基于虚拟现实三维技术智慧园林管理解决方案

1、基于虚拟现实三维技术智慧园林管理解决方案智慧园林解决方案-建设内容1、园林绿地生态资源分布信息的动态监测、数据建库与云存储 服务（数据中心）2、园林绿化主要业务应用系统开发包括地理信息管理系统、园林绿化规划支持系统、绿地绿线管理 信息系统、重点树木管理三维信息系统、绿化项目工程监督管理信息 系统、用户管理系统等业务应用系统的建设3、园林政务信息公开系统、公共信息服务系统建设4、基于便携智能终端的园林绿化现场执法管理系统建设5、基于物联网技术的重要树木（景观树、古树名木和行道树） 的跟踪管理智慧园林解决方案-信息系统总体架构智慧园林信息系统 网络拓扑结构（普通配置）智慧园林解决方案-信息系统总体

2、架构智慧园林信息 系统总体架构（普通配置）交互式规划方 案编制专题图 制作与打印绿线划定三维展示专业报表制作 与打印重要树木 信息数据库360全景 数据库三维模型库全景制作引擎公共绿地管理园林养护责任权属管理树木信息查询影像数据库数 据 层业 务 逻 辑 层应 用 层基础地理 数据库文件系统规划分析评价三维信息 可视化专用绿地管理重要树木建档规划指标规控全景展示视频播放基础GIS业务重要树木的定 位监控系统管理绿地管理重要树木的管 理与保护园林规划管理绿化工程管理城市绿地 遥感监测三维树木建模树木移植养护绿化施工监管档案管理招投标管理行政执法管理权限管理智慧园林解决方案-城市绿地资源的动态监测

3、快速、客观、有效的城市园林绿地变化遥感监测技术是林业、 园林管理部门迫切需要解决的技术难题。园林绿地资源变化监测中采用的影像分辨率也越来越高。但 当前的应用仅仅基千人工解译，在判读变化图斑的同时，需 要勾绘变化图斑边界，效率低下。以平谭综合实验区为例，选用高分辨率卫星遥感影像，提出 了一套面向小班对象的绿地覆盖变化遥感监测方法。该方法 满足森林资源管理部门对千快速、准确提取绿地覆盖变化信 息的要求，可推广应用千城市绿地资源的遥感动态监测中。根据研究所要求的变化提取目 标，以及数据源情况，制定的相 应技术路线（见例图）。以园林绿地变化监测为例，主 要涉及四个步骤：一是高分辨率 遥感影像的正射校正

4、和绿地分布 图的专题整理；二是结合小班专 题图的遥感影像多层次分割；三 是变化图斑分类和解译；四是变 化图斑的后处理和野外验证。面向小班对象的园林绿地变化遥感监测技术路线智慧园林解决方案-城市绿地资源的动态监测注：遥感影像为RapidEye影像近红外、红、绿波段RGB合成；图中数字含义：1（有林地)，7（非林地)，5（苗圃地)，11（未变 有林地)，17（有林地非林地)，71（非林地有林地)，77（未变非林地)，55（未变苗圃地)智慧园林解决方案-城市绿地资源的动态监测智慧园林解决方案-城市绿地资源的动态监测动态变化监测技术的先进性面向小班对象的森林资源、园林绿地变化遥感监测统计方 法具有快速

5、、有效、客观的特点，满足森林资源、园林绿地管理部 门对于快速、准确提取森林资源、园林绿地覆盖变化信息的要求， 同时为大比例尺森林资源、城市绿地数据库遥感更新的工程化应用 指明了新的方向。面向小班对象的森林资源、城市绿地变化图斑边界的提取， 采用多层次影像分割算法自动实现。由于省去了变化斑块人工勾绘 的时间，大大提高了变化检测和解译的时效性，时间效率提高2-3倍。提出的创新方法，可根据影像分辨率的高低，满足不同尺 度森林覆盖、城市绿地变化监测的精度要求。智慧园林解决方案-城市绿地资源的动态监测虚拟森林环境技术体系按三级尺度实 现的虚拟森林 环境构建与应 用体系虚拟森林环境技术体系不 同 尺 度

