基于gis的森林景觀可視化技術(shù)研究

基于gis的森林景觀可視化技術(shù)研究

森林相位圖是根據(jù)學(xué)生的小組數(shù)和以林場(chǎng)為單位繪制的普通地圖材料。地圖上反映的因素包括小組地類、優(yōu)勢(shì)樹種、年齡組、面積等。傳統(tǒng)手工繪制林相圖存在工作量大,反映內(nèi)容少,缺乏直觀性且更新慢等缺點(diǎn)。隨著機(jī)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的普及,數(shù)字林相圖逐漸取代傳統(tǒng)的林相圖,成為森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃中常用的二維平面圖。數(shù)字林相圖是利用抽象的符號(hào)表示各種樹種,但是難以表現(xiàn)同一小班內(nèi)樹種組成及空間分布等信息,從信息載的意義上講已經(jīng)飽和。三維林相則相對(duì)彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)。三維林相即森林景觀可視化,不僅提供相關(guān)森林資源信息,如地類、樹高、蓄積量、面積、歷史變化信息及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,而且還能提供直觀、形象的三維可視化仿真空間,對(duì)森林資源經(jīng)營(yíng)管理具有重要意義。因此,森林景觀可視化技術(shù)在森林經(jīng)營(yíng)管理中具有巨大的應(yīng)用潛力。森林景觀可視化在林業(yè)中的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。在國(guó)內(nèi)外研究中,大多注重樹木個(gè)體建模和虛擬森林三維場(chǎng)景的再現(xiàn),忽視森林景觀中其他地物(建筑物、道路、河流等),使得森林景觀不夠逼真。同時(shí)在三維景觀制作方面,存在平臺(tái)單一,場(chǎng)景制作技術(shù)復(fù)雜及應(yīng)用局限性[4,5,6,7,8,9,10,11,12]。不僅如此,建立森林景觀可視化系統(tǒng),需要處理海量數(shù)據(jù)。如何利用現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù),快速、批量地生成三維模型,如何既實(shí)現(xiàn)逼真的場(chǎng)景效果又滿足GIS空間分析、屬性查詢等需要也是森林景觀可視化研究的難題。GoogleSketchUp的出現(xiàn)使得在ArcGIS平臺(tái)下進(jìn)行森林景觀三維可視化成為可能。針對(duì)目前森林景觀三維可視化研究和應(yīng)用中存在的以上問題,本研究以浙江省天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林景觀為例,提出基于SketchUp和GIS兩者相結(jié)合方法進(jìn)行森林景觀可視化研究。利用SketchUp快速批量處理GIS數(shù)據(jù)的功能,達(dá)到快速建模的目的。此技術(shù)既利用現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)批量生成三維模型,又滿足GIS空間分析、屬性查詢功能,同時(shí)兼顧模型和場(chǎng)景真實(shí)感。從而使人工地物和自然景觀同時(shí)進(jìn)行可視化,實(shí)現(xiàn)森林景觀更加逼真,形象,給人一種直觀的感受。1生物圈保護(hù)區(qū)型森林空間特征浙江省天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于浙江西北部臨安市境內(nèi)的西天目山,主峰仙人頂海拔為1506m,是中國(guó)東部中亞熱帶北緣森林的一個(gè)代表地段,對(duì)反映南方同類型森林空間特征有顯著的代表性。1986年該地區(qū)被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),1996年又被接納為聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)成員。保護(hù)區(qū)總面積為4284hm2,區(qū)劃共105個(gè)小班,其中5個(gè)為無林班。研究區(qū)中不僅有古樹等自然景觀,也有禪源寺等人文景觀;不僅是重要的旅游之地,也是生物圈保護(hù)的重要之地。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行森林景觀可視化研究,可以通過海量三維空間數(shù)據(jù)可視化顯示,提取森林景觀空間信息,為制定保護(hù)區(qū)旅游規(guī)劃和森林經(jīng)營(yíng)管理措施提供可視化分析方法。2學(xué)習(xí)方法2.1維繪制工具GoogleSketchUp是Google公司于2006年推出的一套直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的工具集合,具有強(qiáng)大的三維繪制功能,界面簡(jiǎn)單,容易入手,可快速和方便地對(duì)三維模型進(jìn)行創(chuàng)建、編輯、修改和渲染,目前有2個(gè)版本:Free版和Pro版,但只有在Pro版本才能運(yùn)行SketchUpESRI插件。