趙賽賽，湯孟平，2，唐思嘉，張　軍，李　嵐，龐春梅，趙明水

（1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，　浙江 臨安 311300；　2.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；3.浙江省天目山國家級自然保護區(qū) 管理局，　浙江 臨安311311）

毛竹林分可視化研究

趙賽賽1，湯孟平1，2，唐思嘉1，張軍1，李嵐1，龐春梅3，趙明水3

（1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；3.浙江省天目山國家級自然保護區(qū) 管理局，浙江 臨安311311）

毛竹Phyllostachys edulis林是一種具有較高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的特殊森林類型，科學經(jīng)營管理毛竹林不僅能有效地保護生態(tài)環(huán)境，而且對發(fā)揮毛竹林的經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。如何提高毛竹林經(jīng)營管理的技術水平一直是經(jīng)營者關注的焦點。采用集成OnyxTREE BAMBOO，3ds Max和ArcGIS等種軟件，重點將前者的三維建模功能和后者的三維顯示功能相結合，實現(xiàn)毛竹林分的三維可視化，旨在為毛竹林科學經(jīng)營管理提供新的技術方法。選擇浙江省天目山國家級自然保護區(qū)內(nèi)的毛竹林為研究對象，建立100 m×100 m固定標準地，用全站儀測定每株毛竹的基部三維坐標（x，y，z），調(diào)查毛竹的胸徑、竹高、枝下高和冠幅等因子。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，基于Onyx-TREE BAMBOO和3ds Max軟件，對不同生長狀態(tài)的毛竹進行三維建模，再導入ArcGIS，在ArcScene中與數(shù)字高程模型（DEM）疊加，最終實現(xiàn)毛竹林分的三維可視化。研究取得較好的可視化效果，觀察者既可以俯瞰整片竹林，掌握竹林整體狀況，也可以深入竹林內(nèi)部，直觀了解毛竹的具體生長狀態(tài)，如毛竹的死活、彎直、折斷、倒伏等，以及地表的起伏狀況。單擊任一株毛竹，還可以很方便地查看其相關信息包括毛竹的竹高、胸徑、冠幅、枝下高、坐標等。此外，借助ArcScene的漫游功能，可以實現(xiàn)竹林內(nèi)部實時漫游觀察，可以設定漫游路徑，實現(xiàn)固定路徑漫游，以及將漫游動畫保存為視頻格式進行輸出。研究探索出了一套完整的毛竹林可視化技術方法，此方法可操作性強，應用于毛竹林可視化經(jīng)營管理，不僅可以真實反映毛竹林分的當前生長狀況，還可以直觀展現(xiàn)竹林采伐或自然干擾后的林分狀況，為進一步研究毛竹林動態(tài)變化的可視化奠定了基礎。圖12表1參23

