基于虚拟植物的古树名木三维管理信息系统的设计与实现

王晶晶，唐丽玉，林 定，林郁欣

(1.福州大学 福建省空间信息工程研究中心 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福建 福州 350002；2.福州林景行信息技术有限公司，福建 福州 350002)

基于虚拟植物的古树名木三维管理信息系统的设计与实现

王晶晶1，唐丽玉1，林 定1，林郁欣2

(1.福州大学 福建省空间信息工程研究中心 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福建 福州 350002；2.福州林景行信息技术有限公司，福建 福州 350002)

古树名木管理的现代化和信息化，是衡量一个地区或城市市政公共资源管理水平的重要标准。利用虚拟植物和地理信息系统的集成技术，实现了基于虚拟植物的古树名木三维管理信息系统的设计和开发。在系统功能需求分析的基础上开展系统体系结构的设计，并基于Visual Studio 2008开发工具和OpenGL图形标准，实现了实用化系统。系统具有古树名木的档案管理、古树周边环境的三维重建、三维场景中单株木信息查询等功能。系统的推广应用，将大大促进古树名木管理与保护工作的规范化、信息化和可视化。

古树名木；信息管理；虚拟植物

古树名木是指有百年以上树龄、珍稀的树木，是中华悠久历史的见证和体现。古树名木的保护对研究城市的生物资源、植物分布、环境变迁、物种遗传特性和历史文化遗产具有重要的科学价值，对发展城市旅游业也具有重要的意义。目前，已有研究学者提出了古树名木信息管理系统的解决方案[1-3]，但是，常规的古树名木信息管理系统大多以二维图片、统计报表等形式的档案管理和信息记录为主。单一的信息管理模式，缺乏古树名木三维直观表达及其周边环境的三维场景的再现，不易激发保护意识，没有为相关部门实施管理、保护以及复壮、移植等措施提供全方位的信息。利用虚拟现实技术模拟古树名木适宜的真三维环境，构建一个形象逼真、具沉浸感的辅助平台。依托一个真实的古树名木三维信息环境，在表现古树名木形态结构的同时，有利于调查分析古树名木衰亡的原因，促进古树名木复壮和保护工作的有效开展和推广。

纵观植物三维建模工作的研究历程和成果，虚拟植物已经被广泛应用于农业生产、教育和精准农业[4]，生物学科教学[5-6]，虚拟实验和虚拟农场、森林[7]，虚拟植物舞蹈动画和电影事业[8]等领域。基于面剖分的二维地理信息系统由于其空间局限性和缺乏可视化能力，逐渐被真三维GIS所替代。而三维地理信息系统在数字城市[9]、油气勘探[10]、地学[11]等多领域的应用研究正在如火如荼地进行着。

本文有效集成虚拟植物模拟新技术和三维地理信息系统，设计并实现了集古树名木信息管理、古树名木及周边环境的三维可视化于一体的实用型古树名木三维管理信息系统。

1 系统业务功能

三维管理信息系统主要针对林业信息管理的业务需求而设计。系统业务功能包括古树名木档案数据的建库、建档管理，古树名木三维表达及信息查询，古树名木周边环境的模拟和交互编辑等方面。具体的业务功能描述如下：

(1)古树名木信息管理：古树名木档案数据库的日常维护管理和信息查询。其中数据库管理包括树种信息的添加、删除、修改、查询等二维信息管理；古树名木信息查询是指根据场景中树木的位置和名称，查询并显示数据库中记录的信息。

(2)古树名木虚拟植物建模：系统集成单株植物参数化建模工具[7]。用户可根据特定植物的形态结构特征，通过交互地设置、调整主干(树高、胸径、半径变化、分节数、树干纹理等)、枝条(着枝角度、各节枝条的起始半径、半径变化、枝条长度等)和叶(叶的大小、分布频率、叶距、叶序、纹理等)的参数，形成具有较强的真实感、符合植物的形态结构特征和满足用户需求的植物模型。

(3)古树名木周边环境的模拟和交互编辑：根据古树名木的冠幅、树高、胸径等参数，确定其周边建筑物、围栏、道路等空间位置，为城市规划、绿化和改建以及古树名木的保护工作提供一个数字化管理平台。

