三维管网自动建模研究

管线三维建模是构建数字城市的重要内容,目前,管网建模技术主要是基于手工或标准连接件的半手工建模,而三维管网的全自动建模存在建模过程复杂、效率低、模型质量差等不足。针对这一问题,本文提出了一种基于管线路径扫略、形体放样及布尔运算的复杂三维管线模型自动生成算法。根据截面形状参数曲线,运用图形变换,沿路径确定内插截面法线实现管线路径扫略三维模型构建;形体放样则是以放样截面间以各自顶点组成三角形为基元的小平面来构造管线表面,采用逼近方式拟合三维管线的整体形状;布尔运算的联合、交、差几何计算实现管网交叉贯通复杂模型的三维建模。通过实例验证,表明了该方法能够快速、高效实现任意复杂管网高质量三维模型的构建。     

虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法

在三维地质体模型构建过程中所采用的数据多为钻孔数据,而研究区域内原始钻孔数据通常数量有限且分布不均,难以构建出既能够准确地反映研究区域地质构造,又具有良好可视化效果的三维地质体模型。针对此问题,本文对虚拟钻孔概念进行延伸,提出了用于三维地质体建模不同阶段的三种虚拟钻孔概念,并基于此设计了一种虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法。首先,根据原始钻孔数据空间分布特征,自适应地确定插值点位,并采用克里金插值算法构建插值加密虚拟钻孔;其次,根据尖灭规则构建尖灭处理虚拟钻孔,采用改进的自适应蝴蝶细分算法构建细分光滑虚拟钻孔;最后,利用原始钻孔、插值加密虚拟钻孔、尖灭处理虚拟钻孔,以及细分光滑虚拟钻孔构建研究区域内符合地统计学规律且具有C¹几何连续性,可视化效果良好的三维地质体模型。与将虚拟钻孔作为专家知识补充手段的传统建模方法不同,该建模方法将虚拟钻孔引入三维地质体构建的各个环节中作为核心的算法中间单元,有效简化了建模算法的实现过程,确保了算法的稳定性与高效性。     

面向空间特征的虚拟树木建模方法与应用

树木的三维建模是建立虚拟森林环境的关键问题之一。基于树木形态结构特征分析,提出了面向对象的矢栅混合模型,并详细描述了主干、枝段、枝条和树叶之间的五组拓扑关系。结合L-system s和三维几何结构方法的优势,提出规则和约束的三维树木建模方法,该方法将分枝策略和叶片空间分布特征转化为规则,利用参数化L-system s实现,建模时将树木的空间几何特征和拓扑关系赋予树木模型,所建模型符合树木的生物物理特征。建模过程中通过阈值、模型调整和随机值约束,对模型参数进行控制,约束的内容包括树木结构、单叶尺寸、叶面积指数、随机性四个方面。最后,利用VC++与OpenGL实现了数据模型与建模算法,并利用实测数据进行了验证,所得模型比其他模型更符合于树木实际的形态结构参数和生物物理指标,有利于实现与树木空间结构相关的定性和定量分析。     

生长模型驱动的单株杉木三维动态模拟

虚拟植物是一种潜在、有力的植物分析辅助工具,而单株木生长模拟是森林生态系统模拟的基础。为了动态模拟杉木生长发育过程,提出了参数化单株木三维形态结构建模和与距离无关的单木生长模型的集成方法,其主要过程为：首先,根据杉木的形态结构特征,采用参数化建模方法建立特定生长阶段的三维静态模型;其次,根据生长模型预测不同年龄杉木的树高、胸径、枝下高和分枝轮数,并与树木三维静态模型几何描述参数建立联动;最后,采用参数曲线调整干径和枝径变化、枝条长度、分枝角等形态结构参数,使模型形态随树龄增长而变化。在自主研发的ParaTree系统上,扩展杉木动态生长模拟模块,并以福建省漳平五一林场的二类调查数据为例,动态模拟了杉木的生长过程。模拟结果表明,本方法可直观表达林分中林木个体平均生长状况和大体形态结构特征。树木三维模型描述参数与传统树木统计生长模型结合,有利于重用林业领域淀积大量的生长模型。     