森林測計學；毛竹林；可視化；OnyxTREE BAMBOO；3ds Max；ArcGIS；數(shù)字高程模型；天目山

毛竹Phyllostachys edulis又名楠竹，它不僅具有較高的經(jīng)濟價值和社會價值，而且發(fā)揮著十分重要的生態(tài)功能［1］?？茖W經(jīng)營管理毛竹林不僅能有效地保護生態(tài)環(huán)境，而且對中國毛竹生產(chǎn)應用等方面經(jīng)濟效益的發(fā)揮具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，如何提高毛竹林經(jīng)營管理的技術水平一直是關注的焦點問題?？梢暬抢脠D像處理技術或是計算中產(chǎn)生的數(shù)字信息變?yōu)橹苯拥挠嬎銠C圖形，將已有的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在研究者面前，是研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術［2］。計算機可視化技術的發(fā)展為森林可視化管理提供了可能。森林可視化主要包括林木可視化和林地可視化。林木可視化技術按照建模方法的不同，可分為基于規(guī)則幾何體建模［3］、交互式參數(shù)化建模［4-6］和基于圖像紋理的建模［7-8］。基于規(guī)則幾何體建模和基于圖像紋理的建模具有建模方法簡單，內(nèi)存占用小的特點，但是林木表達比較粗略，真實感較差，近視點效果不夠理想。交互式參數(shù)化建模是通過設定相關參數(shù)完成樹木造型，能夠快速地創(chuàng)建出逼真的樹木模型，是林木可視化的實用方法，但是在大場景的可視化上，容易造成數(shù)據(jù)冗余，影響系統(tǒng)運行速度［9］。因此，有學者研究運用細節(jié)層次技術（levels of detail，LOD）提高森林場景的渲染效率，取得了不錯的可視化效果［10-12］。林地可視化是地面起伏狀態(tài)的可視化描述。數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）是地形三維可視化中最常用的技術［13］。DEM有許多種表示方法，其中不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregular network，簡稱TIN）模型與其他DEM模型相比有著不可替代的優(yōu)點。TIN模型可以根據(jù)地形的具體特點和復雜程度而確定采樣點的密度和位置，這樣可以避免數(shù)據(jù)冗余，并且可以相對準確地表達地形的結構和細部分析［14］。另外，還可以通過疊加圖像紋理、分形紋理和地表地物的方式，提高地形的真實性［15］。森林可視化的方法有很多種，每種方法都有各自的優(yōu)缺點，并且每一種方法都是針對具體情況而言。目前，毛竹林分可視化方面的研究還很少見報道。本研究以浙江省天目山國家級自然保護區(qū)的毛竹林為研究對象，在林分尺度上，探討集成應用美國Onyx Computing公司的OnyxTREE BAMBOO軟件［16］、Autodesk公司的3ds Max建模軟件［17］和美國環(huán)境系統(tǒng)研究所的ArcGIS［18-19］等多種軟件相結合實現(xiàn)毛竹林三維可視化的技術方法。采用專業(yè)竹子建模軟件OnyxTREE BAMBOO進行毛竹基本模型的創(chuàng)建，具有逼真的視覺效果。以此為基礎，在3ds Max中創(chuàng)建出活竹、死竹、斷竹、裂竹、倒竹等多種狀態(tài)的毛竹模型。最后，在ArcGIS中，采用TIN模型上疊加林地地表貼圖的方法，對毛竹林地進行可視化表達，再疊加基于毛竹模型的符號化點要素圖層，實現(xiàn)毛竹林可視化。本研究提出集成應用多種軟件實現(xiàn)毛竹林可視化的技術方法，操作簡單，用戶容易掌握，可視化效果逼真，不需要復雜而費時的編程，為毛竹林可視化經(jīng)營管理提供了新的技術方法。

1　研究區(qū)概況

天目山國家級自然保護區(qū)位于浙江省西北部臨安市境內(nèi)，地處30°18′30″～30°24′55″N，119°23′47″～119°28′27″E，總面積為1 050 hm2，主峰仙人頂海拔1 506 m。年平均氣溫為8.8～14.8℃，≥10℃年積溫2 500～5 100℃；年降水量為1 390～1 870 mm，相對濕度76%～81%。保護區(qū)地處中亞熱帶北緣向北亞熱帶過渡的地帶，受亞熱帶季風性濕潤氣候影響，森林植被十分茂盛。受海拔的影響，山體植被分布有明顯的垂直界限，海拔870 m以下為常綠闊葉林，870～1 100 m為常綠、落葉闊葉林，1 100～1 380 m為落葉闊葉林，1 380～1 500 m為落葉矮林。近自然毛竹林作為一種特殊的森林植被類型多分布在海拔350～900 m，且由于林立地條件和林內(nèi)環(huán)境的相互作用，林下植被生物多樣性較低［20-22］。

2　研究方法

2.1固定標準地調(diào)查

2009年7月，在浙江省天目山國家級自然保護區(qū)內(nèi)，用全站儀建立了1塊面積為100 m×100 m的近自然毛竹林固定標準地，標準地中心海拔840 m，主坡向南偏東30°。利用相鄰網(wǎng)格法［23］，將標準地劃分100個10 m×10 m單元網(wǎng)格。用全站儀對單元網(wǎng)格內(nèi)每株毛竹進行精確定位，測定毛竹基部的三維坐標（x，y，z）。同時，調(diào)查每株毛竹的胸徑、竹高、枝下高、冠幅等因子，以及死活、受損等生長狀態(tài)因子（表1）。此后，每年對毛竹固定標準地進行復查。本研究采用2014年的復查數(shù)據(jù)。

表1　毛竹生長狀態(tài)分類Table 1　Classification of moso bamboo growth state

2.2毛竹單株參數(shù)調(diào)查

為了滿足毛竹單株建模的需要，以樣地調(diào)查數(shù)據(jù)中毛竹的平均胸徑為參考，選取胸徑大小適中的5株毛竹，伐倒后詳細測量各項參數(shù)，包括竹稈每竹節(jié)的長度、寬度，每個竹節(jié)點的擴展、寬度、枝下高、角度、簇級數(shù)等。選取最長一級分枝和二級分枝，按與竹稈相同的參數(shù)進行測量。此外，還測量竹葉的長度、寬度、底長和梢長等參數(shù)。

