基于GIS与RS三维虚拟林相图可视化技术研究

陈 利 ，王福生 ，管远保 ，陶 冀 ，林 辉

（1.湖南省林业调查规划设计院，湖南 长沙 410007；2.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

基于GIS与RS三维虚拟林相图可视化技术研究

陈 利1，王福生1，管远保1，陶 冀1，林 辉2

（1.湖南省林业调查规划设计院，湖南 长沙 410007；2.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

三维可视化能够使抽象概念且难以直接感知的空间现象现实化以及直观化，利用此技术可以对林地植被进行模拟，虚拟演示林地分布情况，能够获得各种超越现实的空间感知的经验。本研究以湖南省长沙县乌川湖村作为实验区，以1∶10 000的地形图、分辨率为0.5 m的航片以及2013年二类森林资源调查数据等为数据源，充分利用各种数据的优势，把各种数据融为一体，突破了传统的二维林相图，探索出了基于GIS平台的三维林相图的制作，通过三维林相图的制作，不仅能够体验三维森林景观空间变化，立体的、多角度的了解森林组成，直观了解森林空间结构及分布规律，还能够进行查询以及定位功能，方便了林业部门的生产经营和管理。

林业遥感；三维虚拟林相图可视化技术；林相图；GIS和RS

林业是生态建设的主体, 保持生态环境平衡，是国民经济的重要组成部分之一, 是社会经济能够可持续发展的一项公益事业及基础产业。世界中的物体都是三维的[1]，为了更好的表达真实的三维世界，只能利用可视化技术把真实三维的现实世界投影到二维平面上[2]。

三维可视化能够使抽象概念且难以直接感知的空间现象现实化以及直观化，利用此技术可以对林地植被进行模拟，虚拟演示林地分布情况，由此能够获得各种超越现实的空间感知的经验。以计算机图形学及图像处理技术等为基础，把地球表面某一地域的空间数据信息在屏幕上以三维图像或图形的形式显示出来，并能够进行交互式处理的一种新的技术[3-4]。

目前，三维可视化在林学及计算机图形学领域是研究的一个热点，从简单的林木三维建模到辅助进行的林分空间结构合理化，都提供了一种全新的森林生产经营理念和方式，这为上级领导决策和森林管理部门提供科学的依据[5-7]。

随着地理信息系统、计算机、数字高程模型、三维可视化等高新技术的不断发展,能够实现三维地形表面的逼真还原[8]。如何快速、高效逼真地利用三维可视化技术以及虚拟现实的技术来显示，是专家和学者们研究的一个重点[9]。近年来，三维计算机图形学发展迅速，新的理论和方法层出不穷，其在各行各业应用的深度与广度也在日益增大。目前适用于空间数据可视化方法很多，但应用最为广泛的是GIS可视化方法、虚拟现实技术、基于数学建模的可视化技术等[10]。三维可视化技术使得传统静态、平面的地图向动态、三维的方向发展，并成为了GIS与数字制图领域的一个比较新的研究课题[11-13]。

森林是现实世界的一个重要组成部分，可视化技术的不断发展和完善，为实现林相图的三维可视化奠定了良好的基础[14]。虚拟林相是 3S 技术与计算机三维可视化技术有机结合的产物，林相图的制作从二维林相图到数字林相图，然而现在的三维虚拟林相图的制作是目前研究的重点以及热点。

虚拟三维林相图能够直观、准确、交互地在计算机上模拟大面积森林所在的地形、树种组成、树高、起源、分布等信息[15]。因其有机地结合了二维林相图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点，同时又克服了二维林相图的三维信息缺乏和三维虚拟林相场景漫游的方向迷失感，所以真正做到了两者的优势互补[19]。虚拟三维林相的最大特点是直观性，以活立木的形式来表现林相信息。

为了克服纸质林相图树种分布不直观的缺点，可以为数字林业提供大量信息，实现了森林的规划设计、抚育、更新和管理的可视化。本研究以湖南省长沙县乌川湖村为研究对象，利用1∶10 000地形图进行矢量化获取TIN、DEM高程数据，并结合分辨率为0.5 m的航片以及长沙县的二类森林资源调查数据等资料，建立了具有真实感的虚拟三维林相图，探索出一套快速、高效的三维林相图制作技术与方法。从而辅助森林管理经营进行正确地决策；能够实现漫游仿真和三维图像渲染，为森林旅游提供宣传工具。

1 研究区概况

乌川湖村位于长沙县江背镇东部，乌川湖村位于江背镇东部，地理坐标：东经 113° 20′15″～113° 25′38″， 北 纬 28° 05′30″～ 28°09′50″， 是 长沙县第一大村，占地31.4 km2，距长沙市区约40 km，海拔30～120 m，坡度较缓，森林资源较丰富，植被类型多。地理位置优越，交通方便。村内群山环抱、山水相依，生态环境质量优良。研究区的示意图见图1。

图1 研究区示意Fig.1 Location of the studied area

2 研究方法

2.1 数据源

本研究以湖南省长沙县乌川湖村作为实验区，长沙县乌川湖村1∶10 000的地形图、分辨率为0.5 m的航片以及2013年长沙县乌川湖村二类森林资源调查数据等为数据源。本次研究采用的是GCS_Xian_1980坐标系统以及Gauss_Kruger投影系统。

