我国国土辽阔,森林资源种类丰富,森林面积和林木蓄积量均处于世界前列,全国森林资源清查可以获取到我国森林资源的众多数据,但是却无法细致直观的反应出这些资源到底分布在哪,不同区域的资源质量又如何。为此,我们迫切的需要一种能够直观的反映森林资源分布状况的技术方案来解决当前问题。森林景观可视化是近年来兴起的能够直观表现森林结构及资源分布的一种方法。森林景观可视化不仅可以直观的展现出当前森林的结构格局,而且可以展现出病虫害以及经营采伐等干扰因子对森林景观的影响,模拟出森林植被的动态变化,对于进一步开展森林动态变化研究以及森林经营管理都有现实的指导意义。同时,森林景观可视化可以从看似无序的森林景观中发现潜在的规律,为森林景观规划和森林经营管理提供重要依据,有助于森林资源的高效分析和管理。森林景观可视化可以有效的解决上文中提到的诸多问题。但是,当前大规模森林景观的构建存在着以下两个方面的问题。其一,大规模森林景观往往含有百万棵以上的树木以及其他不计其数的场景对象,计算机需要耗费巨大的外存和内存资源去存储这些场景对象数据。其二,大规模森林景观往往含有千万级以上的三角形面片,计算机需要对大规模的可见面片进行实时的渲染及动态的模拟。普通PC机的软硬件条件支持小规模的森林场景的渲染,但是对于百万颗树木以上的大规模森林景观实时渲染则常常出现加载慢、帧率低(10FPS以下),CPU负载过高甚至死机的情况。基于上述原因,本研究提出了基于GPU的大规模森林景观可视化模拟及优化技术,研发了大规模森林景观可视化模拟系统,实现了森林景观的快速构建和交互式可视化模拟,解决了大规模森林景观的实时渲染以及森林景观数据占用内外存资源过多的问题,为森林资源的信息化建设和高效管理提供了一个实用的平台。最后,选取新疆霍城果子沟林区作为实验模拟对象,以森林资源二类调查数据、DEM数据、遥感数据、外业调查数据等作为基础数据源,使用自主研发的模拟平台实现了果子沟林区的森林景观的可视化模拟。总的来说,本研究的主要贡献主要集中在以下几点上:(1)林木实时渲染及优化表达技术提出了一种基于树木模型拆分并通过网格掩码实现林木个体多样化表达的方法。树木模型是构建森林景观的基本元素,树木模型的结构组成和数据复杂度直接关系到大规模森林景观的实时渲染效率。结合前人的研究,使用改进型的ifs系统对树木结构进行建模、使用简化的单曲线模型对冠形进行建模。通过对林场内树木个体的观察分析,将树木模型拆分为树干、分枝以及叶片等子模型,使用模型掩码对相应的模型进行标识以建立各类树种的子模型库。子模型具有各自独立的结构及纹理lod,这样也能增加更多的树木的层次细节,增强树木个体的视觉表现。在进行单木实体渲染时,可通过掩码的随机组合生成具有形态差异的树木个体。同时,使用几何与图像结合的方法对处于最远端的树木个体进行优化处理,以加快单木模型的实时渲染。(2)基于改进型场景图理论的大规模森林景观场景管理由于森林景观的数据量巨大、各类对象众多,直接采用线性遍历将耗费系统大量的时间,大大降低系统的实用性和可操作性。因此,在渲染时必须对森林景观中实体对象进行有效的组织和管理。通过对大规模场景组织结构的分析发现:大规模森林景观的场景类型应该是一个静态场景与动态场景所组成的混合结构。综合对场景图和八叉树理论的分析,从程序设计的角度提出了基于改进型场景图理论的大规模森林景观的场景管理设计方案。其主要思路是利用场景节点关联场景图与八叉树,利用封装和继承的思想,使八叉树内的所有节点octreenode都继承场景节点scenenode,使八叉树的节点不仅能够表述其空间分布特点,还能够继承场景图所表述的实际层级关系。这样,在大规模森林场景构建时,使用场景管理器可以同时实现森林场景树与八叉树的协同管理。使用改进型的场景图理论实现了大规模森林景观中的静态和动态实体的高效管理,减少了实体对象遍历的cpu开销,加快了三维场景中的交互式可视化操作。(3)大规模森林景观实时渲染及动态模拟技术研究大规模森林景观的实时渲染需要同时满足百万棵以上的非单一化树木模型的实时绘制。为实现上述要求,对多种实例化技术的实现原理、内存占用、cpu负载以及技术适用性等进行分析和研究,提出了一种基于硬件实例化与顶点纹理拾取融合的技术。使用硬件实例化方法通过对树干、分枝以及树叶等树木分组模型库进行实例化,在渲染时通过随机组合能够实现多样化的树木实体的高效绘制。以顶点纹理提取技术来把实体的骨骼信息储存为一张纹理,之后为相应的实体选择正确的骨骼,这样就能够实现硬件实例化技术所不具备的实体动画功能,实现森林场景的动态模拟。实验证明了基于硬件实例化与顶点纹理拾取融合的技术能够大幅的降低内存占用和CPU负载,是非常理想的实例化实现方案。(4)大规模森林景观可视化模拟系统综合前面各项相关技术的研究工作、算法实践,从功能模块、性能、结构组成等方面详细分析,建立大规模森林景观可视化模拟系统原型。以新疆霍城县果子沟林区作为本研究的试验区,对果子沟林区近300 km2的森林景观进行了三维可视化模拟。整个林区包括林木在内的场景对象多达200万个,初步实现了林场漫游、小班属性数据检索、查询、记录、修改等三维交互式操作功能,总体平均帧率可达20FPS以上,满足了实际应用需要。上述大规模森林景观可视化模拟技术方法的提出及试验,为森林资源的信息化建设和高效管理提供了一套可靠的解决方案。