2.3可視化軟件

OnyxTREE BAMBOO是由Onyx Computing公司開發(fā)的一款專門用來創(chuàng)建竹子及竹林模型的建模軟件，它可以創(chuàng)建單株竹子模型及在指定的區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建由多株竹子組成的竹林。通過調(diào)整各項參數(shù)的值，它可以創(chuàng)建不同種類竹子模型，還可以創(chuàng)建處于不同生長階段的竹子模型［16］。

3ds Max是由美國Autodesk公司開發(fā)的一種基于矢量的三維造型和動畫設計軟件，它主要是運用計算機圖形生成和圖形處理技術模仿真實現(xiàn)象，建立具體的模型，可以制作出非常逼真的三維實體及動畫［17］。

ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的軟件，是世界上最廣泛的地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件之一。Arc-Scene是ArcGIS三維分析模塊3D Analyst的核心，它具有管理3D GIS數(shù)據(jù)，進行3D分析，編輯3D要素，創(chuàng)建3D圖層以及把二維數(shù)據(jù)生成3D要素等功能，同時提供強大的三維可視化和空間分析能力［18-19］。

3　毛竹林分可視化實現(xiàn)

毛竹林的可視化包括毛竹單株建模和林地可視化2個環(huán)節(jié)。首先，通過OnyxTREE BAMBOO和3ds Max軟件創(chuàng)建不同生長狀態(tài)的毛竹模型。然后在ArcScene中與林地DEM模型進行疊加，實現(xiàn)毛竹林分可視化。

3.1毛竹單株建模

毛竹有多種不同生長狀態(tài)，如死活、彎直、折斷、開裂、倒伏（表1）。為了更好地反映毛竹林的真實情況，需要對這些不同狀態(tài)的毛竹分別建模。OnyxTREE BAMBOO官網(wǎng)上提供一些免費的竹子模型，可作為毛竹建模的基礎模型。

毛竹建模的過程分3步。首先，下載與需要建模的毛竹類似的竹子模型。其次，將下載的模型加載到OnyxTREE BAMBOO中，根據(jù)毛竹單株參數(shù)調(diào)查數(shù)據(jù)，對模型進行修改、調(diào)整，以達到所需要的效果。最后，將模型保存為3DS格式文件，以便在ArcGIS中調(diào)用。

根據(jù)毛竹實際參數(shù)建立的模型，加載到ArcGIS中，僅顯示枝干，并不顯示竹葉。因為按毛竹實際大小建立的模型，產(chǎn)生大量的枝、葉，從而導致單株毛竹的數(shù)據(jù)量很大，不能正常顯示毛竹的葉子。鑒于以上原因，在建模時將模型參數(shù)按比例調(diào)整為原來的50%，以達到良好的顯示效果（圖1）。

圖1　毛竹單株建模Figure 1　Single modeling of moso bamboo

目前，OnyxTREE BAMBOO軟件只能創(chuàng)建出直立、彎曲和倒伏狀態(tài)的竹子模型，無法創(chuàng)建折斷、開裂的竹子模型。需要將它與3ds Max軟件相結合以解決此問題。方法是將OnyxTREE BAMBOO中創(chuàng)建的毛竹基本模型導入到3ds Max，在修改面板下，針對頂點、邊、面等不同的子對象層級，綜合運用移動、旋轉(zhuǎn)、切片等工具，對模型進行修改，得到折斷、開裂的毛竹模型。對于死竹的建模，只需在活竹模型基礎上，去掉竹葉，調(diào)整竹稈、竹枝的顏色即可。最終創(chuàng)建出各種狀態(tài)的毛竹模型，建立毛竹模型庫（圖2）。

3.2林地可視化

毛竹林地可視化的實現(xiàn)主要分為2個部分：一是數(shù)字高程模型DEM的建立；二是林地地表貼圖的制作，并與DEM進行疊加。

3.2.1生成毛竹點要素將包含毛竹各種調(diào)查信息的Excel數(shù)據(jù)文件加載到ArcScene，根據(jù)表格中毛竹的坐標生成點要素（圖3）。圖3中每個點要素代表1株毛竹。

3.2.2創(chuàng)建TIN表面直接由毛竹點要素進行TIN的創(chuàng)建，得到的TIN表面會太過尖銳、粗糙，顯示效果不理想。實踐表明：先對點要素進行自然鄰域插值處理（圖4），對得到的結果進行生成等值線的操作（圖5），再用生成的等值線創(chuàng)建TIN。這樣創(chuàng)建出的TIN表面較為光滑，比較符合真實的地面起伏情況。

