CN117218284A - 一种森林景观的三维仿真可视化方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种森林景观的三维仿真可视化方法、系统、设备及介质，涉及计算机仿真领域。该方法包括：获取森林景观数据；森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件；根据森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表；按照树种和年龄，对树木密度分布图和树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；建立树木模型；树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型；根据程序化文件包和树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。本发明能够提高森林景观三维仿真可视化的效率和真实度。
Description
技术领域
本发明涉及计算机仿真领域，特别是涉及一种森林景观的三维仿真可视化方法、系统、设备及介质。
背景技术
森林景观三维可视化是一种新兴技术，可以在森林景观设计、林业规划和森林防火等方面提供形象、直观的三维空间显示。例如，它可以用于森林防火、森林病虫害监测、森林资源管理等方面。此外，森林景观可视化技术还可以用于教育和科普，让公众更好地了解森林生态系统的构成和功能。目前，森林景观可视化技术可以分成树木的三维建模和森林景观的可视化仿真两个方面。常用于森林景观可视化的软件有ERDASIMAGINE、SkylineTerraSuite、SketchUp等。其中，ERDASIMAGINE和Skyline TerraSuite均基于GIS技术，可以利用二维纹理及规则几何体表达森林场景。这些软件都是二维的可视化，不足以实现森林景观的三维仿真。而其中的SketchUp则是一款3D景观设计工具。基于SketchUp与GIS的森林景观三维可视化实现是一种常见的方法，但是此方法提供的三维可视化还缺乏预期的真实性和易操作性。随着近些年来计算机软硬件的升级发展，人们对于趋近于真实森林景观的仿真三维景观有了更加迫切的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种森林景观的三维仿真可视化方法、系统、设备及介质，以提高森林景观三维仿真可视化的效率和真实度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种森林景观的三维仿真可视化方法，包括：
获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件；
根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表；
按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；
建立树木模型；所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型；
根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
可选地，根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表，具体包括：
对所述森林景观数据进行分类解析处理，得到不同年龄组树木数量的栅格图；
对所述栅格图进行最大最小归一化处理，得到树木密度分布图；
分别计算所述栅格图中的像元值总数，得到树种数量属性表。
可选地，按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包，具体包括：
根据所述树种数量属性表确定不同树种和不同年龄的树木总数量；
根据所述树木密度分布图中每个像元的数值大小和所述树木总数量，将代表树木的点撒在栅格图上，得到树木分布撒点图；
将地理环境数据、环境修饰要素和所述树木分布撒点图进行整合，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；所述地理环境数据是从真实世界获取的矢量数据；所述地理环境数据包括：地形数据、河流数据和道路数据；所述环境修饰要素包括：气象要素。
可选地，建立树木模型，具体包括：
获取不同树种和不同年龄的树木图片；
采用三维树木建模软件，根据所述树木图片建立树木模型。
可选地，根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观，具体包括：
在所述程序化文件包中添加所述树木模型的路径链接；
采用虚幻引擎，根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
可选地，上述方法还包括：
采用虚幻引擎，建立导航系统；所述导航系统用于通过视角的转动和观察位置的移动实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
可选地，上述方法还包括：
采用虚幻引擎，建立时间流转系统；所述时间流转系统用于通过时间点的切换实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
一种森林景观的三维仿真可视化系统，包括：
数据获取模块，用于获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件；
数据解析模块，用于根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表；
程序文件建立模块，用于按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；
树木模型建立模块，用于建立树木模型；所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型；
森林景观搭建模块，用于根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的森林景观的三维仿真可视化方法。
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的森林景观的三维仿真可视化方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的森林景观的三维仿真可视化方法，通过根据森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表，按照树种和年龄，对树木密度分布图和树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包，能够提高森林景观三维仿真可视化的效率，降低森林景观三维仿真可视化的门槛，通过建立不同树种和不同年龄的树木三维模型树木模型，进而根据程序化文件包和树木模型搭建三维仿真可视化森林景观，能够提高森林景观三维仿真可视化的真实度。因此，本发明能够提高森林景观三维仿真可视化的效率和真实度，在面向管理者的森林管理领域、面向大众的森林知识科普领域，面向森林科研工作者的结果展示领域都发挥了重要作用。能够大大提高森林管理的决策效率，增进公众对于森林的认识程度，提高科学结果的展示效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的森林景观的三维仿真可视化方法的流程图；
