文獻(xiàn)綜述-樹木可視化

1、1.2.1樹木三維可視化模擬技術(shù)樹木三維可視化模擬技術(shù)目前，用于構(gòu)造植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型很多，大致可分為3大類：第1類模擬用于生成僅從視覺上近似于植物的計(jì)算機(jī)圖形，注重視覺效果的逼真性，而不是植物學(xué)理論的真實(shí)性；第2類模型稱為靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型，是利用三維數(shù)字化方法測定具體植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)后直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)構(gòu)造特定植物的形態(tài)模型；第3類模型是動態(tài)結(jié)構(gòu)模型，能模擬植物的動態(tài)生長過程（郭焱等，2001；劉興龍等，2008）。有關(guān)樹木形態(tài)生長可視

2、化模擬的建模方法主要有以下幾種：分形法（L系統(tǒng)、IFS法、DLA模型法）、幾何結(jié)構(gòu)法、粒子系統(tǒng)法、隨機(jī)過程法和特征綜合推理法。（1）分形法理論生物學(xué)家Lindenmayer提出了著名的基于文法、側(cè)重于植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的L系統(tǒng)（Lindenmayer，1968）；Mech與Prusinkiewicz提出了所謂的“開放式（open）L系統(tǒng)”；為了模擬植物的連續(xù)生長過程，Prusinkiewicz等還提出了時(shí)變L系統(tǒng)。為了能夠進(jìn)一步應(yīng)用微分方程表

3、示植物的連續(xù)變化過程，Prusinkiewicz等又提出了微分L系統(tǒng)。加拿大Calgary大學(xué)的Prusinkiewiez等人，以L系統(tǒng)為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的描述框架，開發(fā)了Vlab虛擬植物系統(tǒng)（Prusinkiewiez，1975）。李大錦、徐盛、袁震東等人應(yīng)用L系統(tǒng)算法來模擬樹木在不同環(huán)境下的生長狀況（李大錦，2007）。L系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的植物模擬方法，它強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與植物生長機(jī)理的結(jié)合。但是，這種

4、方法也存在著一些缺陷。一方面，L系統(tǒng)生成一個(gè)字符發(fā)展序列是一個(gè)并行迭代過程，這和植物并行生長的特征相吻合?；谶@個(gè)特點(diǎn)，用L系統(tǒng)模擬植物的生長，提取其生長規(guī)則是關(guān)鍵，由于高大植物的生長規(guī)則不易提取，所以L系統(tǒng)不能很好的模擬高大植物；另一方面，在L系統(tǒng)具體編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，形式語言的表示方法比較復(fù)雜，而且由于在產(chǎn)生式中同時(shí)描述植物的幾何結(jié)構(gòu)信息和拓?fù)湫畔ⅲ斫夂褪褂靡脖容^困難。迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS（IteratedFunctionSystem）是

5、分形幾何中的重要研究內(nèi)容之一。Barnsley和Demko用IFS方法生成了具有極強(qiáng)自相似特征的蕨類植物葉片（Barnsley，1985）。馬石安、陳傳波對基于迭代函數(shù)的樹木模擬方法進(jìn)行了探索。李慶忠、韓金姝探討幾種基于IFS的彩色樹木模擬技術(shù)，以及隨機(jī)因素和迭代概率對樹木形態(tài)的影響（李慶忠，2004）。祁燕等采用IFS方法和隨機(jī)參數(shù)化方法，構(gòu)造出三維桃樹和楓樹的模型（祁燕，2005）。仲蘭芬等生成了單軸分枝和合軸分枝兩類樹木的IFS碼

6、（仲蘭芬，特征綜合生成模型可分為兩類:基于定義性特征綜合的植物生成模型和基于描述性特征綜合的植物生成模型。毛衛(wèi)強(qiáng)，耿衛(wèi)東，潘云鶴等用這種方法模擬了樹木生長季節(jié)形態(tài)變化。隨著數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在植物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，近年已有一些學(xué)者開展了植物構(gòu)筑型動態(tài)模擬技術(shù)的研究（Fisher，1992；Kurth，1994；Guoyan，2001），使植物構(gòu)筑型的研究逐漸向定量化和科學(xué)化發(fā)展。熱帶地區(qū)對樹木地上部分構(gòu)筑型的研究相對應(yīng)，在溫帶和寒溫

7、帶地區(qū)歐美植物學(xué)者開展了大量的有關(guān)草本植物，特別是無性系植物（clonalplant）地下莖構(gòu)筑型的研究，并成功進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬（Clausnitzer，1994；Godin，1996；Lynch，1997），大大提高了人們對植物的構(gòu)件的關(guān)系及其變化規(guī)律的認(rèn)識。陳敏智等探討了利用參數(shù)化L系統(tǒng)生成植物結(jié)構(gòu)模型的方法以及基于這些模型的植物形態(tài)可視化模擬，給出了模擬這些結(jié)構(gòu)模型所需的L系統(tǒng)的迭代公理和若干產(chǎn)生式參數(shù)（陳敏智，2007）。1.2

8、.2樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)模型研究樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)模型研究Barnsley提出了迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS（Barnsley，1985），此后，又不少學(xué)者對此算法研究和改進(jìn)。Oppenheimer提出了基于分形，利用基本參數(shù)控制，同時(shí)在植物生長新的子枝結(jié)點(diǎn)處對樹枝生長參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)擾動實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動畫制作（Oppenheimer，1986）。祁燕等采用隨機(jī)參數(shù)化方法，基于IFS分形算構(gòu)造出真實(shí)感較強(qiáng)的三維楓樹和桃樹的模型。李慶忠、韓金姝探討彩色樹木自然著色的方法、

9、自然光照狀態(tài)下各種樹影的繪制方法等幾種基于IFS的彩色樹木模擬技術(shù)，并研究了隨機(jī)因素和迭代概率對樹木形態(tài)的影響（李慶忠，2005）。仲蘭芬等提出基于全局到局部的樹木計(jì)算機(jī)建模方法，用戶通過設(shè)定樹冠形狀來確定枝條的生長范圍，采用最短距離和分形方法控制枝條的生成（仲蘭芬，2007）。迭代函數(shù)系統(tǒng)在模擬植物自相似時(shí)的效果良好，但是對于一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的植物則顯得過于單一，不能表現(xiàn)自然植物的豐富多彩的形態(tài)。樹木枝條空間格局及其生長變化是決定

10、樹木結(jié)構(gòu)和樹冠形狀的主要因素。由于枝條其自身的復(fù)雜性和多樣性，所以枝條的模擬也是樹木模擬的難點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，人們開始對樹木的冠形和枝系結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的研究，比較系統(tǒng)的有樹木構(gòu)筑型理論。Halle等將熱帶樹木劃分為23個(gè)基本的構(gòu)筑模式，并編制了檢索表（Halle，1978）。樹木構(gòu)筑型主要是由樹木的總體冠形、分枝角度、分枝方式和生長節(jié)律等構(gòu)成（臧潤國，1998）。蔣有緒，臧潤國等對海南島尖峰嶺樹木園熱帶樹木基本構(gòu)筑型的初步分析（蔣有