3.2.3制作地表貼圖與疊加顯示為了提高林地地表的真實性，在標準地中選擇有代表性的地段，拍攝標準地地表紋理照片，在Photoshop中對地表紋理照片進行處理，合成一張整體的標準地地表圖片。在ArcMap中對其重采樣，提高圖像分辨率。再對其進行地理配準，使其空間范圍與TIN保持一致。最后，加載到ArcScene中與TIN進行疊加。顯示效果如圖6所示。

3.3毛竹林分可視化

在上述工作基礎上，將已生成的毛竹點要素按毛竹的不同狀態(tài)進行分類，生成各自對應的點要素圖層，用相應狀態(tài)的毛竹模型替換點要素符號，并進行相應調(diào)整，以實現(xiàn)整個林分的三維可視化。

以 “活完曲”毛竹的可視化為例。具體實現(xiàn)過程如下：激活毛竹點要素圖層，利用查詢工具篩選出“活完曲”狀態(tài)的毛竹點，生成新的圖層。打開圖層屬性對話框，在符號系統(tǒng)下點擊點符號，進入符號選擇器，點擊 “編輯符號”按鈕，在符號屬性編輯器對話框下，導入 “活完曲”模型替代原來點符號（圖7）。毛竹模型的大小，彎曲或倒伏的方向，可以通過點擊 “高級”按鈕，對毛竹符號進行 “大小”和 “旋轉(zhuǎn)”的調(diào)整來實現(xiàn)。這里選擇毛竹屬性中的 “竹高”和 “方位角”作為調(diào)整因子。其他狀態(tài)毛竹可視化過程與上述相同，全部加載完畢，最終實現(xiàn)整個林分的可視化。

從毛竹林分整體進行觀察，由于死倒竹數(shù)量較少，顯示不明顯，林分基本呈現(xiàn)一片綠色（圖8）。如果將視野拉近，則進入竹林內(nèi)部，可以很清楚地觀察到毛竹的枝葉和不同生長狀態(tài)的毛竹如活竹、死竹、倒竹、斷竹、裂竹等，以及地表的起伏狀況，有一種身臨其境的感覺（圖9）。借助ArcScene的漫游功能，可以實現(xiàn)竹林內(nèi)部實時漫游觀察。通過設定漫游路徑，可以實現(xiàn)固定路徑漫游。單擊任一株毛竹，還可以很方便地查看其相關信息，包括毛竹的竹高、胸徑、冠幅、枝下高、坐標等信息（圖10）。

圖2　不同生長狀態(tài)的毛竹模型Figure 2　Moso bamboo models with different growth state

利用ArcGIS強大的空間統(tǒng)計功能，在屬性表中可以很方便地根據(jù)毛竹地不同屬性信息進行匯總統(tǒng)計，不僅可以很方便地統(tǒng)計出整個林分毛竹相關屬性的極值、平均值、標準差等，也可以根據(jù)毛竹年份、所在的網(wǎng)格號、存活狀態(tài)分別進行匯總統(tǒng)計，并且根據(jù)需要創(chuàng)建相應的圖表（圖11，圖12）。

圖3　毛竹三維點圖Figure 3　3D points of moso bamboo

圖4　插值結果Figure 4　Interpolation result

圖5　生成等值線Figure 5　Create contour

圖6　疊加地表貼圖后效果Figure 6　Superposition of surface map

圖7　導入毛竹模型Figure 7　Import moso bamboo model

圖8　毛竹林分整體三維圖Figure 8　3D map of whole moso bamboo stand

圖9　毛竹林內(nèi)部情況Figure 9　Internal situation of moso bamboo stand

圖10　查看毛竹信息Figure 10　View information of moso bamboo

圖11　毛竹徑階分布Figure 11　Distribution of moso bamboo diameter grade

圖12　毛竹林新竹株數(shù)Figure 12　Number of new bamboo in moso bamboo stand

4　結論與討論

本研究集成應用OnyxTREE BAMBOO，3ds Max建模軟件和ArcGIS中的ArcScene軟件，主要將前者的三維建模功能和后者的三維顯示功能相結合，實現(xiàn)毛竹林分的三維可視化，取得較好的可視化效果。觀察者既可以俯視整片竹林，掌握竹林的整體生長情況，又可以近距離觀察毛竹，精確了解任一毛竹相關信息。