2.2森林景觀可視化SketchUpESRI插件是專為GoogleSketchUpPro和ArcGIS結(jié)合推出的,包括2個(gè)部分:GISPlugin和3DAnalystSketchUp3DSymbolSupport,兩者分別裝在SketchUp和ArcGIS的安裝目錄下。利用插件進(jìn)行森林景觀可視化的技術(shù)方法:ArcMap中加載并導(dǎo)出矢量數(shù)據(jù),SketchUp中三維建模,ArcCatalog中創(chuàng)建NewPersonalGeodatabase,將SketchUp中的3D模型導(dǎo)入Multipatch數(shù)據(jù)中,在GIS中森林景觀場(chǎng)景和模型相疊加并實(shí)現(xiàn)漫游、空間分析等操作。其具體操作和流程見圖1。3數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理3.1建筑物數(shù)據(jù)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括天目山自然保護(hù)區(qū)1∶1萬地形圖、森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、二維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(CAD數(shù)據(jù))、建筑物高度數(shù)據(jù)、地物影像數(shù)據(jù)。矢量化地形圖獲取數(shù)字高程模型(DEM)高程數(shù)據(jù),全站儀和GPS-RTK采集必要的地形地物等控制點(diǎn)和碎部點(diǎn)信息,利用全站儀懸高測(cè)量法獲得建筑物的高度,數(shù)碼相機(jī)獲取建筑物、道路、水體等地物的真實(shí)影像數(shù)據(jù)。3.2面屬性標(biāo)記整理獲取外業(yè)采集的測(cè)量碎部點(diǎn)信息后,在AutoCAD下對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯繪制。對(duì)于建筑物、水體、道路用復(fù)合線繪制成面。刪除不必要的圖層、符號(hào)、注記等,保留建筑物、水體、道路等面狀或線狀地物(圖2)。然后,在ArcGIS下利用Conversiontools工具將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成.shp格式的矢量數(shù)據(jù)。精確設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng),并根據(jù)研究區(qū)地理位置和實(shí)際工作需要,在ArcCatalog下選擇“Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_40”為平面投影坐標(biāo)系統(tǒng)(圖3)。在ArcGIS中把建筑物、水體、道路等轉(zhuǎn)化為面屬性,由于在轉(zhuǎn)出的過程中,點(diǎn)、線、面的屬性表中屬性字段增加,為減少數(shù)據(jù)量,刪掉不必要的屬性字段,整理添加各自所需屬性字段(如拉伸高度、樓層數(shù)、地物名稱、用途等),并輸入屬性值。最后通過ArcGIS與SketchUp之間轉(zhuǎn)換插件3DAnalystSketchUp3DSymbolSupport工具將定義了投影坐標(biāo)的Shape文件轉(zhuǎn)入到SketchUp里面,即坐標(biāo)系統(tǒng)也帶入到SketchUp中,目的是GIS和SketchUp中的坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致性,這在3DGIS中是非常關(guān)鍵的。4以場(chǎng)景為基礎(chǔ)對(duì)象的2類虛擬場(chǎng)景中構(gòu)建的地理對(duì)象是根據(jù)三維空間分布特征而劃定的,可以分為2類:一類是以場(chǎng)景為基礎(chǔ)對(duì)象,如地形、樹種等分布,這類對(duì)象在空間上連續(xù)分布,成為地形景觀對(duì)象。另一類是離散實(shí)體為特性的對(duì)象,如建筑物、道路、水體等,這類對(duì)象以獨(dú)立的個(gè)體而存在,稱為獨(dú)立地物對(duì)象。4.1起伏地形上的道路建模根據(jù)GIS中地理要素的分類,可將獨(dú)立地物分為:點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素,這3種獨(dú)立地物要素均可在SketchUp中實(shí)現(xiàn)批量快速三維建模。在地理環(huán)境中,樹木、指示牌、垃圾桶、路燈等往往被抽象成點(diǎn)狀要素。對(duì)于點(diǎn)狀地物的建模,可采用從Googleearth網(wǎng)絡(luò)資源下載點(diǎn)狀地物組件或者在SketchUp中直接建模的方法。線狀要素主要是指墻體、電力線、道路等,其特點(diǎn)是只有簡(jiǎn)單的面和線構(gòu)成,通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、填充相應(yīng)材質(zhì)屬性等方法構(gòu)建立體效果。而對(duì)位于起伏地形上的道路建模,利用SketchUpESRI插件,將天目山TIN數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp中,利用SketchUp中沙盒(Sandbox)工具欄中的拉伸(Drape)生成起伏的效果,便可實(shí)現(xiàn)平面道路到起伏地形曲面的投影。