景观可视化及其应用

常R 禹等： 景观可视化及其应用
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视化还没有一个确切的概念， 笔者认为， 景观可视化 是在计算机软硬件技术、 图形图像处理技术、 遥感和 地理信息系统技术的支持下， 景观要素的三维空间 表达 （ 包括显示、 查询、 浏览等） 过程。它一般具有 ! 方面的 特 性： 沉浸性 （ "##$%&"’$ ） 、 交互性 （ "()$%*+, )"’$） 、 智能性 （ "()$--".$(+$ ） 和信息强度 （ "(/0%#*)"0( "()$(&")1） 。沉浸性表现一种被环境包围， 身心融入 环境的状态； 交互性表现一种以用户为中心的界面 设计方式和在虚拟环境中保持方位和定向的能力； 智能性表现一种帮助认知主体解释虚拟环境的智能 水平， 用于模拟人在虚拟环境中的行为； 信息强度表 现一 种 呈 现 现 实 世 界 真 实 性 的 程 度 （ 陈 小 钢， 2334 ） 。 !" 景观可视化技术的发展 景观可视化是信息技术发展到一定阶段的产物 （ 丁圣彦等， 2335 ） 。近 43 年来， 计算机硬件和软件 技术的发展， 使人们对复杂的自然系统进行模拟成 为可能。可视化技术逐步成为分析在不同管理措施 下， 景观格局及其动态变化的有用工具和手段 （ 6*(. !" #$% ， 2337 ） 。 景观可视化技术的发展可以分为以下 ! 类： 8） 静态模拟， 如照片， 可以让人们从某个观察点来观察 某个地点； 2） 动态模拟， 主要是由静态图像序列构 成的计算机动画； 4） 类比 （ *(*-0. ） ， 传统的类比可视 化工具包括平面图 （ 9-*( ） 、 截面图 （ &$+)"0( ） 、 素描图 （ &:$)+;） 、 绘画 （ 9$%&9$+)"’$ <%*="(. ） 、 蒙太奇照片 （ 9;0)0#0()*.$） 和物理模型 （ 9;1&"+*- #0<$- ） 。这种 技术最早发明于公元 !75 年的希腊， 经过几百年的 发展， 最后成为建筑设计师表达规划和设计思想的 有力手段。在类比技术中， 只有物理模型允许人们 从不同的观察角度来进行观察， 在 23 世纪 >3 —?3 年代得到了普遍的应用； !） 数字模拟， 随着地理信 息系统技术的发展， 传统的景观类比表现手法逐渐 被地理信息系统取代， 23 世纪 ?3 年代早期， 进行了 大量的用现有地图制作 4@ 模型的实验， 结果与真 实景观存在较大的差异。23 世纪末， 才出现了有效 的工具来真实再现 4@ 景观， 从而使景观的可视化 成为可能 （ A*(.$， 2338 ； B+;#"<， 2338 ） 。 #" 景观要素的三维可视化表达 #$ %" 地形 地形是可视化景观的重要组成要素之一， 当前
生态学杂志 ,?@49H9 EB1J43M BL =:BMB;P! #$$& ， 12 （&） ： "(##+"(#)
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景 观 可 视 化 及 其 应 用!
常! 禹
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! 胡远满 ! 布仁仓 ! 孟志涛 ! 杜强根 ! 赵家明
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（ " 中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 ""$$"% ；# 呼伦贝尔市环境中心监测站，内蒙古呼伦贝尔 $#"$$& ）
三维地形模型的建立大致有 4 种方法： 基于分形的 全自动生成法； 基于分形的半自动生成法和基于真 实数据的地形生成法 （ 涂超， 2334 ） 。基于分形方法 很难创建出符合实际地形的模型。这种方法创建的 地形模型通常用于游戏制作、 虚拟场景的构建等领 域； 基于真实数据的三维地形模型可以从已有的各 种分辨率的 @CD 中获取， 也可以通过高分辨率遥感 影像的立体像对产生 （ 张继贤等， 2335 ） 。为了使生 成的三维 地 形 看 上 去 更 逼 真， 通常采用纹理映射 （ E$F)G%$ D*99"(.） 技术 （ 袁艳斌等， 2332*） 。纹理是 指物体表面的细节， 一般用一个二维数组代表一个 字符位图， 该字符位图可以是用程序生成的各种图 形， 也可以是数字化图像， 纹理映射就是将给定的纹 理图像映射到空间实体表面， 是真实感图形生成的 有效途径。遥感影像 （ 如 ED、 BHIE 等） 常常被作为 地貌纹理图像叠放到 @CD 上， 从而使地形的三维空 间表达更逼真 （ 戴晨光等， 2332 ； 黄国满和何建邦， 2332 ； 袁艳斌等， 2332J ） 。