研究探索出一套完整的毛竹林可視化技術方法，此方法可操作性強，將它應用于毛竹林可視化經(jīng)營管理，不僅可以真實反映毛竹林分的當前生長狀況，也可用于直觀展現(xiàn)竹林采伐或自然干擾后的林分狀況，為進一步研究毛竹林動態(tài)變化的可視化奠定了基礎。

在毛竹林可視化的過程中還存在一些有待進一步研究的問題。交互式參數(shù)化建模所建立的模型精度越高，內(nèi)存占有量越大，特別是在大場景森林可視化中，如何平衡模型精度和計算機硬件性能之間的關系是有待解決的重要問題。本研究聚焦于林分層次上的靜態(tài)毛竹林可視化技術探索，中等配置計算機即可滿足要求，可以很方便地實現(xiàn)竹林內(nèi)的漫游，查看任意單株毛竹當前的生長狀態(tài)和屬性信息，也可以對竹林采伐等干擾后的狀態(tài)進行模擬。在林地可視化中，用竹子坐標點生成的TIN模型表面與真實的地表起伏仍存在一定的差距。另外，由于疊加到TIN表面的林地地表貼圖屬于柵格圖像，當對地表近距離觀察時，可能會出現(xiàn)柵格地面，導致圖像一定程度的失真，從而影響林地的可視化效果。特別當從林分拓展到包括景觀等大尺度的動態(tài)場景可視化模擬時，則可以考慮引入注重不同尺度的細節(jié)層次技術（LOD），以提高可視化效率。

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Visualization for a Phyllostachys edulis stands

ZHAO Saisai1，TANG Mengping1，2，TANG Sijia1，ZHANG Jun1，LI Lan1，PANG Chunmei3，ZHAO Mingshui3
（1.School of Environmental and Resource Sciences，Zhejiang A&F University，Lin’an 311300，Zhejiang，China；2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration，Zhejiang A&F University，Lin’an 311300，Zhejiang，China；3.Management Office，National Nature Reserve of Mount Tianmu，Lin’an 311311，Zhejiang，China）

Moso bamboo（Phyllostachys edulis），a special type of forest with high economic value and ecological benefits，requires scientific management that will effectively protect the ecological environment as it promotes economic benefits.Therefore，to provide a new technology and methodology for improved scientific management of the moso bamboo stand，the 3D modeling function of BAMBOO OnyxTREE and 3ds Max software were combined with the 3D display function from ArcScene software in ArcGIS to realize a 3D visualization of the bamboo stand.Next，a moso bamboo stand with a standard sample plot size of 100 m×100 m was chosenin the National Nature Reserve of Mount Tianmu，Zhejiang Province.Total Station was used to measure the three dimensional coordinates of each moso bamboo，as well as diameter at breast height（DBH），bamboo height，branch height，and crown width.Based on survey data，3D models of different growth state of bamboo were made by OnyxTREE BAMBOO and 3ds Max.These were then imported into ArcGIS and overlaid with DEM in ArcScene to make a visualization of the moso bamboo stand.Results showed a favorable visual effect. The observer could not only overlook the entire bamboo stand，but could also virtually go into the stand to see the specific growth state of moso bamboo，such as living or dead，standing or curving，and broken or lodging，as well as the rolling woodland surface.By clicking on a bamboo，relevant information was easily obtained including height，DBH，crown width，and branch height.In addition，real-time roaming within the bamboo stand was realized in ArcScene，and fixed path roaming could be realized by setting the roaming path.Additionally，roaming animation could be saved as a video format for output.From this study，a set of complete visualization techniques for the moso bamboo stand with favorable operability was obtained that could not only reflect the current growth situation of the stand，but could also display the stand status after cutting or natural disturbance，and provided a foundation for further study on the visualization of a moso bamboo stand’s dynamic change. ［Ch，12 fig.1 tab.23 ref.］

forest mensuration；moso bamboo（Phyllostachys edulis）forest；visualization；OnyxTREE BAMBOO；3ds Max；ArcGIS；digital elevation model；Mount Tianmu

S758.61

A

2095-0756（2016）05-0826-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.05.014

2015-09-09；

2015-11-08

國家自然科學基金資助項目（31170595）；國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201504303）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD22B0503）；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目（20101561）

趙賽賽，從事森林可持續(xù)經(jīng)營理論與技術研究。E-mail：zs310512310@163.com。通信作者：湯孟平，教授，博士，博士生導師，從事森林可持續(xù)經(jīng)營理論與技術研究。E-mail：tmpzafu@163.com

浙 江 農(nóng) 林 大 學 學 報，2016，33（5）：826-833

Journal of Zhejiang A＆F University