大規(guī)模森林景觀可視化模擬技術(shù)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(xì)致直觀的反應(yīng)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(shù)方案來解決當(dāng)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(gòu)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(dāng)前森林的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shí)的指導(dǎo)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(dāng)前大規(guī)模森林景觀的構(gòu)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(jī)需要耗費(fèi)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(jī)需要對大規(guī)模的可見面片進(jìn)行實(shí)時的渲染及動態(tài)的模擬。普通PC機(jī)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(shí)時渲染則常常出現(xiàn)加載慢、幀率低（10FPS以下），CPU負(fù)載過高甚至死機(jī)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(shù)，研發(fā)了大規(guī)模

4、森林景觀可視化模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了森林景觀的快速構(gòu)建和交互式可視化模擬，解決了大規(guī)模森林景觀的實(shí)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(shè)和高效管理提供了一個實(shí)用的平臺。最后，選取新疆霍城果子溝林區(qū)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(chǔ)數(shù)據(jù)源，使用自主研發(fā)的模擬平臺實(shí)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(xiàn)主要集中在以下幾點(diǎn)上:
　　(

5、1)林木實(shí)時渲染及優(yōu)化表達(dá)技術(shù)
　　提出了一種基于樹木模型拆分并通過網(wǎng)格掩碼實(shí)現(xiàn)林木個體多樣化表達(dá)的方法。樹木模型是構(gòu)建森林景觀的基本元素，樹木模型的結(jié)構(gòu)組成和數(shù)據(jù)復(fù)雜度直接關(guān)系到大規(guī)模森林景觀的實(shí)時渲染效率。結(jié)合前人的研究，使用改進(jìn)型的IFS系統(tǒng)對樹木結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、使用簡化的單曲線模型對冠形進(jìn)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(yīng)的模型進(jìn)行標(biāo)識以建立各類樹種的子模型

6、庫。子模型具有各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)及紋理LOD，這樣也能增加更多的樹木的層次細(xì)節(jié)，增強(qiáng)樹木個體的視覺表現(xiàn)。在進(jìn)行單木實(shí)體渲染時，可通過掩碼的隨機(jī)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(yuǎn)端的樹木個體進(jìn)行優(yōu)化處理，以加快單木模型的實(shí)時渲染。
　　(2)基于改進(jìn)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(fèi)系統(tǒng)大量的時間，大大降低系統(tǒng)的實(shí)用性和可操

7、作性。因此，在渲染時必須對森林景觀中實(shí)體對象進(jìn)行有效的組織和管理。通過對大規(guī)模場景組織結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn):大規(guī)模森林景觀的場景類型應(yīng)該是一個靜態(tài)場景與動態(tài)場景所組成的混合結(jié)構(gòu)。綜合對場景圖和八叉樹理論的分析，從程序設(shè)計的角度提出了基于改進(jìn)型場景圖理論的大規(guī)模森林景觀的場景管理設(shè)計方案。其主要思路是利用場景節(jié)點(diǎn)關(guān)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(diǎn)OctreeNode都繼承場景節(jié)點(diǎn)SceneNode，使八叉樹的節(jié)點(diǎn)不僅

8、能夠表述其空間分布特點(diǎn)，還能夠繼承場景圖所表述的實(shí)際層級關(guān)系。這樣，在大規(guī)模森林場景構(gòu)建時，使用場景管理器可以同時實(shí)現(xiàn)森林場景樹與八叉樹的協(xié)同管理。使用改進(jìn)型的場景圖理論實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模森林景觀中的靜態(tài)和動態(tài)實(shí)體的高效管理，減少了實(shí)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(shí)時渲染及動態(tài)模擬技術(shù)研究
　　大規(guī)模森林景觀的實(shí)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(shí)時繪制。為實(shí)現(xiàn)

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

10、硬件實(shí)例化與頂點(diǎn)紋理拾取融合的技術(shù)能夠大幅的降低內(nèi)存占用和CPU負(fù)載，是非常理想的實(shí)例化實(shí)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(xiàng)相關(guān)技術(shù)的研究工作、算法實(shí)踐，從功能模塊、性能、結(jié)構(gòu)組成等方面詳細(xì)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(yàn)區(qū)，對果子溝林區(qū)近300 km2的森林景觀進(jìn)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(dá)200萬個，初步實(shí)現(xiàn)了林場