2.2 TIN模型及DEM模型

图2 研究区的航片Fig.2 Aerial images in the studying area

TIN是一种矢量的拓扑结构，主要通过边和结点之间的关系及三角形的面和边结点之间的关系来表示地形各参考点之间的关系。由于TIN具有不规则性以及丰富几何拓扑关系，因而TIN数据结构在三维数字地形的表示中是最复杂的。TIN既存储了相应点三维坐标信息，也存储描述了三角网间的拓扑关系信息。在生成TIN之前需要对纸质的地形图进行矢量化，矢量化在ARCGIS中进行，矢量化后的结果见图3。对地形图矢量化后再生成TIN之后，TIN模型见图4。

图3 地形图矢量化后的结果Fig.3 Results of topographic map after vector quantization

图4 TIN模型Fig.4 TIN model

利用遥感及航空影像等数据，并根据等矢量化地形图建立的数字高程模型（DEM），进行地形景观的建模能够获取有效的纹理数据及高程等数据[16-17]。将影像的纹理叠加在DEM上，就能够生成一幅比较真实地反映地形外观的一些特征渲染图，从而实现各小班的地形与林相的三维可视化表达，建立的DEM模型见图5。

图5 DEM模型Fig.5 DEM model

2.3 三维林相图

利用地形图矢量化之后生产的TIN模型，叠加林相图相关信息使得地形图与TIN模型融为一体，得到较好的地形表达效果及较强的立体感，如图6所示。

图6 三维林相Fig.6 Surface three-dimensional visualization forest map

2.4 三维虚拟林相图

虚拟的森林资源三维可视化林相系统主要由空间属性数据处理、三维显示、三维漫游组成，能够实现林相三维模型旋转变换、实时漫游、动画效果等[18]。三维图像的显示是利用数字林相图与数字高程模型进行叠加，得到的三维地形可视化。在ArcScene环境中，可以利用三维场景漫游进行虚拟林相漫游，能够体验三维森林景观空间变化，可立体的、多角度的了解森林组成，更直观的了解森林的总体概况，并且能够进行查询以及定位功能。三维林相图能对林资源的空间结构组成及其分布规律等进行准确、直观、清晰地表达，能够得到形象、逼真三维可视化的效果，如图7所示。

图7 三维虚拟林相Fig.7 Three-dimensional virtual forest map

利用0.5米的航片作为场景的纹理，更加逼真的显示真实效果，通过航片的叠加使得效果更佳明显，视觉感更强，效果更加逼真，如图8所示。

图8 叠加遥感影像的三维虚拟林相Fig.8 Three-dimensional virtual forest map overlaid remote sensing images

3 结论与讨论

本研究以湖南省长沙县乌川湖村作为实验区，以二调数据以及航片作为数据源，与数字高程模型相结合，把二维的林相图转化为三维的林相图，能够更佳直观、清晰、形象、逼真的显示三维可视化效果。主要结论如下：

(1)突破了传统的二维林相图模式，把二维林相图转向三维林相图，得到了直观、逼真的三维可视化效果，可以立体多角度了解森林组成及总体状况，并且能够进行查询与定位。

(2)利用数字高程模型与遥感影像叠加，把叠加之后的遥感影像作为三维林相图的纹理，以森林资源调查的小班信息建立三维场景，将小班属性于空间信息相结合，具有更加生动、形象的三维可视化效果。

基于GIS平台建立三维林相图场景制作方法，为林业部门三维林相图的制作奠定了良好的基础，同时也为林业部门的决策提供重要的依据。

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3 D virtual visualization technology research of forest form map based on GIS and RS

CHEN Li1, WANG Fu-sheng1, GUANG Yuan-bao1, TAO Ji1, LIN Hui2
(1.Hunan Provincial Forest Inventory and Planning Design Institute, Changsha 410007, Hunan, China; 2.Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Three-D visualization technology can make the abstract conceptions and the space phenomena that difficult to directly perceive reality and visualization. Therefore, the technology can be used to simulate woodland vegetation, to demonstrate forest land distribution with virtual method and can abstract various kinds of experiences and concepts of spatial perception beyond the reality that is hard to direct perception of reality and visualization space phenomenon. This study takes Wuchuanhu village of Changsha county in Hunan province as the experimental area, based on the 1∶10 000 topographic maps, the aerial photo with resolution of 0.5 meter and the second class forest resource survey data taken in 2013 as the data sources, and takes full use the advantage of a variety of data, then integrates a variety of data, breaks the traditional two-dimensional forest map, fi nally explores the making method of 3-D forest map based on GIS platform. Through the 3-D forest map making, we can not only taste the changes of forest landscape in three-dimensional space, understand the forest composition with three-dimensional and multi-angle and more intuitively understand the forest spatial structure and distribution law; but also can complete the inquiry and positioning function, thus it is convenient for the forestry sector’s production and business operation and management

forestry remote sensing; three dimensional virtual visualization of forest map; GIS and RS; forest form map

S757.4+8

A

1673-923X(2014)11-0107-04

2014-08-09

国家十二五高技术研究发展计划（863计划）课题：“数字化森林资源监测关键技术研究”（012AA102001）；国家自然科学基金资助项目（31370639）；湖南省高校产业化培育项目（13CY011）

陈 利（1987-），男，湖南衡阳人，助理工程师，硕士研究生，主要从事林业遥感和地理信息系统研究；

E-mail：csufcl@126.com

林 辉（1965-），女，湖北黄冈人，教授，博士，博士生导师，主要从事森林经理学、遥感技术与地理信息系统的教学和科研工作

[本文编校：吴 毅]