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毛竹Phyllostachys edulis又名楠竹,它不仅具有较高的经济价值和社会价值,而且发挥着十分重要的生态功能[1]。科学经营管理毛竹林不仅能有效地保护生态环境,而且对中国毛竹生产应用等方面经济效益的发挥具有十分重要的现实意义。因此,如何提高毛竹林经营管理的技术水平一直是关注的焦点问题。可视化是利用图像处理技术或是计算中产生的数字信息变为直接的计算机图形,将已有的数据呈现在研究者面前,是研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术[2]。计算机可视化技术的发展为森林可视化管理提供了可能。森林可视化主要包括林木可视化和林地可视化。林木可视化技术按照建模方法的不同,可分为基于规则几何体建模[3]、交互式参数化建模[4-6]和基于图像纹理的建模[7-8]。基于规则几何体建模和基于图像纹理的建模具有建模方法简单,内存占用小的特点,但是林木表达比较粗略,真实感较差,近视点效果不够理想。交互式参数化建模是通过设定相关参数完成树木造型,能够快速地创建出逼真的树木模型,是林木可视化的实用方法,但是在大场景的可视化上,容易造成数据冗余,影响系统运行速度[9]。因此,有学者研究运用细节层次技术(levels of detail,LOD)提高森林场景的渲染效率,取得了不错的可视化效果[10-12]。林地可视化是地面起伏状态的可视化描述。数字高程模型(digital elevation model,DEM)是地形三维可视化中最常用的技术[13]。DEM有许多种表示方法,其中不规则三角网(triangulated irregular network,简称TIN)模型与其他DEM模型相比有着不可替代的优点。TIN模型可以根据地形的具体特点和复杂程度而确定采样点的密度和位置,这样可以避免数据冗余,并且可以相对准确地表达地形的结构和细部分析[14]。另外,还可以通过叠加图像纹理、分形纹理和地表地物的方式,提高地形的真实性[15]。森林可视化的方法有很多种,每种方法都有各自的优缺点,并且每一种方法都是针对具体情况而言。目前,毛竹林分可视化方面的研究还很少见报道。本研究以浙江省天目山国家级自然保护区的毛竹林为研究对象,在林分尺度上,探讨集成应用美国Onyx Computing公司的OnyxTREE BAMBOO软件[16]、Autodesk公司的3ds Max建模软件[17]和美国环境系统研究所的ArcGIS[18-19]等多种软件相结合实现毛竹林三维可视化的技术方法。采用专业竹子建模软件OnyxTREE BAMBOO进行毛竹基本模型的创建,具有逼真的视觉效果。以此为基础,在3ds Max中创建出活竹、死竹、断竹、裂竹、倒竹等多种状态的毛竹模型。最后,在ArcGIS中,采用TIN模型上叠加林地地表贴图的方法,对毛竹林地进行可视化表达,再叠加基于毛竹模型的符号化点要素图层,实现毛竹林可视化。本研究提出集成应用多种软件实现毛竹林可视化的技术方法,操作简单,用户容易掌握,可视化效果逼真,不需要复杂而费时的编程,为毛竹林可视化经营管理提供了新的技术方法。
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2009年7月,在浙江省天目山国家级自然保护区内,用全站仪建立了1块面积为100 m × 100 m的近自然毛竹林固定标准地,标准地中心海拔840 m,主坡向南偏东30°。利用相邻网格法[23],将标准地划分100个10 m × 10 m单元网格。用全站仪对单元网格内每株毛竹进行精确定位,测定毛竹基部的三维坐标(x, y, z)。同时,调查每株毛竹的胸径、竹高、枝下高、冠幅等因子,以及死活、受损等生长状态因子(表 1)。此后,每年对毛竹固定标准地进行复查。本研究采用2014年的复查数据。
存活状态 受损状态 竹秆形态 状态名称 存活 完整 直立 活完直 弯曲 活完曲 倒伏 活损倒 受损 破裂 活损裂 折断 活损折 多种损伤 活损多 死亡 完整 直立 死完直 弯曲 死完曲 倒伏 死损倒 受损 破裂 死损裂 折断 死损折 多种损伤 死损多 Table 1. Classification of moso bamboo growth state
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为了满足毛竹单株建模的需要,以样地调查数据中毛竹的平均胸径为参考,选取胸径大小适中的5株毛竹,伐倒后详细测量各项参数,包括竹秆每竹节的长度、宽度,每个竹节点的扩展、宽度、枝下高、角度、簇级数等。选取最长一级分枝和二级分枝,按与竹秆相同的参数进行测量。此外,还测量竹叶的长度、宽度、底长和梢长等参数。
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OnyxTREE BAMBOO是由Onyx Computing公司开发的一款专门用来创建竹子及竹林模型的建模软件,它可以创建单株竹子模型及在指定的区域内创建由多株竹子组成的竹林。通过调整各项参数的值,它可以创建不同种类竹子模型,还可以创建处于不同生长阶段的竹子模型[16]。
3ds Max是由美国Autodesk公司开发的一种基于矢量的三维造型和动画设计软件,它主要是运用计算机图形生成和图形处理技术模仿真实现象,建立具体的模型,可以制作出非常逼真的三维实体及动画[17]。
ArcGIS是美国环境系统研究所开发的软件,是世界上最广泛的地理信息系统(GIS)软件之一。ArcScene是ArcGIS三维分析模块3D Analyst的核心,它具有管理3D GIS数据,进行3D分析,编辑3D要素,创建3D图层以及把二维数据生成3D要素等功能,同时提供强大的三维可视化和空间分析能力[18-19]。