發(fā)布時(shí)間：2020-07-09 12:41

【摘要】：我國(guó)國(guó)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(guó)森林資源清查可以獲取到我國(guó)森林資源的眾多數(shù)據(jù),但是卻無(wú)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(lái)解決當(dāng)前問題。森林景觀可視化是近年來(lái)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(yíng)采伐等干擾因子對(duì)森林景觀的影響,模擬出森林植被的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)于進(jìn)一步開展森林動(dòng)態(tài)變化研究以及森林經(jīng)營(yíng)管理都有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。同時(shí),森林景觀可視化可以從看似無(wú)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(yíng)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(gè)方面的問題。其一,大規(guī)模森林景觀往往含有百萬(wàn)棵以上的樹木以及其他不計(jì)其數(shù)的場(chǎng)景對(duì)象,計(jì)算機(jī)需要耗費(fèi)巨大的外存和內(nèi)存資源去存儲(chǔ)這些場(chǎng)景對(duì)象數(shù)據(jù)。其二,大規(guī)模森林景觀往往含有千萬(wàn)級(jí)以上的三角形面片,計(jì)算機(jī)需要對(duì)大規(guī)模的可見面片進(jìn)行實(shí)時(shí)的渲染及動(dòng)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(chǎng)景的渲染,但是對(duì)于百萬(wàn)顆樹木以上的大規(guī)模森林景觀實(shí)時(shí)渲染則常常出現(xiàn)加載慢、幀率低(10FPS以下),CPU負(fù)載過(guò)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(shí)渲染以及森林景觀數(shù)據(jù)占用內(nèi)外存資源過(guò)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(gè)實(shí)用的平臺(tái)。最后,選取新疆霍城果子溝林區(qū)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬對(duì)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(tái)實(shí)現(xiàn)了果子溝林區(qū)的森林景觀的可視化模擬。總的來(lái)說(shuō),本研究的主要貢獻(xiàn)主要集中在以下幾點(diǎn)上:(1)林木實(shí)時(shí)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(guò)網(wǎng)格掩碼實(shí)現(xiàn)林木個(gè)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(shí)渲染效率。結(jié)合前人的研究,使用改進(jìn)型的ifs系統(tǒng)對(duì)樹木結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、使用簡(jiǎn)化的單曲線模型對(duì)冠形進(jìn)行建模。通過(guò)對(duì)林場(chǎng)內(nèi)樹木個(gè)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(duì)相應(yīng)的模型進(jìn)行標(biāo)識(shí)以建立各類樹種的子模型庫(kù)。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(gè)體的視覺表現(xiàn)。在進(jìn)行單木實(shí)體渲染時(shí),可通過(guò)掩碼的隨機(jī)組合生成具有形態(tài)差異的樹木個(gè)體。同時(shí),使用幾何與圖像結(jié)合的方法對(duì)處于最遠(yuǎn)端的樹木個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化處理,以加快單木模型的實(shí)時(shí)渲染。(2)基于改進(jìn)型場(chǎng)景圖理論的大規(guī)模森林景觀場(chǎng)景管理由于森林景觀的數(shù)據(jù)量巨大、各類對(duì)象眾多,直接采用線性遍歷將耗費(fèi)系統(tǒng)大量的時(shí)間,大大降低系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性。因此,在渲染時(shí)必須對(duì)森林景觀中實(shí)體對(duì)象進(jìn)行有效的組織和管理。通過(guò)對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景組織結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn):大規(guī)模森林景觀的場(chǎng)景類型應(yīng)該是一個(gè)靜態(tài)場(chǎng)景與動(dòng)態(tài)場(chǎng)景所組成的混合結(jié)構(gòu)。綜合對(duì)場(chǎng)景圖和八叉樹理論的分析,從程序設(shè)計(jì)的角度提出了基于改進(jìn)型場(chǎng)景圖理論的大規(guī)模森林景觀的場(chǎng)景管理設(shè)計(jì)方案。其主要思路是利用場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)場(chǎng)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(chǎng)景節(jié)點(diǎn)scenenode,使八叉樹的節(jié)點(diǎn)不僅能夠表述其空間分布特點(diǎn),還能夠繼承場(chǎng)景圖所表述的實(shí)際層級(jí)關(guān)系。這樣,在大規(guī)模森林場(chǎng)景構(gòu)建時(shí),使用場(chǎng)景管理器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)森林場(chǎng)景樹與八叉樹的協(xié)同管理。使用改進(jìn)型的場(chǎng)景圖理論實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模森林景觀中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)體的高效管理,減少了實(shí)體對(duì)象遍歷的cpu開銷,加快了三維場(chǎng)景中的交互式可視化操作。(3)大規(guī)模森林景觀實(shí)時(shí)渲染及動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)研究大規(guī)模森林景觀的實(shí)時(shí)渲染需要同時(shí)滿足百萬(wàn)棵以上的非單一化樹木模型的實(shí)時(shí)繪制。為實(shí)現(xiàn)上述要求,對(duì)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(guò)對(duì)樹干、分枝以及樹葉等樹木分組模型庫(kù)進(jìn)行實(shí)例化,在渲染時(shí)通過(guò)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(lái)把實(shí)體的骨骼信息儲(chǔ)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(dòng)畫功能,實(shí)現(xiàn)森林場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)模擬。實(shí)驗(yàn)證明了基于硬件實(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(duì)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(gè)林區(qū)包括林木在內(nèi)的場(chǎng)景對(duì)象多達(dá)200萬(wàn)個(gè),初步實(shí)現(xiàn)了林場(chǎng)漫游、小班屬性數(shù)據(jù)檢索、查詢、記錄、修改等三維交互式操作功能,總體平均幀率可達(dá)20FPS以上,滿足了實(shí)際應(yīng)用需要。上述大規(guī)模森林景觀可視化模擬技術(shù)方法的提出及試驗(yàn),為森林資源的信息化建設(shè)和高效管理提供了一套可靠的解決方案。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S757

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2747469