在地物三維建模中,建筑物等面狀地物模型的建模難度和工作量最大,但由于在ArcGIS中將.shp格式的Polygon文件轉(zhuǎn)換成.skp格式時(shí),已將高度屬性作為拉伸字段自動(dòng)生成了面地物(建筑物、水體等)高度,形成了實(shí)際地物的輪廓圖。因此只需要在原有的基礎(chǔ)上,通過拉伸、擠壓等修飾方可構(gòu)建。這在建立大范圍的三維建筑模型時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間和工作量(圖4)。一般情況下,河流低于周圍地形,沿Z軸反向拉伸。地物的真實(shí)性很大程度取決于材質(zhì)紋理,其材質(zhì)和紋理的處理方法為:利用軟件自帶的材質(zhì)或利用數(shù)碼相機(jī)獲取建筑的真實(shí)材質(zhì),然后在Photoshop中利用裁剪、銳化、壓縮等功能,清除無用的材質(zhì),最后利用SketchUp材質(zhì)生成器轉(zhuǎn)換成.skm格式,作真實(shí)地物的貼圖紋理,以體現(xiàn)研究區(qū)建筑物的實(shí)際情況(圖5)。4.2森林場(chǎng)景的三維建模森林場(chǎng)景的三維建模主要包括林地三維地形建模和林木三維個(gè)體建模技術(shù)。4.2.1森林景觀可視化樹種模型創(chuàng)建方法設(shè)計(jì)樹木的三維建模是景觀可視化的基礎(chǔ)。就個(gè)體尺度建模而言,現(xiàn)有的樹木建模軟件和方法較多,可以用簡(jiǎn)化的3D符號(hào)、2D圖形、3D面疊加整合、OnyxTree以及TheAMAPSYS-TEM等來表達(dá)。本研究主要運(yùn)用2種方法。方法一,采用基于圖像紋理十字交叉的三維樹木建模方法,根據(jù)樹高和拍攝點(diǎn)到樹木之間的距離,拍攝樹木照片,在Photoshop下處理樹木照片獲取樹木紋理,在3DMAX軟件中利用十字交叉的方法創(chuàng)建三維樹木模型。本研究經(jīng)試驗(yàn)證明:此方法具有效果逼真、內(nèi)存占有量少,渲染時(shí)間短,大大緩解了在森林可視化過程中因數(shù)據(jù)量大給計(jì)算機(jī)帶來的內(nèi)存壓力,為森林景觀可視化研究探索出一種有效的方法。但是對(duì)于生長(zhǎng)較為復(fù)雜的樹木,則制作方面較為繁瑣。方法二,由于保護(hù)區(qū)內(nèi)有4個(gè)含有毛竹Phyllostachysedulis和雷竹Phyllostachysviolascens的小班,竹既有叢生竹,又有散生竹,紋理復(fù)雜,不易采用方法一制作。而OnyxTreeBamboo插件是美國(guó)OnyxComputingInc.公司開發(fā)的OnyxTreeProfessional商業(yè)樹種可視化軟件的插件之一,用于創(chuàng)建各種3D竹子模型。本研究利用OnyxTreeBamboo創(chuàng)建竹子的3D模型。此方法制作時(shí)間較短,可根據(jù)生長(zhǎng)情況創(chuàng)建各種角度的符號(hào)。但是由于建模精度增加,內(nèi)存占用量增加,所以運(yùn)用OnyxTree創(chuàng)建的三維模型不適用于含有大量樹木的森林可視化。鑒于此,考慮到場(chǎng)景的真實(shí)性,本研究采用2種方法相結(jié)合的方式。此外,美國(guó)環(huán)境資源研究所ESRJ公司推出的地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中自帶的一些三維樹木符號(hào)庫(kù)(3DForest),也在本研究中得到應(yīng)用。4.2.2班級(jí)屬性表創(chuàng)建森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)每10a進(jìn)行1次,以小班為調(diào)查的基本單元,記錄了每個(gè)小班的權(quán)屬、地類、面積、樹種組成、平均胸徑、平均高、郁閉度、疏密度、蓄積量、株數(shù)等信息。根據(jù)紙質(zhì)林相圖,對(duì)小班線進(jìn)行矢量化,并輸入小班調(diào)查數(shù)據(jù),創(chuàng)建小班屬性表,共有105個(gè)小班,小班內(nèi)主要優(yōu)勢(shì)樹種:柳杉Cryptomeriafortunei,杉木Cunninghamialancelata,黃山松Pinustaiwanensis,馬尾松Pinusmassoniana,樟樹Cinnamomuncamphora,櫟樹Quercussp.,楓香Liguidambarformosana,椴樹Tillasp.,雷竹和毛竹等10多個(gè)樹種。4.2.3利用c++編程算法獲取樹木點(diǎn)位置并進(jìn)行工根據(jù)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),每個(gè)小班的樹木株數(shù)較多,如果對(duì)每株樹木進(jìn)行可視化,則占用內(nèi)存大,從而影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。研究采用小班樹木株數(shù)的20%,然后利用C++編程算法,采用隨機(jī)方法產(chǎn)生樹木點(diǎn)位置,并從TIN上獲取樹木點(diǎn)的高程數(shù)據(jù);根據(jù)樹種組成,按比例分配各樹種的樹木點(diǎn)數(shù)量。