6、的 虚 拟 森 林 形 成 过 程虚拟森林环境技术体系单株植物模型生成方法根据用户需求，单株植物模型方法有以下几个选择：1、激光雷达点云提取法：用于重要树木（古树名木、行道树、景观树） 管理，或植物形态结构分析等）；2、形态结构野外测量法：用于普通虚拟森林环境、园林景观规划等；3、BillBoard贴图法：传统植物模型生成方法，现仍然在用；4、全景摄像法：用于森林主题园区旅游和观赏体验、古树名木管理周边 环境浏览等；5、林分调查数据驱动法：用于森林资源管理，或作为园林景观规划或村 镇规划的背景，综合方法）植物器官建模植物的器官主要包括根、茎、叶、花、果.我们目前植 物建模只关注地上部分的形态结

7、构部分。茎主要采用广义圆柱体进行表达，叶采用一个多边形来表达一簇树叶或NURBS曲面生成圆锥花序通过L系统中控制成花信号模拟这儿只介绍果的建模方法植物器官建模大部分果实具有中心轴对称或近似对称的特点，因此器 官模型以广义圆柱体定义的中心轴模型为核心，构建在参 数曲线控制下的通用果实模型。首先，由中心轴模型生成一系列符合植物果实外型的 特征点；然后，由产生的特征点进行果实表面重建；最后，对重建后的表面进行真实感处理，生成所需的 果实模型。果实轮廓点 生成植物器官建模植物器官建模表面重建-构网植物器官建模龙眼模拟实例植物器官建模龙眼模拟实例植物器官建模基于L-系统原理 龙眼果穗的综合 建模过程龙眼

8、果穗模型果实Mesh模型叶片Mesh模型龙眼圆锥形花序结构 带叶簇的花序结构植物器官建模龙眼果实的生长发育 过程龙眼果穗生长模拟单株木建模方法国际上两种主流建模方法L-System/L-系统(by Lindenmayer and Prusinkiewicz,1968 at University of Calgary, Canada)Reference axis/参考轴( by Philippe,1988 at CIRAD- INRIA-INRA,LIAMA/,France)单株木建模方法Xfrog基于L系统建模方法的挪威云杉AMAP基于参考轴技术建模方法的 不同生长阶段的雪松其它单株木建模工具

9、: SpeedTree, Digital Plant, Bionatics, Onyx Tree Professional, Vlab/L-Studio, Plantstudio, LMS/SVS, SmartForest, GreenLab单株木建模方法我们采用的方法交互式参数化单树形态结构建模基于L-系统单树形态结构建模优势表现在器官尺度上精细建模和单株尺度上植 物建模单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（1）龙眼单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（2）radius0radius1nSegSplitslength0Angle1SegLength1BranchP1主干基径、树高

10、、半径变化、树皮 纹理、分节长度、分节数、第一层 枝条的起始位置、结束位置和分布 密度。枝条枝条的层次、长度、半径、半 径变化、与上一层枝条的夹角、夹角变化、下一层枝条的分布与密度。树叶树叶的尺寸、与上一层枝条的 距离、树叶纹理。树模型的参数定义单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（3）层次数据结构单株木建模方法建模过交互式参数化单树形态结构建模（4）(1) 交互式定义主干(枝条2)交互式定义程实例(3)交互式定义其它器官林景司行信息技术有限公单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（5）用一个多边形来表达一簇 树叶花序或果序表达用广义圆柱体表达树干， 用三角形条带来构造广义 圆柱体）