林木多样性模型及生长模拟

林木生存环境复杂多变,导致林木形态千差万别,为了准确描述林木的形态多样性特征,提出了一种基于模型分解的林木生长模拟方法。首先构建多样性林木三维模型,使用林木形态的实际测量数据,基于B样条函数约束树干、树冠形态,依据削度方程模拟树干直径的变化趋势,利用Direct3D实现林木形态的三维建模;其次,按林木形态特征进行林木模型分解,将林木模型分为9个子模型;最后,使用场景节点按照拓扑结构关系对子模型进行动态组织,基于胸径、树高、枝下高、冠高和冠幅生长模型,使用多核CPU多线程并行的计算方式,获得各年龄阶段林木东、南、西、北方向形态参数,从而对子模型生长状态进行控制,实现林木不同方向生长变化的可视化模拟。结果表明：该方法可将林木三维模型与生长模型紧密结合起来,林木各方向的枝下高、冠高和冠幅严格按照生长模型进行生长,可有效模拟出林木各方向生长状态的多样性;三维场景渲染帧率（FPS）保持在25以上,平均FPS可以达到50,实现林木生长的方向异质性模拟。     

基于线性参照系统的虚拟高速铁路场景建模方法

虚拟高速铁路场景能够直观地表达线路实体及其周围的地形地貌,为高速铁路相关的管理决策和科学实验提供支持。针对高速铁路空间数据的线性分布特征和地物对象结构固定的特性,本文提出了基于线性参照系统的虚拟高速铁路场景建模方法。将高速铁路对象抽象和简化为可重复利用的模型,并使用线性参照工具进行模型的空间定位,以实现虚拟高速铁路场景的构建。本文首先探讨了高速铁路线路和线性参照系统的特点;然后,详细给出了构建虚拟高速铁路场景的流程、模型属性表和事件表的设计,以及几何约束方法;最后,选择案例区域开展试验。结果表明,该建模方法将建模对象以事件表的形式进行空间定位,减少了计算复杂性,并将属性数据与虚拟场景对象进行联接,可用于高速铁路的可视化管理和科学分析。     

基于全景图像的空地一体虚拟地理环境构建方法

与基于空间几何数据生成的虚拟视景不同,全景图能提供与现实世界一致的全视野体验,提高虚拟地理环境的视觉逼真度。本文设计了空地一体的虚拟地理环境构建方案并提出空中全景获取技术,研究全景图球面建模与全景信息编辑技术,使用LOD技术结合遥感影像和全景图数据构建虚拟地理环境,提出全景图像多尺度显示模型以及同全球虚拟场景融合的漫游与交互方法。通过在教学、科研中应用以及登封地区实验,验证了方法的有效性。     

格网计算法在空间格局分析中的应用--以贵州景观空间格局分析为例

格网地图与格网计算都是基于空间坐标系统来描述、分析、虚拟区域地理现象的有效方法之一。在空间格局分析应用中具有广阔的前景。景观类型的格网地图不仅能反映它们的空间分布,还能反映它们各自占据的生态空间情况。同时,格网地图还能将景观的空间异质性定量化、空间化和图形可视化表达。在格网地图和格网分析法的基础上,可以利用空间自相关分析、半方差分析等空间统计分析方法对景观的空间格局作进一步的深入研究。     

无人机遥感及3维建模技术在景区3维虚拟景观生成中的应用

主要探讨采用无人机航片、ETM影像、Quickbird影像、DEM数据和DLG数据构建景区3维虚拟景观的方法,重点介绍了多种遥感影像数据的处理、建筑物3维建模、数据的集成整合、3维虚拟景观生成等方面的内容,解决了影像的纠正、调色,3维建模优化,各类型数据的匹配,3维虚拟景观构建及扩展应用等技术问题.     