對(duì)每個(gè)樹種創(chuàng)建1個(gè)樹木圖層,即建立樹木3D點(diǎn)符號(hào)圖層(圖6)。4.2.4鍵技術(shù)dem數(shù)字地形模型(digitalterrainmodel,即DTM)是森林場(chǎng)景的重要組成部分。三維地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是構(gòu)造地形場(chǎng)景的基礎(chǔ),關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字高程模型(DEM)的表達(dá)。DEM數(shù)據(jù)組織較多的是用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型或規(guī)則網(wǎng)格(GRID)模型。本研究采用是對(duì)天目山1∶1萬地形圖底圖進(jìn)行等高線矢量化,創(chuàng)建.shp文件,構(gòu)建TIN,生成數(shù)字高程模型DEM。并在ArcScene中將TIN和小班面圖層以及各樹種的3D點(diǎn)符號(hào)加載進(jìn)來,小班面獲取TIN上的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,用三維樹木符號(hào)替代3D樹木點(diǎn)符號(hào),實(shí)現(xiàn)森林場(chǎng)景的可視化(圖7)。4.3在arcgi的文件類型中進(jìn)行相關(guān)分析和屬性查詢以上建模完成后,需要把森林場(chǎng)景和獨(dú)立地物模型進(jìn)行疊加,實(shí)現(xiàn)森林景觀三維可視化。由于SketchUp中的一個(gè)組件(Group)對(duì)應(yīng)ArcGIS中的一個(gè)Multipatch。因此,應(yīng)根據(jù)3DGIS的需要對(duì)不同的建筑、植物、道路、水體等分類創(chuàng)建成組件,并分成不同的圖層,對(duì)每個(gè)組件添加實(shí)體屬性信息(例如,建筑物名稱、層數(shù)、用途等),目的是在輸出的結(jié)果里不同組件對(duì)應(yīng)不同的屬性記錄,以便在ArcGIS中利用不同組團(tuán)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和屬性查詢。為了利用GIS強(qiáng)大的空間分析與數(shù)據(jù)管理功能,創(chuàng)建一個(gè)NewPersonalGeodatabase,利用SketchUpPlugin插件將三維模型轉(zhuǎn)化為ESRIMultiPatch(*.mdb)文件類型,把三維模型輸出為*.mdb格式的文件。在ArcGIS的ArcScene或ArcGlobe中將小班數(shù)據(jù)、3D樹木符號(hào)、地形場(chǎng)景與三維地物模型數(shù)據(jù)相互疊加,實(shí)現(xiàn)直觀、逼真的森林景觀可視化(圖8A)。由于利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析與數(shù)據(jù)管理功能,根據(jù)實(shí)際情況,可在屬性信息表里添加相應(yīng)的字段并輸入有關(guān)的信息,比如:建筑物可以包含樓房建造的年代、功能、主要用途等;樹木可以包含樹木年齡、胸徑、冠幅、材積等指標(biāo),實(shí)現(xiàn)管理和輔助分析。同時(shí),可以根據(jù)自己的需要利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析能力進(jìn)行有關(guān)森林景觀格局分析,例如在三維場(chǎng)景的瀏覽過程中,通過視點(diǎn)的切換和地形紋理的改變可以使景觀在效果上突出局部區(qū)域的林種分布狀況及地形信息(圖8B)。在空間分析中,可進(jìn)行最優(yōu)路徑選擇,從而判斷撲救森林火災(zāi)最佳路徑,以及最佳旅游路線的選擇,森林景觀規(guī)劃與分析等。5森林景觀可視化建模本研究將SketchUp和GIS技術(shù)兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了森林景觀可視化。首先,矢量化地形圖,創(chuàng)建樹木圖層、小班圖層,建立森林場(chǎng)景;其次,利用全站儀與GPS采集地物坐標(biāo)信息,在AutoCAD中成圖;利用ArcGIS與SketchUp之間的插件把shape文件導(dǎo)入SketchUp中,進(jìn)而在SketchUp快速批量化建模,將建好三維模型導(dǎo)入Geodatabase中存儲(chǔ),最終利用GIS強(qiáng)大的空間分析與數(shù)據(jù)管理能力,實(shí)現(xiàn)天目山森林景觀可視化。實(shí)踐證明:根據(jù)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、地形圖和地物采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)森林景觀三維可視化,是對(duì)森林景觀中的小班、地形和地物主要空間信息的直觀、形象表達(dá),是對(duì)二維林相圖的新發(fā)展,為森林資源信息管理提供了新的可視化技術(shù)方法,可為森林可視化管理、分析、指揮、決策提供技術(shù)支持,并對(duì)具有沉浸式、交互式森林旅游開發(fā)和森林景觀規(guī)劃具有現(xiàn)實(shí)意義。6大規(guī)模三維可