大規(guī)模森林景觀可視化模擬技術研究.pdf

1、我國國土遼闊，森林資源種類豐富，森林面積和林木蓄積量均處于世界前列，全國森林資源清查可以獲取到我國森林資源的眾多數(shù)據(jù)，但是卻無法細致直觀的反應出這些資源到底分布在哪，不同區(qū)域的資源質(zhì)量又如何。為此，我們迫切的需要一種能夠直觀的反映森林資源分布狀況的技術方案來解決當前問題。
　　森林景觀可視化是近年來興起的能夠直觀表現(xiàn)森林結(jié)構及資源分布的一種方法。森林景觀可視化不僅可以直觀的展現(xiàn)出當前森林的結(jié)構格局，而且可以展現(xiàn)出病蟲害以及經(jīng)營采伐

2、等干擾因子對森林景觀的影響，模擬出森林植被的動態(tài)變化，對于進一步開展森林動態(tài)變化研究以及森林經(jīng)營管理都有現(xiàn)實的指導意義。同時，森林景觀可視化可以從看似無序的森林景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律，為森林景觀規(guī)劃和森林經(jīng)營管理提供重要依據(jù)，有助于森林資源的高效分析和管理。
　　森林景觀可視化可以有效的解決上文中提到的諸多問題。但是，當前大規(guī)模森林景觀的構建存在著以下兩個方面的問題。其一，大規(guī)模森林景觀往往含有百萬棵以上的樹木以及其他不計其數(shù)的場景

3、對象，計算機需要耗費巨大的外存和內(nèi)存資源去存儲這些場景對象數(shù)據(jù)。其二，大規(guī)模森林景觀往往含有千萬級以上的三角形面片，計算機需要對大規(guī)模的可見面片進行實時的渲染及動態(tài)的模擬。普通PC機的軟硬件條件支持小規(guī)模的森林場景的渲染，但是對于百萬顆樹木以上的大規(guī)模森林景觀實時渲染則常常出現(xiàn)加載慢、幀率低（10FPS以下），CPU負載過高甚至死機的情況。
　　基于上述原因，本研究提出了基于GPU的大規(guī)模森林景觀可視化模擬及優(yōu)化技術，研發(fā)了大規(guī)模

4、森林景觀可視化模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了森林景觀的快速構建和交互式可視化模擬，解決了大規(guī)模森林景觀的實時渲染以及森林景觀數(shù)據(jù)占用內(nèi)外存資源過多的問題，為森林資源的信息化建設和高效管理提供了一個實用的平臺。最后，選取新疆霍城果子溝林區(qū)作為實驗模擬對象，以森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等作為基礎數(shù)據(jù)源，使用自主研發(fā)的模擬平臺實現(xiàn)了果子溝林區(qū)的森林景觀的可視化模擬?？偟膩碚f，本研究的主要貢獻主要集中在以下幾點上:
　　(

5、1)林木實時渲染及優(yōu)化表達技術
　　提出了一種基于樹木模型拆分并通過網(wǎng)格掩碼實現(xiàn)林木個體多樣化表達的方法。樹木模型是構建森林景觀的基本元素，樹木模型的結(jié)構組成和數(shù)據(jù)復雜度直接關系到大規(guī)模森林景觀的實時渲染效率。結(jié)合前人的研究，使用改進型的IFS系統(tǒng)對樹木結(jié)構進行建模、使用簡化的單曲線模型對冠形進行建模。通過對林場內(nèi)樹木個體的觀察分析，將樹木模型拆分為樹干、分枝以及葉片等子模型，使用模型掩碼對相應的模型進行標識以建立各類樹種的子模型

6、庫。子模型具有各自獨立的結(jié)構及紋理LOD，這樣也能增加更多的樹木的層次細節(jié)，增強樹木個體的視覺表現(xiàn)。在進行單木實體渲染時，可通過掩碼的隨機組合生成具有形態(tài)差異的樹木個體。同時，使用幾何與圖像結(jié)合的方法對處于最遠端的樹木個體進行優(yōu)化處理，以加快單木模型的實時渲染。
　　(2)基于改進型場景圖理論的大規(guī)模森林景觀場景管理
　　由于森林景觀的數(shù)據(jù)量巨大、各類對象眾多，直接采用線性遍歷將耗費系統(tǒng)大量的時間，大大降低系統(tǒng)的實用性和可操

7、作性。因此，在渲染時必須對森林景觀中實體對象進行有效的組織和管理。通過對大規(guī)模場景組織結(jié)構的分析發(fā)現(xiàn):大規(guī)模森林景觀的場景類型應該是一個靜態(tài)場景與動態(tài)場景所組成的混合結(jié)構。綜合對場景圖和八叉樹理論的分析，從程序設計的角度提出了基于改進型場景圖理論的大規(guī)模森林景觀的場景管理設計方案。其主要思路是利用場景節(jié)點關聯(lián)場景圖與八叉樹，利用封裝和繼承的思想，使八叉樹內(nèi)的所有節(jié)點OctreeNode都繼承場景節(jié)點SceneNode，使八叉樹的節(jié)點不僅

8、能夠表述其空間分布特點，還能夠繼承場景圖所表述的實際層級關系。這樣，在大規(guī)模森林場景構建時，使用場景管理器可以同時實現(xiàn)森林場景樹與八叉樹的協(xié)同管理。使用改進型的場景圖理論實現(xiàn)了大規(guī)模森林景觀中的靜態(tài)和動態(tài)實體的高效管理，減少了實體對象遍歷的CPU開銷，加快了三維場景中的交互式可視化操作。
　　(3)大規(guī)模森林景觀實時渲染及動態(tài)模擬技術研究
　　大規(guī)模森林景觀的實時渲染需要同時滿足百萬棵以上的非單一化樹木模型的實時繪制。為實現(xiàn)

9、上述要求，對多種實例化技術的實現(xiàn)原理、內(nèi)存占用、CPU負載以及技術適用性等進行分析和研究，提出了一種基于硬件實例化與頂點紋理拾取融合的技術。使用硬件實例化方法通過對樹干、分枝以及樹葉等樹木分組模型庫進行實例化，在渲染時通過隨機組合能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的樹木實體的高效繪制。以頂點紋理提取技術來把實體的骨骼信息儲存為一張紋理，之后為相應的實體選擇正確的骨骼，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)硬件實例化技術所不具備的實體動畫功能，實現(xiàn)森林場景的動態(tài)模擬。實驗證明了基于

10、硬件實例化與頂點紋理拾取融合的技術能夠大幅的降低內(nèi)存占用和CPU負載，是非常理想的實例化實現(xiàn)方案。
　　(4)大規(guī)模森林景觀可視化模擬系統(tǒng)
　　綜合前面各項相關技術的研究工作、算法實踐，從功能模塊、性能、結(jié)構組成等方面詳細分析，建立大規(guī)模森林景觀可視化模擬系統(tǒng)原型。以新疆霍城縣果子溝林區(qū)作為本研究的試驗區(qū)，對果子溝林區(qū)近300 km2的森林景觀進行了三維可視化模擬。整個林區(qū)包括林木在內(nèi)的場景對象多達200萬個，初步實現(xiàn)了林場