2 系统体系结构

根据业务需求，将古树名木三维管理信息系统的总体结构划分为：表现层、逻辑层、数据层三个层次，如图1所示。

图1 系统体系结构Fig.1 Architecture of system

表现层体现了系统的综合业务功能和用户需求。表现层主要包括四大模块：(1)古树名木信息管理模块：包括古树名木编号、树种、生长地点、保护级、行政区别、生长状况、管理情况等主要信息和日常管理养护中的各种信息；(2)古树名木三维模型定制及展示；(3)环境交互式编辑：可根据古树名木周围环境，选择建筑物、道路等环境要素进行编辑，以形成三维景观；(4)虚拟场景漫游模块：实现场景的前进、后退、左转、右转、抬高、降低等手动漫游方式，以及设置场景漫游速度的自动漫游方式。

逻辑层是系统的核心层，体现了系统构成和组织实现过程，是对系统的整体逻辑结构和特征的描述。逻辑层的主要模块包括：数据库通信、植物建模、基于DEM的三维地形生成、三维场景中其他要素的建模与管理。采用四叉树数据结构组织场景，并利用LOD、对象实例化等技术简化场景，在漫游过程中根据视点相关性实现不同LOD层级的动态调度，以有效减少几何绘制的复杂度，解决三维场景中要素繁多、数据量大的问题。

数据层主要支撑系统运行所需的各种数据信息。系统运行所需的基本数据主要包括：数字高程模型、遥感影像数据、典型古树名木模型库、古树名木信息表、其他环境要素(三维建筑物、围栏、道路模型等)数据等。

3 系统实现与应用实例

系统在Visual Studio 2008开发环境下，采用OpenGL图形标准，集成参数化单树建模引擎[7]，实现了古树名木及其三维管理信息系统的构建。系统支持通用的三维模型格式(*.obj)，古树名木档案通过SQL Server数据库或文件形式导入数据库，实现二维信息的查询、浏览、统计、汇总和三维模型的显示与编辑。

3.1 古树名木形态结构三维建模

本系统借助于交互式参数化单树建模工具OntoPlant-ParaTree[7]进行古树名木植物建模。该建模工具的原理：采用树状结构组织整个树木模型各器官的拓扑关系；把一棵树分解为主干、枝条、叶、花、果实等组织或器官，其中枝条可继续划分为一级枝条、二级枝条、…、k级枝条。一级枝条着生于主干，二级枝条着生于一级枝条，以此类推；根据具体植物的特征计算叶、花、果实等器官的着生位置。各级器官由一组参数进行控制，通过实时地、交互式地、可视化地调整形态结构特征参数及其分布特点，形成真实感较强的不同树种、年龄、物候期的三维植物模型。典型模型库中现已建有福州市鼓楼区白檀(一级保护植物)、柚木(一级保护植物)、榕树(一级保护植物)等多种古树名木模型。

本文选取的古树名木应用实例模型为白檀，该古树位于福州市鼓楼区白马路，属一级保护植物，树龄300年，长势良好。利用OntoPlant-ParaTree软件建模之前的准备工作包括：(1)对白檀进行实地调查和相关资料收集，分析形态特征，如树高、冠辐、分枝级数、分枝状况、冠形，主干及分枝的直径、分枝数量、长度、夹角等数据，并拍摄树叶和树皮纹理；(2)对纹理进行图像处理，生成树叶(叶簇)树干纹理(见图2、3)；(3)利用交互式参数化单树建模工具OntoPlant-ParaTree，建立白檀三维形态结构模型(见图4(a))。

图2 白檀树皮纹理Fig.2 Symplocos paniculata bark texture

图3 白檀叶片纹理Fig.3 Symplocos paniculata leaf texture

图4 白檀的模型和实拍照片对比Fig.4 Comparison of Symplocos paniculata model image and photograph

3.2 古树名木信息查询

古树名木信息查询主要是以福州市古树名木信息调查表为基础，建立古树名木数据库，数据项包括古树名木编号、区名、树种、学名、科名、栽植地点、树龄、树高、胸径、冠幅、立地环境条件、生长状况、病虫危害情况、保护级别、养护责任人、人文传说、确认时间、经纬度坐标、备注等内容。根据古树名木栽植地点的地理坐标，把古树名木三维模型“种植”于三维地形，形成树木的三维分布图。在三维场景中，可以查询树高、胸径、冠幅、树龄、立地环境条件、生长状况、病虫危害情况等单株木信息，或通过SQL组合查询操作，高亮显示查询对象，如图5所示。