图2为本发明提供的森林景观的三维仿真可视化方法的具体流程图；
图3为本发明提供的树木密度分布图和树种数量属性表的使用原理图；
图4为本发明提供的不同树种的不同年龄的树木三维模型的示意图；
图5为本发明提供的导航系统的界面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种森林景观的三维仿真可视化方法、系统、设备及介质，以提高森林景观三维仿真可视化的效率和真实度。
具体的，本发明提供的森林景观的三维仿真可视化方法，采用了多种软件和编程语言。这些软件包括Photoshop、SpeedTree、Houdini Engine和Unreal Engine(虚幻引擎)，编程语言包括Python和R，工作流程包括处理数据和三维可视化。首先，安装软件并为这些编程语言配置编译环境。然后，根据树木的位置信息，将树木摆放到相应的位置。本发明不仅使用了汇编语言，还在houdini Engine和Unreal Engine中进行了可视化的编程。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本发明实施例提供一种森林景观的三维仿真可视化方法。如图1及图2所示，该方法包括：
步骤S1：获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件。
其中，森林景观数据是由森林景观模型输出得到的。森林景观模型的所有输出都在同一个文件夹中，包括描述不同年份、不同树龄和不同树种的不同属性的栅格文件。
步骤S2：根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表。
优选地，对所述森林景观数据进行分类解析处理，得到不同年龄组树木数量的栅格图；对所述栅格图进行最大最小归一化处理，得到树木密度分布图；分别计算所述栅格图中的像元值总数，得到树种数量属性表。
作为一种具体的实施方式，将原来混合的文件中的树计数文件按年份分组到同一个文件夹。按照年龄组的设置，对年龄组内的栅格数据进行求和，得到不同年龄组树木数量的栅格图。在森林景观模型模拟中需要可视化的森林景观可能被分成多个部分分别模拟，这就需要分别组织这些部分。本发明采用R语言程序将两部分拼接起来，生成树木密度分布图和相应的树种数量属性表。其中，树木密度分布图是根据栅格图的最大最小值，将栅格图归一化到0-1而得到的，树种数量属性表则是计算了整个栅格图中的像元值总数，得到了树木的总数量。
步骤S3：按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包。
优选地，根据所述树种数量属性表确定不同树种和不同年龄的树木总数量；根据所述树木密度分布图中每个像元的数值大小和所述树木总数量，将代表树木的点撒在栅格图上，得到树木分布撒点图；将地理环境数据、环境修饰要素和所述树木分布撒点图进行整合，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；所述地理环境数据是从真实世界获取的矢量数据；所述地理环境数据包括：地形数据、河流数据和道路数据；所述环境修饰要素包括：气象要素。其中，树木密度分布图如图3中的(a)部分所示，树木分布撒点图如图3中的(b)部分所示。基于该树木分布撒点图，将树木模型替换掉图中的撒点，即可得到如图3中的(c)部分所示的森林景观图，从图3中的(c)部分所指向的时间(参见图中的扇形阴影区域)看该森林景观图，即可得到如图3中的(d)部分所示的可视化景观。
作为一种具体的实施方式，本发明集成Houdini引擎来搭建输出数据和游戏引擎之间的桥梁。在Houdini引擎中，地形数据、森林数据、河流数据和道路数据被整合在一起，形成一个HAD(数字资产)包，即所述程序化文件包，用来在虚幻引擎中构建整个场景。其中，森林数据是根据树木密度分布图和树种数量属性表作为参数得到的，而地形数据、河流数据和道路数据则是从真实世界获取的矢量数据。将上述数据通过可视化的编程手段，集成到森林景观可视化的一部分。由于森林景观模型中包括了一系列时间序列的森林数据，对于时间序列的处理，按照每一个时间点制作单独的一个HAD包。本发明用于将2D栅格数据转换为3D森林景观的软件为一个可视化编程程序。将各个组件分类，包括地形、道路、河流以及树木，其中树木按照树种和年龄进行分类。然后分别链接不同的树木密度分布图和树种数量属性表。根据树木密度分布图中每个像元的数值大小，将树种总数量的点撒在栅格图中，每个点代表一棵树。同时还在该HAD包中添加树木三维模型的路径链接以及地形、道路与河流的材质信息，方便在后续操作中的自动化操作。
步骤S4：建立树木模型；如图4所示，所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型。
优选地，获取不同树种和不同年龄的树木图片；采用三维树木建模软件，根据所述树木图片建立树木模型。
作为一种具体的实施方式，采用SpeedTree软件制作树木三维模型，使用树木真实的树叶及树干照片。首先经过Photoshop处理并去除背景，最后使用SpeedTree软件制作不同年龄的树种三维模型。
步骤S5：根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
优选地，在所述程序化文件包中添加所述树木模型的路径链接；采用虚幻引擎，根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
作为一种具体的实施方式，将HAD(数字资产)包拖入Unreal Engine，整个场景将自动生成。自动化程序文件包将相应年龄和树种类型的树木模型安放森林景观数据中相应的位置，同时还添加气象、地形、石头、水体、道路和河流等环境修饰要素。三维仿真可视化森林景观中包括气象、地形、道路、河流以及位置、数量和年龄都确定的树木。另外，由于按照不同的年份生成场景，因此不同的时间点，都将是一个单独的场景。
进一步地，该方法还包括：采用虚幻引擎，建立导航系统；所述导航系统用于通过视角的转动和观察位置的移动实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
进一步地，该方法还包括：采用虚幻引擎，建立时间流转系统；所述时间流转系统用于通过时间点的切换实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
作为一种具体的实施方式，在虚幻引擎中制作了时间流转的相关程序，即时间动态程序。选择Unreal Engine中的默认环境修饰要素，再选择引擎中的导出工具将整个可视化平台制作的可视化程序导出。
