基于生态特征参数的森林场景构建及森林动态演替过程的可视化模拟

森林景观的可视化模拟是计算机图形学领域的热点研究问题。但以往的研究主要关注森林景观在一般视觉意义上的真实感表现，而很少关注其生态学意义上的景观特征；主要进行静态森林场景的模拟，很少研究森林随时间而演替的动态场景的模拟。这使其难以很好地满足林业应用的需求。本项目拟基于森林生态学中有关森林景观结构的理论和相关特征描述参数，研究能够体现森林生态特征的三维森林场景的构建方法。在此基础上，本项目拟进一步依据森林生态学中的森林演替模型，研究实现森林动态演替场景的可视化模拟。为了在模拟过程中高效而逼真地表现森林景观效果，本项目还将对森林场景的表示技术及森林光影效果的快速模拟技术等进行深入研究。.本项目的研究将计算机图形学技术与森林生态学知识、理论进行了结合，力图从生态理论的层面上增强森林景观模拟的科学性。其研究成果不仅可用于影视动画、虚拟现实等领域，而且对于林业研究与生产也具有很好的应用价值。

根据研究计划，我们针对三个问题展开研究，都取得了实质性进展。（1）在符合森林生态特征的森林场景建模方面，我们将研究重点放在了符合森林生态特征的植被分布信息合成上。重点考虑了林业上最关心的树木生长指标（胸径、树高）分布、密度及群聚指数等对植被分布的影响。并提出了两种能有效合成符合给定特征的大面积植被分布信息的算法。其一为基于样本的植被分布信息合成算法。该算法能够根据一块给定的植被样本分布，合成出任意面积的植被分布，所合成植被的分布特征与样本一致。其创新点在于提出一种构筑邻域直方图的策略来定量衡量植被图元间的分布关系，从而实现有效的信息合成。其二为基于块拼铺的大规模植被快速合成算法。算法应用了Poisson Disk Tiling技术，采用样本块无缝拼接的方式来完成植被分布的快速合成。其贡献在于提出了有效策略来解决泊松盘拼铺中的圆盘越界问题和角点问题，并提出了合成非均匀植被分布的方法。运用该算法，即使规模达到千万级的植株分布，所需合成时间也仅为0.7秒。（2）在森林动态演替模拟方面，我们采用了基于个体建模（Individual based Modeling）的方式进行模拟；并针对“自然稀疏”、“多树种演替”和“聚集生长”这三种森林演替过程中最主要的现象进行了规则构建。由此实现了具有多物种的、包含复杂竞争和繁衍功能的森林群落演替过程模拟。（3）在森林场景的真实感表现方面，我们研发了基于层状纹理的大面积植被的快速绘制算法，主要贡献在于提出了算法以解决层状纹理在表达轮廓区域植被和倒伏植被时的问题；并提出方法实现层状纹理表达法与常用的几何方法、Billboards方法间的自然过渡，由此在保证绘制效果的前提下，实现了大面积植被任意角度的快速绘制。此外，我们还提出一种模拟树木间接光照的概率模型，使得树木的实时绘制效果可以接近采用全局光照的绘制效果。. 在上述工作基础上，我们研发了一套森林场景建模的软件系统，该系统提供了直观的设计界面，用户可以采用交互绘图的方式来定义场景中的植被分布信息，系统根据此信息即可自动合成场景中所有植物的分布并构建完成三维森林场景。