11、单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（6）2种主要分枝方式: 单轴和合轴单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（7）3组描述树干、枝条特 征的几何参数:纵向、横向网格分 布控制曲线树干表面粗糙度控 制基部膨大（板状根） 控制单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（8）3组叶序控制参数：4种参数化控制曲线:距离，尺寸，角度，分布频率3D mesh 表达单叶叶序: 轮生, 对生, 互生单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（9）利用 ParaPlant单株植物建模 工具, 可以建立乔木、灌木和 花卉不同形态的模型。单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（10）虚拟单株植物模型

12、示例3年生马尾松8 年生马尾松20 年生马尾 松（直立）20 年生马尾 松（弯曲）单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（11）形态结构参数和纹理野外采集单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（12）株高：5年生以前高生长是缓慢的，年平均生长量一般30厘米左右；5年以后， 高生长急剧加快；1525年，高生长达到高峰；25年后生长迅速下降。在1020 年中，树高连年生长量在0.60.9米之间；2040年为树高生长持续阶段，连年生 长量较小，在0.20.5米之间；100年以后树高停止生长；直径：当树高生长迅速加快时，直径生长也随之加快。直径生长一般出现两次以 上高峰。第一次在1025年，连

13、年生长量在0.91.4厘米之间；第二次在50年以后， 连年生长量在0.50.8厘米之间，当树高生长停滞后，直径的生长并未停止。马尾 松的直径在南部连年生长量可达1.5厘米以上；枝条：幼年枝条成年后的马尾松起始生长位置,冠幅大小,角度大小.因为竞争的关 系,所以成年后的马尾松冠幅度因为枝条的年龄越大，其体积和生物量也越大， 受重力的影响也越大，枝条受重力影响逐渐下垂，从而表现出分枝角度逐渐由60向90左右转变。即越靠基部的大枝干间分枝角度稍大些，越靠顶端的年轻 枝条间分枝角度越小些。针叶：马尾松针叶相对生长在盘号最高的主干与各层分枝上。单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（13）龙眼树形态

14、结构野外调查（漳州长泰陈巷）单株木建模方法交互式参数化单树形态结构建模（14）出现红嫩枝的龙眼树模型挂着褐色果的龙眼树模型单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（1）Surveying dataProductionsrestrictionData inputParsing the production rules of L-systems under biological constraintsTree modeling and renderingRendering scoffold branch and leavesBark texture mappingIlluminationdocu

15、mentTree Model outputVisualization Data outputsave TreeLeaves texture mapping建模流程图单株木建模方法三维L系统，龟壳解译基于L-系统单树形态结构建模（2）ULLH:向前:向上:向左单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（3）命令作用结果F(d)向前移动步长 d龟的状态变为（x,y,a）, 其中 x=x+dcosaY=y+dsina，在点(x,y)和(x, y)间画一直线段。f向前移动步长d不画线+()向左转角度龟形的下一状态为(x, y, a+)，角的正向为逆时针方 向。-()向右转角度龟形的下一状态为(x. y

16、，a-)，角的负向是顺时针方向。将龟的当前状态压入栈存入栈中的信息包括龟的当前位置和方向，还有即 画的线段的颜色、宽度等其他属性。从栈中弹出一个状态,作为 龟的当前状态尽管龟的当前位置有改变，但不画任一线段。龟壳解译单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（4）1562478910113TrunkFirst levelSecondlevelCBranchCSegmentNode几何拓朴结构单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（5）3521981110764几何拓朴结构单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（6）单株木模型器官器官合成单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（7）B

17、udMeshRedLeafMeshGreenLeafMeshFlowerRedLeafClusterFlowerClusterWholeTreeGreenLeafMesh2GreenLeafMesh3microsub-micromacro数据结构器官组合机制：器官基本单元组成器官，器官再组成整株树单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（8）2 Steps6 Steps4 Steps生长发育模拟单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（9）龙眼单株木建模方法/ divergence angle d1,d2,d3,d4/ branching angle a,b,c,d,e,hd1=137.5

