周湘红，罗为检

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

引言

随着近年来计算机技术、“3S”技术等学科的发展，“数字林业”已是当今林业信息化发展的一个必然趋势，数字化的浪潮极大地促进了林业生产力的发展[1]，三维虚拟林相的建立与可视化经营管理已成为当今国内外相关学者研究与关注的焦点。三维可视化是指在三维环境中观察图像或建立贯穿飞行，在虚拟的信息环境中进行查询检索、三维分析等的现实模拟技术[2-3]。DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型在研究与应用方面受到了广泛关注，它是由麻省理工学院的Chairesl Miller教授在1956年设计高速公路模型时提出的[4]。目前现行的数字高程模型(DEM)获取方式大致可以归纳为三类，即遥感立体影像构建法、采集等高线法与地面实测法。其类型主要有等高线模型、规则格网模型(GRID)和不规则三角网格模型(TIN)，每一种模型都有其独特的特点，TIN和GRID格网模型是目前应用最广泛的连续表面数字表示的数据结构[5-9]。3D Max具有真实的三维模型、逼真的色彩和高精度的输出产品，其纹理贴图技术在构建真实的单木三维模型方面具有重要的意义，但是在将模型转移或在其他软件载入模型时，往往会存在丢失贴图的现象，导致模型失真甚至不可用，目前相关学者常采用的是利用相对路径与绝对路径的相互转换[10]，由于二者的优缺点是相对的，因此合理的使用相对路径与绝对路径，使得纹理映射技术使用非常方便。在系统开发方面，利用.NET技术与ArcEngine技术实现二次开发，是当前常用的技术手段之一，ESRI公司发布的ArcEngine软件提供的ArcObjects组件含有丰富的封装程序集模块以及类型的对象，用户可以通过其特定的接口调用所需的功能，使用非常方便[11-13]。

目前国内外关于对如何利用ArcGIS技术、ArcEngine技术、计算机技术与可视化技术来实现森林资源可视化管理以及对采用OpenGL技术与软件开发工具构建三维虚拟林相的研究鲜有报道，在此基础上，研究提出结合图像处理工具与三维建模工具对黄丰桥林场的地形和树木进行模拟，利用面向对象的交互式编程语言与ArcObject二次开发组件包，实现林场的虚拟经营与可视化管理，它能实现森林场景的真实感表达，为用户提供视觉上的感受，弥补二维森林资源信息系统对于现实世界表达的逼真程度低的不足，提高森林场景的交互性与实时性，同时，为满足当前基于林场生产任务和业务管理的实际要求，做一些基础性的工作，使经营决策真正建立在科学规划及设计的基础之上，能因地制宜地依据生态系统规划进行科学地管理资源，从而使生产做到科学化、智能化。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄丰桥国有林场呈带状跨株洲攸县东西部，地处113°04′—113°43′E，27°06′—27°04′N，地貌以中低山为主，境内最高海拔1270 m，最低海拔115 m，坡度一般在20°～35°之间。林场地处中亚热带季风湿润气候区，年平均气温17.8 ℃；平均无霜期为292 d；平均日照时间为1612 h，太阳辐射量年平均448.965 kJ/m2；年平均降水量1 410.8 mm；现有林地总面积10 122.6 hm2；森林覆盖率达86.24%；典型地物类型主要有针叶林、阔叶林、竹林、灌木林地、农田、裸土地、水体、建设用地等。

1.2 数据采集及处理

1.2.1 数据采集

所用遥感影像为ASTER影像的3A01数据，数据名称为正射图像，影像成像时间为2012-04-20，空间分辨率为15 m，所用影像质量比较理想。

1.2.2 数据处理

主要采用图像几何校正和图像增强处理，几何校正利用SPOT5的5 m分辨率多光谱影像为标准影像对ASTER数据进行几何校正，共选取26个明显地物点，系统均方根误差为0.49，即精度控制在半个象元以内，基本满足研究所需的精度；图像增强主要采用了对比度增强和彩色增强两种图像增强方法，以提高影像质量，通过ENVI4.8软件的Equalization(直方图均衡化拉伸)功能，设定指定的DN值，对影像进行均衡化处理，达到了预期的效果。研究区影像处理后效果图如图1。

图1 研究区影像处理后效果图

1.3 研究方法

1.3.1 地形建模

地形模型是构成三维场景的基本要素，是进行三维可视化和空间分析的基础，对于地形建模的方法有许多种，数字高程模型(DEM)是目前进行三维可视化建模常用的模型之一，此次采用ArcGIS软件，对具有高程值的等高线进行处理，包括等高线的平滑、稀疏等处理，完成不规则三角网(TIN)的构建。不规则三角网(TIN)具有数据冗余少、构网灵活的优点，但是计算过程比较复杂，不便于与遥感图像进行直接复合分析，虽然表示的地形是连续的，但是三维显示的表面比较粗糙，而基于规则格网的表示方法计算简单，存储方便，因此将不规则三角网(TIN)转换成规则格网(GRID)，以实现地形建模。