本发明集成虚幻引擎的可视化编程添加交互。通过在场景中建立虚拟摄像机，拍摄场景中的画面，将虚拟摄像机的图像传输到窗口。使用可视化编程为场景添加了一个导航系统，如图5所示，将键盘上的“W”、“A”、“S”、“D”、“Q”和“E”键分别链接到移动相机的前(Front)、后(Back)、左(Left)、右(Right)、上(Up)和下(Down)，并将鼠标链接为调整视口的方向，即图5中的Mouse move。整个场景是一个存在于计算中的虚拟三维空间，导航系统显示的画面就是虚拟摄像机拍摄的画面。当导航到高处时，屏幕中的场景是大尺度的；同样，当镜头飞到较低的地方时，画面中的景物也是一个小尺度。同时，还创建了一个时间切换，分配键盘上的“左”和“右”键来切换向前一年和向后一年。实际上是变相替换了时间切换的概念，利用了类似游戏中的关卡切换。将每个时间点的模拟结果渲染为带有场景的单独关卡。名义上是切换时间，实际上是切换不同时间点场景的关卡。这样的交互系统提供了在空间和时间尺度范围内随意导航可视化场景的便利。虚幻引擎提供了一组工具，用于将整个场景打包成可运行的应用程序。可视化的场景最终被打包成一个应用程序，可以在运行时与之交互导航。场景中更多的树木需要更多的渲染，这需要更高的计算机配置。在构建场景的过程中，可以预览整个场景的运行情况。如果预览过程完美运行，那么打包过程和打包的应用程序都可以在该计算机上正常运行。
综上所述，本发明能够实现对于三维仿真森林景观的模拟、导航以及时间流转。通过建立自动搭建三维场景的程序化文件包，使得本发明的操作性大大提高，进而使得从森林景观数据到三维仿真可视化景观的实现时间大大缩短、效率大大提高。树木建模采用了最先进的树木构建程序，大大增加了作为森林景观主体的树木的真实程度。场景搭建集成了游戏引擎，进一步提高了真实性。最后通过在三维仿真景观中添加导航系统以及时间流转系统，大大丰富了对于森林景观三维仿真可视化的功能和可操作性。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种森林景观的三维仿真可视化系统，该系统包括：
数据获取模块，用于获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件。
数据解析模块，用于根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表。
程序文件建立模块，用于按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包。
树木模型建立模块，用于建立树木模型；所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型。
森林景观搭建模块，用于根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
实施例三
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器用于运行计算机程序以使电子设备执行实施例一中的森林景观的三维仿真可视化方法。所述电子设备可以是服务器。
另外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一中的森林景观的三维仿真可视化方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，包括：
获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件；
根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表；
按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；
建立树木模型；所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型；
根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
2.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表，具体包括：
对所述森林景观数据进行分类解析处理，得到不同年龄组树木数量的栅格图；
对所述栅格图进行最大最小归一化处理，得到树木密度分布图；
分别计算所述栅格图中的像元值总数，得到树种数量属性表。
3.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包，具体包括：
根据所述树种数量属性表确定不同树种和不同年龄的树木总数量；
根据所述树木密度分布图中每个像元的数值大小和所述树木总数量，将代表树木的点撒在栅格图上，得到树木分布撒点图；
将地理环境数据、环境修饰要素和所述树木分布撒点图进行整合，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；所述地理环境数据是从真实世界获取的矢量数据；所述地理环境数据包括：地形数据、河流数据和道路数据；所述环境修饰要素包括：气象要素。
4.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，建立树木模型，具体包括：
获取不同树种和不同年龄的树木图片；
采用三维树木建模软件，根据所述树木图片建立树木模型。
5.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观，具体包括：
在所述程序化文件包中添加所述树木模型的路径链接；
采用虚幻引擎，根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
6.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，还包括：
采用虚幻引擎，建立导航系统；所述导航系统用于通过视角的转动和观察位置的移动实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
7.根据权利要求1所述的森林景观的三维仿真可视化方法，其特征在于，还包括：
采用虚幻引擎，建立时间流转系统；所述时间流转系统用于通过时间点的切换实现所述三维仿真可视化森林景观的场景变换。
8.一种森林景观的三维仿真可视化系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取森林景观数据；所述森林景观数据包括用于描述不同年份的不同树种和不同年龄的树木数量的栅格文件；
数据解析模块，用于根据所述森林景观数据确定树木密度分布图和树种数量属性表；
程序文件建立模块，用于按照树种和年龄，对所述树木密度分布图和所述树种数量属性表建立可视化连接，得到用于搭建三维场景的程序化文件包；
树木模型建立模块，用于建立树木模型；所述树木模型包括不同树种和不同年龄的树木三维模型；
森林景观搭建模块，用于根据所述程序化文件包和所述树木模型搭建三维仿真可视化森林景观。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的森林景观的三维仿真可视化方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的森林景观的三维仿真可视化方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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