18、d2=137.5d3=120d4=120a=35 b=28 c=15d=30e=55h=40lr=1.109 vr=1.732/ lr is elongation rate, and vr is width increase rate.: !(4)F(400)/(65)!(2)&(a)F(300)B/(137.5)!(3)&(e)F(250)(20)F(100)B/(65)!(2.3)&(h)F(250)(15)F(100)B/( 85)!(2.67)&(e)F(250)(25)F(150)BP1: B-(0.5)!(2*vr)F(50)&(h)F(400)(15)F(300)A(0)/(d1

19、)&(b)F(300)-(30)F(250)A(0)/(d2)&(d)F(250)(20)F(200)A(0)P2: B-(0.5)!(2*vr)F(100)&(h)F(250)(20)F(200)A(0)/(d1)&(b)F(300)-(30)F(250)A(0)P3: A(t):(t(0.4)!(1.2*vr)&(b)F(280)A(t+1)/(d3)&(b)F(300)A(t+1)/(d4)&(b)F(620)A(t+1)P4: A(t):(t(0.2)!(1.2*vr)&(b)F(300)A(t+1)/(d3)&(b)F(350)A(t+1)P5: A(t):(t(0.2)!(1.2*

20、vr)&(b)F(350)A(t+1)/(d3)&(b)F(320)A(t+1)/(d4)&(b)F(600)A(t+1)P6: A(t):(t(0.2)!(2.5)&(c)F(200)A(t+1)P7: A(t):(t=n)-LP8: L-(0.2)+(90)f(400)-(90)(145)f(800)&(145)-(90)f(800)+(90)&(55)f(800)(55)+(90)f(400)-(90)P9: L-(0.8)+(90)f(500)-(90)(145)f(1000)&(145)-(90)f(1000)+(90)&(55)f(1000)(55)+(90)f(500)-(90)

21、P10: F(l)-F(l*lr)P11: !(w)-!(w*vr)龙眼树L系统规则单株木建模方法基于L-系统单树形态结构建模（10）春季夏季芒果树不同季节的抽稍现象模拟秋季单株木建模方法竹柏的生长模拟基于L-系统单树形态结构建模（11）单株木建模方法太阳光线在冠层中的直射和散射模拟基于L-系统单树形态结构建模（12）虚拟森林环境构建基于森林资源规划设计调查数据生成的森林场景虚拟森林环境构建设置模拟年龄计算平均胸径和树高模拟年龄是否大千初始年龄计算初始分布初始化景观队段是计算胸径、树高、冠幅分布清除枯死林木计算死亡率计算剩余林木的生长参数存储分布信息否林分面积，密度，立地质量 等级，年龄，立地

22、指数结束更新林分场景林分生长模拟流程： 功能功能虚拟森林环境构建（a)（b)（c)（a) 3年生马尾松林（b) 10年生马尾松林（c) 20年生马尾松林林分生长过程模拟虚拟森林环境构建间伐前马尾松林场景第一次间伐马尾松场景面积:3.93ha，密 度:1800 棵/ ha， 年龄:12年第二次间伐马尾松林场景森林经营管理模拟-森林间伐虚拟森林环境构建更新前为马尾松林（面积：3.73ha，密度：900棵/ ha）更新后为荔枝林（面积：3.73ha，密度：1500棵/ ha）森林经营管理模拟-更新造林更新前为马尾松林（面积：3.73ha，密度：900棵/ ha）更新后为荔枝林（面积：3.73ha，密

23、度：1500棵/ ha）CutePlant 产品线组成面向森林管理、精准农业、园林景观设计、城市规划管理、游戏动 漫制作、军事仿真、辅助教育等领域用户的不同需求，CutePlant 提 供植物器官、单株、种群场景到复杂生态景观（森林、园林、农田）不 同尺度、富有真实感虚拟植物系统的快速生成及其应用的完整解决 方 案。CutePlant产品线组成：参数化单株植物建模工具 ParaPlant基于激光点云的参数化单树建模工具PC2Tree古树名木管理三维信息系统AFaTMIS基于L-系统单株植物建模工具AlgoPlant森林景观合成与管理三维信息系统 RealForest森林景观模拟与管理系统 Fo