基于IMAGIS的城市三维建模

文章简要探讨了三维建模的常用方法,并以地形图和遥感影像为基础,运用IMAGIS软件进行了三维景观建模研究,通过地形图预处理、三维地形生成、地物建模、纹理映射等操作实现城市三维可视化。     

集成虚拟森林环境与景观指数计算模型的森林景观格局分析

森林景观格局分析是森林景观优化配置与实施规划的基础。本文以森林资源二类调查数据为基础,采用森林景观定量空间分析方法,在自主开发而成的森林景观可视化系统VisForest支持下,利用VS2008开发平台、ArcEngine组件与OSG图形渲染引擎,集成景观指数计算模型和地理信息系统的分析方法,形成森林景观格局分析与景观三维可视化模拟系统,实现了景观格局分析的定量化和景观可视化;并以闽侯县白沙国有林场2013年的数据为例,按优势树种划分森林景观类型,计算分析了景观组成结构、斑块特征和景观异质性等。结果表明,杉木林、马尾松林、湿地松林、木荷林、非林地是白沙林场的优势景观类型,总体景观类型丰富、景观异质性较高;木荷作为隔离带树种,以小面积狭长斑块居多,其形状指数和分形维数最大,斑块形状复杂而不规则;森林景观的三维可视化模拟为研究景观格局提供了一个直观、交互的展示平台。     

高逼真度虚拟森林环境的半球成像方法模拟分析

半球成像方法可广泛应用于植被结构参数及冠层光合有效辐射测量等领域。高逼真度虚拟森林环境的半球成像方法模拟及验证可用于定量评估半球成像方法测量精度及地面验证研究。但高逼真度虚拟森林环境下半球成像方法模拟面临场景复杂度高、面片数巨大、模拟效率低等难题。首先,论文以高逼真度虚拟森林环境构建原理建立了不同林分密度、树木分布模式、场景大小及树木种类等特征的虚拟森林环境库;然后,在采用光线跟踪算法开展半球成像方法模拟时,对比分析了4种数据结构分割平面搜索方法,即空间中分法、对象中分法、启发式排序法和启发式BIN分区法,结果表明,启发式排序法性能最佳;最后,以高逼真度虚拟森林环境库,对比分析了传统方法、Kdtree、BVH、Octree 4种数据结构方案组织、管理单树几何模型及虚拟森林场景两级数据集效率,并选择场景节点遍历数、单树几何模型节点遍历数、单树几何模型遍历数、面片遍历数及平均计算时间等参数作为衡量数据结构组织方案性能的定量化指标,研究发现Kdtree数据结构方案较其他3种数据结构方案更为优越,因此,其可作为高逼真度虚拟森林环境库的半球成像方法模拟之首选。     

Succession Features and Dynamic Simulation of Subalpine Forest in the Gongga Mountain, China

The Gongga Mountain of eastern Tibet Plateau is a representative of the alpine regions with high peaks and deep valleys. Climate change over the last thousand years has controlled the dynamics of glacier and debris flow occurrence, which resulted in substantial changes in the mountainous environment. The authors surveyed the community structure of primary forests in Gongga Mountain and forest successign processes in woodland plots. The changing features in the subalpine environment are discussed in this paper. Tree species and sizes between the glacier shrinking areas and debris flow fans in Hailuogou Valley are compared. The pioneer species that settle in debris flow fans and the glacier shrinking areas are Salix spp. and Populus purdomii. Abies fabri and Picea brachytyla are the climax tree species. The succession process of primary vegetation in Hailuogou (2700 ～ 3200 m) can be divided into four stages:     

Simulating impact of larch caterpillar (<Emphasis Type="Italic">Dendrolimus superans</Emphasis>) on fire regime and forest landscape in Da Hinggan Mountains,Northeast China

Larch caterpillar (Dendrolimus superans) is very common in the Da Hinggan Mountains, Northeast China, affecting fire regime and forest ecosystem change at large spatio-temporal scales. In this study, we used a spatially explicit landscape model, LANDIS, to simulate the changes of fire regime and forest landscape under four larch caterpillar disturbance intensity levels scenarios in Huzhong forest area, northern of Da Hinggan Mountains. The results indicate that larch caterpillar disturbances would decrease ...     

