摘要：以某高校为例，研究树木的三维可视化。首先通过外业实地拍摄校园树木，获取树木树皮以及树叶贴图，使用Photoshop对图片进行处理生成材质贴图，经过Crazybump转换生成法线贴图。建模材质完成后，利用 SpeedTree 软件对树木进行建模，完成的模型制作3D符号，导入ArcGIS中，对学校局部区域的树木进行三维林分建模仿真，实现一定的树木属性查询功能，分析树木三维可视化效果。结果表明使用SpeedTree软件制作的树木模型对于模拟三维林分场景效果较好。
关键词：SpeedTree；三维可视化；ArcGIS；建模；林分场景
一、国内外研究现状
目前国内很多学者对于树木三维可视化技术有很多研究，并大致分为以下三种方式：基于 L-System理论的分形研究、运用迭代函数系统的IFS（Iterated Function System）方法及粒子系统模型方法，这种分类方法是依据选择模型的异同进行的。本文采用第一种方法，使用SpeedTree软件对树木进行建模。目前大多数文章探讨使用Sketch up，3ds max等软件对树木进行建模，虽然已获得了初步的研究成果，但由于软件的局限性，对于树木在自然中的状态的展现还是有所不足。文中利用SpeedTree软件进行树木三维建模，SpeedTree能最大程度地平衡性能和视觉效果，满足植物景观可视化需求，较好的展现自然界树木形态。并且以 GIS 技术为辅助，功能强大，包含数据管理、三维分析、空间数据分析等。
二、制作过程及方法
1、前期准备
建模前期的准备工作十分重要，准备工作充分与否直接影响后期树木模型的制作。
树木的定位主要根据树根坐标位置，根据具体树木位置布置树木坐标，同时调查树木属性信息，为建立树木数据库奠定基础。
树木可视化建模时，首先拍摄校园内所需树种的树木，拍摄的原则是选取树木生长状况良好，叶子尽量多。拍摄过程中，尽量以一张白纸为背景，为后期图片处理做好准备工作，减少工作量。树叶拍摄时，选取能够表现树木特征的树叶，并且多组拍摄。选择多形状树叶，可使后期做出的树木模型更加丰富、逼真。有时树叶拍摄时也可以选择单片树叶，在树叶节点可另行添加，使树木模型更加贴近真实。某些树种的叶子为单叶，此时理应选取单片叶子进行拍摄。
2、图片处理
照片获取后首先在PhotoShop中进行树皮及树叶的抠图处理。树皮相对简单，在Photoshop中，截取适当比例，保存为树皮图片。树叶处理不同于树皮处理，使用色彩范围工具抠出图片树叶部分后，另需为其添加Alpha通道，存储图片的色彩，为制作逼真的树叶材质奠定基础。均保存为TGA格式。有些树木带有果子，采用相同方法进行处理。将图片导入到CrazyBump软件中，进行法线贴图，使树木更加立体，具有真实感。
3、模型构建
3.1主干构建
主干是一棵树建模的起始方向，主干的形状直观反应树木，使更易识别树木。在SpeedTree中，首先新建树干。控制主干的数据有很多，可以通过半径（Radius）、高度（Length）、材质（Materials）等参数设置主干形状，不同的树木通过设置这些参数完成主干构建。半径体现树木的粗壮程度，例如竹子相对于其他树木比较特殊，枝干变化小，可通过半径参数的设置实现。结合高度参数设置，较好呈现不同树种的主干形状。完成半径、高度设定后，添加材质。给树皮添加纹理，即前期准备的树皮贴图。
3.2 枝条构建
枝条反应了植物的生长状况。主干构建基础上，添加一级枝条，可根据不同树种设置不同枝条形状。枝条会延续了主干的材质，这也是SpeedTree的一大特色，因此树木主干建立后添加树皮材质，为后续添加枝条材质节省步骤。
不同树种枝条形状不同，例如，松树与杉树，杉树较高，枝条多生长在靠顶部，松树枝条稍粗大，可通过这些参数大小进行实现，以区分不同树种。
3.3 细枝构建
细枝构建即二级枝条添加。添加二级枝条和一级枝条相同方法，二级枝条在一级枝条的基础上添加，为之后树叶添加奠定基础，如果树木有飘出来的树叶，可修改二级枝的弯曲度。
3.4 树叶构建
在细枝上添加树叶，树叶的生动程度直接影响建模的效果。软件中供选择的树叶类型繁多，这也是SpeedTree的一大优势。树叶的主要控制参数有：大小（Size）、翻转（Flip）和贴图类型（Type）。根据需要可制作一片树叶或者一簇树叶材质，也可同时添加多种树叶，设置相关参数，树叶构建完成，然后对树木整体进行修改。制作完成后，导出3D模型，*.3DS或者*.dae格式。
3.5 可视化模型
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图1 植物模型展示
三、三维林分场景实现
树木模型制作完成后，将模型导入软件中以实现林分场景制作。
ArcGIS实现林分建模，主要有两种方法：①导入已制作的三维模型。ArcGIS支持多种数据格式，如*.3ds，*.skp等，通过载入这些三维模型实现模型在GIS中的可视化。②创建moltipatch三维数据，moltipatch即多面片（郭梦炽等，2011）。本文采用第一种方法，运用在SpeedTree中的树木三维模型转为相应格式，导入ArcGIS生成对应三维符号以实现林分场景的制作。在该校园已有数字化模型上新建植物类别的点要素，并设置属性表信息。位置确定后，给相应的树木配置点符号，导入之前制作完成的3D树木模型。在Arcscene中呈现三维林分场景。
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图2 数字化校园 图3 三维场景
四、结论
通过树木纹理拍摄获取材质，在SpeedTree中进行树木建模，并结合GIS技术以及CrazyBump等软件实现树木的三维可视化，对校园中的树木进行模拟，最终在ArcScene中实现林分场景构建。通过最终在ArcGIS的场景模拟，充分体现了利用SpeedTree对树木进行建模的价值，这对树木的三维可视化研究具有重要意义。SpeedTree植物模型软件可以基本满足景观可视化框架的改进需求。植物模型真实感高，在模拟大面积森林植物时具有高效性，提供了丰富的植物模型库，使用者也可以在提供的模型库基础上进行修改生成自己想要的植物。目前使用SpeedTree软件制作的三维模型有一定的局限性，在实现三维林分场景过程中，树木模型的三维立体感降低，并且在导入个别树种时会出现树木材质丢失现象，仍需进一步的研究。该技术同样也是林业上的一项实际应用，在计算机辅助园林和景观设计、生态环境预测与可视化、计算机动画、游戏和虚拟场景绘制等领域均具有广阔的应用前景．
参考文献：
[1]郭梦炽，朱晓东.2011.基于ArcGIS的三维符号建模方法[J].城市勘测，（02）：24-27.
[2]郭 焱，李保国.2001.虚拟植物的研究进展[J].科学通报，46（4）：273-280.
[3]郝小琴.2001.林业科学与可视化[J].林业科学，37（6）：105－109．
[4]龙 洁，苏喜友.2007.国内树木三维可视化技术研究进展[J].林业调查规划，32（6）：44-47.
[5]梁鹏帅，冯冬敬.2009.三维可视化的研究现状和前景[J].科技情报开发与经济，19（7）：134-135.
论文作者:张甜1,孙一琳2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：树木论文; 树叶论文; 模型论文; 枝条论文; 林分论文; 建模论文; 主干论文; 《基层建设》2018年第31期论文;