1.3.2 单木建模

树木是森林的主体，三维真实树木模型的构建是再现森林可视化的一个重要组成部分，利用预先生成的一些树木二维图像映射图，来实时生成不同视点的场景画面，可以实现用户全方位观察三维树木，这一过程称之为单木建模[17]。利用Photoshop软件对所需的杉木、马尾松等研究区常见树种的二维图像进行特定的处理，以满足树木三维建模的需要，采用3D Max软件的纹理贴图功能，结合森林二类调查数据，为每个单木模型都赋予一个唯一的ID号，实现单木的三维模型(图2)，这种方法既能保证图像的显示效果，又能减少模型的数据量，从而实现用较小的数据量实现真实的三维场景。

图2 基于图像的三维单木模型

1.3.3 系统设计

利用ArcGIS Engine技术进行二次开发是当前常用的技术手段[18]，本系统采用C#作为开发语言，利用ArcGIS Engine9.3方法完成林分3D可视化经营系统的开发，是一个典型的林业GIS二次开发系统，主要包括森林经营管理子系统、林木管理子系统、属性漫游子系统和三大模块；设计的主要内容包括：一是虚拟林相表达：此次研究采用了数字高程模型(DEM)与单木三维模型叠加遥感影像的方法实现虚拟林相的表达，根据林场范围内的等高线数据和林相图，以小班为单位，直接读取等高线数据，通过Arcengine系列提供的Arcobject组件读取DEM格网数据与3 ds单木三维模型，并且叠加上ASTER数据，生成虚拟的森林三维场景；二是森林经营：研究根据林分的采伐量不超过间隔期内林木的生长量原则，综合考虑蓄积量采伐强度和株数采伐强度等，制定上层林郁闭度不应小于0.5的规则，用林木材积、冠幅、树高等要素来实现此规则。

2 结果与分析

2.1 DEM建模比较

为了取得较好的实验结果，研究在构建数字高程模型(DEM)时分别运用了不规则三角网(TIN)法与规则格网(GRID)法，进行对比分析，结果表明不规则三角网(TIN)在计算过程中比较复杂，而且不便于与遥感影像进行直接的复合分析，而规则格网形式的DEM，其每一个格网都是一个立体四边形，直接用格网(立体四边形)来表示三维地面，数据组织简单、存储效率高、检索速度快、使用十分方便。所以最终利用ArcToolBox工具箱将不规则三角网(TIN)转换成规则格网(GRID)，实现地形建模。研建的黄丰桥林场DEM图如图3。

图3 黄丰桥林场DEM图

2.2 基于ArcScene中的虚拟林相分析

ArcScene是ArcGIS三维分析模块3DAnalyst所提供的一个三维场景工具，它可以高效地管理三维GIS数据、创建三维要素、建立具有三维场景属性的图层以及进行三维分析，实现基本空间浏览功能包括放大、缩小、漫游、导航、飞行等，但是要实现相对复杂的森林可视化经营管理，让用户更加简单方便的交互式操作，满足林场基层的需求，进行ArcGIS二次开发成为了当前三维分析基本需求，研究利用ArcGIS的二次开发，更好的实现空间浏览和空间分析功能。

对于研究区树种图像只分了幼、中、成3个龄组(图4)，这和实际情况有较大误差，为了更为真实地反应树种在不同年龄的外形特征，应分更多的年龄段进行模拟才能让树种外形有连续性。

图4 三维数据库属性表

2.3 森林经营

通过IFeatureLayer接口获取用户输入的择伐条件(如胸径、树高、年龄等)或者间伐种类(群状间伐与带状间伐)，利用IQueryFilter接口遍历数据库中数据，根据判断规则if(useroles.Size> PlantSize)，调用Delete方法与Refresh方法，最终完成森林经营与管理(图5)；利用MSSQL Server建立详细的属性数据库和空间数据库，通过ArcSDE数据引擎对森林资源的属性数据和空间数据进行修改、插入、删除以及查询等操作，实时的更新林场森林状况。

(a) 择伐效果显示图

(b) 间伐效果显示图

3 结论与讨论

从森林虚拟技术入手，以小班为单位，建立DEM模型，利用基于图像的建模技术，构建单木三维模型，并叠加上遥感影像图，对森林进行三维场景的逼真显示，在此基础上，利用ArcGIS系列组件包开发出一套可行的森林可视化经营管理系统，并结合二类调查数据进行模拟和验证，主要结论如下：

1) 利用ViewGIS构建新的线状图层，然后对研究区扫描后的点阵数字图像进行手扶自动跟踪数字化处理，即地形图矢量化，方法操作简单，计算机运行速度快，而且在对等高线赋值时，可以进行等高线的连续处理，并且得到了较好的结果。

2) 规则格网(GRID)形式的DEM，其每一个格网都是一个立体四边形，直接用格网(立体四边形)来表示三维地面，数据组织简单、存储效率高、检索速度快、而且与影像纹理叠加取得的效果较为理想。

3) 利用ArcEngine技术与ArcSDE空间数据引擎，并结合上当前强大的MSSQL Server 2005数据库功能，在Visual Stadio 2008平台上，运用C#面向对象语言进行软件的二次开发，大大的降低了开发的难度，提高了人机交互操作的能力，符合当前开发需要。

4) 虚拟林相的表达与森林可视化经营管理的模拟，是现代林业发展的一个必然趋势，由于森林资源信息量很大，涉及面广泛，而且各类信息之间具有相

当复杂的关系，所以森林可视化要调用的数据量非常庞大，因此今后的研究与工作中要加强三维场景的简化与优化研究，简化地形模型、树木模型等，增强三维场景的实时显示功能以及动态监测过程。

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