24、reMIS森林火灾蔓延模拟系统FoFiSimulator森林资源野外调查移动信息采集终端“林务通”单株木三维建模工具ParaPlant核心功能单株植物形态真实感建模物候变化与生成过程模拟虚拟剪枝与株型设计风动模拟(扩展功能)应用领域作物株型设计园林景观设计城市绿地规划数字城市应用军事仿真应用辅助可视化教学农业技术推广培训虚拟博物馆制作动漫游戏影视制作产品特色采用层级拓扑结构，符合构筑型理论模型真实感强，符合生理生态学原理采用参数化曲线控制形态结构分布可视化界面，所见即所得、交互性强引入随机函数表达植物形态的多样性参数调整响应速度快，便于模型多样化可交互式地生成不同层次细节植物模型支持单一器官到

25、整株模型的拼接组合支持交互式改变光源反映光照效果易学易用，无需植物学专业知识采用凹凸纹理映射逼真表达树皮提供第三方软件插件，移植性强模型可转换为VRML格式，进行网络发布形态结构建模物候模拟虚拟剪枝单株木三维建模工具ParaPlant风动模拟红花木莲枫树巨桉龙眼梅花梅花（盆景）海芋雪柑开花期雪柑幼果期雪柑果实膨胀期雪柑果实成熟期剪枝剪枝后风动模拟内生菌分布的 可视化表达基于激光点云的参数化单树建模工具PC2Tree核心功能激光点云提取植物形态结构单株植物形态真实感建模物候变化与生成过程模拟虚拟剪枝与株型设计应用领域重点树木管理作物株型设计与形态分析园林景观设计城市绿地规划数字城市应用军事仿真应

26、用辅助可视化教学农业技术推广培训虚拟博物馆制作产品特色点云提取树木几何形态自动化程度高采用层级拓扑结构，符合构筑型理论模型真实感强，符合生理生态学原理采用参数化曲线控制形态结构分布可视化界面，所见即所得、交互性强引入随机函数表达植物形态的多样性参数调整响应速度快，便于模型多样化可交互式地生成不同层次细节植物模型支持单一器官到整株模型的拼接组合支持交互式改变光源反映光照效果易学易用，无需植物学专业知识采用凹凸纹理映射逼真表达树皮提供第三方软件插件，移植性强模型可转换为VRML格式，进行网络发布激光扫描仪RieglVZ-400从点云数据中抽取树木形 态结构拓扑数据、枝干的空 间分布基于激光点云的参

27、数化单树建模工具PC2Tree单株木现场照片多站点激光点云合成点云分级显示基于激光点云的参数化单树建模工具PC2Tree提取的枝条骨架点骨架点连线和拓扑建立格网生成和模型生成基于激光点云的参数化单树建模工具PC2Tree单株木三维建模工具-AlgoPlant核心功能单株植物形态真实感建模物候变化与生成过程模拟冠层辐射模拟与生物量计算应用领域精准农林业应用植物生长模拟生物量和碳储量估算辅助可视化教学农业技术推广培训虚拟博物馆制作动漫游戏影视制作产品特色采用层级拓扑结构，符合构筑型理论内嵌植物生理生态过程模型内嵌植物形态建成模型集成植物冠层光辐射模型兼备随机、参数化和开放型L-系统优点根据克朗奎斯

