；forest tree cloud；4D model;review

S758

A

2095-0756（2015）06-0966-10

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2015，32（6）：966-975

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.021

2014-12-10；

2015-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31371963）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（BK20130965）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014BAD08B04）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；江蘇省杰出青年教師培育聘專項(xiàng)目（2012256）；南京林業(yè)大學(xué)高學(xué)歷人才基金資助項(xiàng)目（GXL201208）

焦祥，博士研究生，從事農(nóng)林機(jī)械化和植物虛擬生長(zhǎng)研究。E-mail：js_jiaox@126.com。通信作者：鄭加強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)林信息化、植保機(jī)械和智能測(cè)控研究。E-mail：jqzheng@njfu.edu.cn