图5 三维场景中古树名木信息查询Fig.5 Information query system with 3D scene of ancient and famous trees

3.3 古树名木周边环境重建

名木古树具有重要的人文价值、生态价值、观赏价值和科学价值，为了防止古树名木遭到正常或非正常人为因素的破坏，护坝一般应离树5～10 m，高度以保证水土不再流失为宜[12]，因此周边建筑物的位置应与古树名木的生长位置距离保持在5～10 m以上。然而，随着城市规模的扩大和城市建设的推进，古树名木的生长环境受到了不同程度的影响与破坏。本系统通过辅助园林设计，能够真实表达古树名木四周的生长环境，如周边的房屋等人为搭建物。依托真实的三维场景，能够直观形象地掌握古树名木的生长环境，为古树名木的有效管理与保护工作提供一个直观、友好、可视化、数字化建设平台。

本文以白檀为例，其生长环境构建流程如下：首先，加载数字高程模型和地面纹理，形成地形景观；其次，在三维场景中交互式的“种”上白檀；然后，根据白檀周围的对象信息建立相应的三维模型；最后，根据白檀的冠幅信息以及其周边环境的对象信息，交互式地放置围栏和建筑物等对象形成逼真的三维场景，白檀周边环境的构建示意图见图6。

图6 古树名木周边环境构建流程Fig.6 Flow diagram of constructing neighboring environment for ancient and famous trees

4 结 论

本研究利用虚拟植物和地理信息系统新技术，根据古树名木保护和管理的需要，设计并实现了基于虚拟植物的三维古树名木管理信息原型系统，系统应用四叉树有效组织场景，并利用LOD和对象实例化等技术加快场景渲染。系统能够真实模拟古树名木周边的三维环境，不仅能满足古树名木管理的基本需要，而且有助于分析古树名木的生长环境对其生长、复壮等保护措施的影响。试验表明，基于虚拟植物的古树名木三维管理信息系统能够促进古树名木管理和保护工作的高效化、现代化和信息化，是配合国家森林城市建设、加强城市生物多样性保护和建设宜居城市的重要内容；系统在古树名木保护与复壮、林业部门实验林管理、景观园林规划等方面具有非常好的应用前景。系统将进一步扩展，集成射频(RFID)技术和卫星定位系统(GPS)，使系统具有动态监测的功能。

致谢：本文编写过程中，福建省福州市园林科学研究院提供了福州市古树名木的数据信息表，在此表示衷心的感谢！

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Design and realization of 3D management information system for ancient and famous trees based on virtual plant

WANG Jing-jing1, TANG Li-yu1, LIN Ding1, LIN Yu-хin2
(1.Key Lab.of Spatial Data Mining and Information Sharing of Education Ministry, Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University, Fuzhou 350002, Fujian, China;2. Fuzhou Linjingхing information Technology Co.Led., Fuzhou 350002, Fujian , China)

The modernization and informatization management of ancient and famous trees’ management is an important standard with which the municipal public resource management level of a region or city can be measured. Design and development of ancient and famous trees three-dimensional management information system based on virtual plant was realized, which madke use of integrated techniques of virtual plants and Geographic Information System. The system architecture design was developed on the basis of functional requirements, and the practical system was achieved in Visual Studio 2008 development tools and OpenGL graphics standards. The system has function of ancient trees archives management, three-dimensional reconstruction of the trees surrounding environment,individual tree information inquiry in three-dimensional scene, etc. Application and dissemination of this system will greatly promote the management and protection of ancient and famous trees standardization, informalization and visualization.

virtual plant; ancient and famous trees；information management

S759.5;TP391

A

1673-923X(2012)02-0060-04

2011年10月15日

国家自然科学基金项目(30972299)；欧盟第七框架项目(FP7-2009-People-IRSES, No.247608)；福建省自然科学基金项目(2010J01203)

王晶晶(1986—)，女，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向为虚拟地理环境与数字区域模型；E-mail: wangjingjing_хj@163.com

唐丽玉，副研究员，博士，主要从事地学可视化与虚拟地理环境、虚拟植物方面的研究；E-mail: tangly@fzu.edu.cn

[本文编校:邱德勇]