28、特植物分类系统树状组织模型可视化界面，所见即所得、交互性强参数调整响应速度快，便于模型多样化采用复合L-系统，从器官到整株的组拼解析过程中具有规则语法检查功能支持交互式改变光源反映光照效果模型可转换为VRML格式，进行网络发布形态结构建模单株木三维建模工具-AlgoPlant物候模拟动态生长模拟辐射模拟三尖杉芒果树器官组合龙眼春稍龙眼结果期龙眼开花期1年生杉木3年生杉木辐射模拟森林景观合成与管理三维信息系统RealForest核心功能高复杂度虚拟森林场景可视化森林场景组成结构的交互式定制自然环境要素的合成与设置人工构筑物和动漫要素的交互设计森林场景信息的统计产品特色适合大规模高复杂度森林场景的

29、合成；可视化界面，所见即所得、交互性强；方便集成粒子系统和纹理合成系统；方便改变地形纹理种类和简化程度；支持基于矢量地图要素的场景交互设计；支持多种第三方模型格式的导入；支持多种方式场景浏览；提供API支持各种应用的二次开发。应用领域辅助森林资源管理景观园林生态规划森林主题园区管理辅助科研、教研与宣教农林业技术推广培训军事仿真平台开发虚拟博物馆/植物园动漫游戏影视制作森林可视化地表纹理合成龙眼花生间作龙眼艾叶有雾雪景园林设计森林可视化场景配置自然现象模拟园林设计虚拟动物园森林景观合成与管理三维信息系统RealForest古树名木管理三维信息系统 AFaTMIS核心功能古树名木野外调查数据管理二

30、维基础地理数据管理三维真实感地形绘制交互式古树名木定植与编辑二三维一体化多媒体查询分析古树名木GPS定位追踪古树名木数据库增删改查操作管理古树名木分类统计背景林分生成与天气状况模拟古树名木网络信息服务(扩展模块)应用领域古树名木管理与保护工程森林资源的保护利用规划森林主题园区规划设计与管理辅助科研、教研与宣教产品特色支持林业和园林行业的古树名木编码规范支持古树名木野外调查表的数据批量导入，支 持第三方三维树木模型的导入以层次结构组织场景对象，分类分层方式对场 景要素进行管理和组织灵活改变树木汇总统计的显示项和顺序采用分页调度的绘制策略，支持DEM三维地形 的实时绘制支持多种策略古树名木三维或多

31、媒体表达支持对本地、数据库、远程文件的访问和读写支持树木模型沿道路行植或按林班片植二三维全方位展示古树名木空间分布，一体化 操作管理支持树木GPS定位和RFID信息的读写识别多媒体数据集成古树名木管理三维信息系统 AFaTMIS调查信息列表对象-属性联合查询行道树沿路定植背景林分展示古树名木管理三维信息系统 AFaTMIS普通查询古树名木数据库管理高级查询添加记录古树名木管理三维信息系统 AFaTMIS二三维分布浏览古树名木行政区划分布古树名木分类统计古树名木管理三维信息系统 AFaTMISRFID电子标签存储 古树名木信息模块森林景观模拟与管理系统 ForeMIS核心功能林分生长过程模拟或预

32、测林区规划与设计基于信息的林分经营管理森林调查数据的维护与管理应用领域森林资源信息化管理林区管理的规划与设计森林主题园区信息化管理辅助科研、教研与宣教农林业技术推广培训产品特色高复杂度虚拟森林场景可视化 行业针对性强，面向农林业信息化需求二维信息管理与三维可视化紧密集成与交互采用可视化界面，所见即所得、交互性强三维森林场景合成与模拟由林分数据驱动支持目标林分或林班的快速定位支持大规模森林场景的动态调度二维矢量地图与三维地形的融合匹配集成特定树种林分生长模型集成特定林分经营管理策略支持空间数据引擎和数据库管理系统森林景观可视化林分生长模拟林分经营模拟信息管理森林景观可视化14年生马尾松20年生马尾松间伐前间伐后更新造林前-荔枝更新造林后-马尾松径阶分布图密度分布森林景观模拟与管理系统 ForeMIS森林扑火方案制定和优化森林火灾扑救最优路径分析辅助林火灾后损害评估应用领域森林资源信息化管理林区的规划与设计森林