此外， 随着高空间分辨率 卫星遥感 （ 如 KG"+:L"%<、 M:0(0& 等） 技术的发展， 正 射影像 （ @ID ） 与 @CD 的结合 （ 蒋欣和陈鹰， 2332 ； 李世华等， 2334 ； 张立强等， 2334 ） ， 使地形的可视化 更形象， 著名的 N00.-$ C*%); 也是采用了这一技术。 三维地形的实时显示通常采用 AI@ （ A$’$- 0/ @$, )*"-&）技 术 （ 杨 志 强 和 尚 建 嗄， 2334 ； 胡 金 星 等， 233! ） 。 #$ !" 植被 植被的数字模拟是进行三维可视化的先决条 件， 由于植物体本身的复杂性和景观中植物的多样 性， 使植被建模成为景观可视化中最困难的工作。 植被可以在个体水平或景观水平上进行模拟。在个 体水平上需要对植物体各部分的形状进行详细的描 述； 在景观尺度上植被通常用地形纹理来表现 （ DG, ;*%， 2338 ； A*(.$ O L"&;09 ， 2335 ） 。在 景 观 可 视 化 中， 常把前景植被模拟为三维植物体， 而把背景植被 表示为纹理图 （ DG;*%， 2338 ） 。数字植物的模拟方 法主要有以下 4 种： 8） 简单的三维符号表示法。如 PQ@ 中用球体表示灌木， 圆锥体表示针叶林， 也有 与植物体有很高接近程度的符号， 但是需要很大的 存储空间。2 ） 广告牌 （ J"--J0*%<& ） 法。在建好的几 何模型表面贴上树纹理是实现树木绘制走向真实 感、 实时的一种最常用的方法， 其中最常用是采用单 个矩形面的广告牌技术， 把二维植物形态纹理图像， 通过 2 个相互垂直的长方形广告牌在三维地形上显
（ #$$#,7"""S$% ） 。 !国家重点基础研究发展规划资助项目 !!通讯作者 =563@M：:?34;P1T @39F 3:F :4 收稿日期： #$$U5"$5#V! ! 接受日期： #$$&5$(5$#
"） 数据、 模型和关系的可 视化包含 # 方面的内涵： #） 景观和变化环境的可视化。目前， 景观可 视化；
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示植物个体 （ !"#$%， &’’( ； )$*+, - ./0#12 ， &’’3 ； 唐 &’’4 ） 。这种方法比较简单实用， 只需对植 丽玉等， 物个体进行拍照， 然后对照片进行适当的处理 （主 要是去除植物体的背景） 即可， 是目前广泛采用的 一种方法。5 ） 植物形态结构的自动生成方法。主 要包括简单的分形几何、 )6系统、 7!78 系统和 9%,, 系统等 （ !"#$%， &’’( ） 。用分形几何法生成的植物 形态的真实程度较低； )6系统是美国生物学家 )/*6 :,*;$<,% （ (=4> ） 提出的， 是一种用字符重写系统或 形式化语言来描述植物生长的一种方法， 通过对植 物生长过程的经验式概括和抽象来表现植物的拓扑 结构 （ 雷相东， &’’4 ） ， 该系统能够很好地模拟草本 植物的生长， 却很难模拟乔木树种的生长， 目前仍然 在不断发展中； 7!78 系统是一种基于特定现象 （如 分枝、 树干高、 结实等） 出现的统计概率而设计的一 种随机模型 （ !"#$%， &’’( ） ， 系统应用蒙特卡罗方法 模拟植物的生长， 应用几何方法表达其形态规律， 是 一个比较完善的植物模型生成系统； 9%,, 系统是一 种比较简单的植物模型， 将植物分为阔叶、 针叶和棕 榈树 5 种类型 （ !"#$%， &’’( ） 。 除了上述几种主要的方法外， 有的学者也进行 了其他林 木 单 体 模 型 的 建 立 方 法 研 究， 如贝赛尔 （ .,?/,%） 曲线法 （ 石松等， &’’@ ） 和 7%ABCD,AE0 控件 法 （ 周 翠 竹 和 向 南 平， &’’3 ； 向 南 平 和 周 翠 竹， &’’4 ） 。贝赛尔 曲 线 是 一 种 基 于 控 制 点 的 自 由 曲 线， 可用来描述林木的树干和树枝的形状， 利用对曲 线控制点的变动来控制曲线的形状， 进而生成形状 各异的单体林木； 7%ABCD,AE0 控件法采用 FA,*,G/,H6 ,%I1*E%1J 来生成单体林木模型。 !" !# 水 水是 一 种 动 态 景 观 要 素 （ )$*+, - ./0#12， &’’3 ） ， 现有的遥感和地理信息系统软件在显示三 维水体时， 都是把水体当作同一高程平面的水面来 处理。但是， 由于地表的高低起伏和下垫面条件的 差异， 使得空间上连续的地表径流高程并不相等， 现 有的遥感和地理信息系统软件无法显示具有高程差 异的连续水体。对水体可视化的表达， 不仅要能显 示某一时刻的水文现象， 而且能表达某个时段内完 整的水文过程， 具有动态显示的功能 （ 罗维佳等， &’’3 ） 。获取水体表面形状数据是地表水体三维显 示的关键， 水深数据是重要的地表形态数据， 它一般 保存在栅格数据文件中， 并与 KL! 的空间位置相对 应。某一点的水面高度是该点水深和高程之和， 水