基于随机森林算法的近地表气温遥感反演研究

近地表气温是城市热环境的重要表征,是改变和影响城区气候的重要因素。为获得空间上连续的近地表气温,本文以北京市为研究区,利用Landsat5/TM数据计算分别得到地表温度、归一化植被指数、改进的归一化差异水体指数、地表反照率、不透水面盖度,并结合气象站点气温和高程作为输入参数建立随机森林模型反演近地表气温。结果表明,随机森林反演的近地表气温平均绝对误差（MAE）为0.80 ℃,均方根误差（RMSE）为1.06 ℃,与传统多元线性气温回归方法相比,平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别提高0.06 ℃和0.09 ℃。研究表明,利用随机森林模型反演近地表气温是可行的,并且具有一定的优越性。此外,对随机森林模型的输入参数进行重要性分析,地表温度对气温反演模型的影响最大,其次为高程。     

Do Forest Landscape Pattern Planning and Optimization Play a Role in Enhancing Soil Conservation Services in Mountain Areas of Western China?

The relationship between landscape patterns and soil conservation, as well as the need for nature-based soil erosion control and landscape pattern optimization, have increasingly gained attention in the scientific and political community in the past decade. With the implementation of a series of afforestation/reforestation projects in the western China, the optimization and management of forest landscape patterns will become more important for soil conservation. In this study, the Bailongjiang Watershed(BLJW), in the western China, was used as a case study to explore the relationship between the forest landscape pattern and soil conservation services using mathematical and spatial statistics methods. A spatially-explicit model called the sediment delivery ratio(SDR) model of the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(InVEST) was used to assess the soil conservation service in each sub-basin of BLJW in 1990, 2002, and 2014, and landscape indices were used to describe changes in forest landscape patterns in each sub-basin. Nine forest landscape indices, including the percentage of landscape(PLAND), largest patch index(LPI), edge density(ED), landscape shape index(LSI), mean patch shape(SHAPE_MN), patch cohesion index(COHESION), landscape division index(DIVISION), splitting index(SPLIT) and aggregation index(AI), were significantly correlated to the soil conservation service. PLAND, AI, LSI and SPLIT of forestland were determined to be the more important landscape indicators. The results also indicated that soil conservation was substantially scale-dependent. The results demonstrated that landscape type diversity greatly affected watershed soil conservation and can be used for forest landscape restoration and management. Furthermore, spatial statistics analysis indicated that the Spatial Lag Model(SLM) was superior to the Ordinary Least Squares(OLS) for soil conservation regressions in 1990 and 2014, while OLS was more appropriate for the regression in 2002. These findings will be useful for enhancing soil conservation and for optimizing mountainous forest landscape patterns for afforestation/reforestation and regional development. Future planning and implementation of ecological restoration should focus more on strategic spatial planning and integrated landscape management with full consideration of future climate, water availability/consumption, hydrological regime, topography, and watershed features, especially on afforestation and revegetation projects in western mountainous China, where the socio-ecological system is fragile and poor.     

漳平市森林可燃物类型变化遥感动态监测

森林可燃物类型的空间分布是林火蔓延、灭火可视化建模与仿真中需要考虑的重要因素之一。在对森林可燃物类型划分的研究进行回顾的基础上,提出了考虑树种信息的分类方法。根据漳平市2003年小班图层中的优势树种信息,获得该市2003年四种森林可燃物类型即竹林、阔叶树、杉木林以及马尾松的空间分布专题图。在此基础上,采用面向对象分类技术,对ASTER影像进行分类,探测每种可燃物类型的内部变化和外部变化。该技术利用影像分割技术构建分类对象,使每个对象具有光谱信息的同时,具备大小、形状、拓扑关系、类别层次等诸多信息。对分类结果进行评价的结果表明,利用面向对象分类技术,充分利用了光谱特征以及类别相关特征,提高了分类精度,分类的面积精度达到89.3%。由于影像分割过程应用了专题图层,对象的边界不会超越专题图层的边界,使得对现有图层的更新尤为容易。最后,利用矢量格式的遥感分类结果对原森林小班图层进行更新,获得新的可燃物类型图层,作为林火可视化模型的输入图层。该研究不仅提供了现势性强的森林可燃物类型图层,而且在不破坏原小班边界的基础上,对发生变化的区域进行刻画。对于森林资源管理者,提供了实地调查过程的目标区域的信息。