杉木形态结构可视化模拟调查方法研究

树木可视化模拟首先是树木形态结构的模拟,对树木形态结构的准确了解对于提高模拟精度至关重要。杉木是我国特有的重要用材树种,从杉木可视化模拟的角度出发,针对杉木的形态结构建模所需的参数,从杉木的整体信息和分枝信息两个方面设计了杉木形态结构调查因子,并提出了相应的调查方法。对所调查的杉木数据进行了统计分析,得出了杉木的结构特征:杉木一级枝仰角主要分布在60~°90°内,方位角基本属于均匀分布,二级枝分布在水平方向上;随着枝下距的增加,枝长减少;枝长越长,子枝个数越多。     

合轴分枝树木可视化模拟系统设计与实现

以槐树为例,构建了合轴分枝树木可视化模拟系统。根据可视化模拟的需要,指出了所需的形态结构因子及其与IFS因子的对应关系。以实测形态参数数据为依据,结合Logistic生长模型,基于IFS算法构建了槐树的三维模型。并以Direct X9.0为三维可视化平台,使用C#语言,采用面向对象设计思想完成了合轴分枝树木可视化模拟系统开发,实现了合轴分枝树木形态参数、生长模型参数设置以及模型输出等系统功能,较好模拟出合轴分枝树木静态与动态的三维可视化模型。     

基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟

[目的]定量研究杉木林分中不同空间结构对林木冠形生长变化的影响,实现基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟。[方法]以湖南省攸县黄丰桥国有林场为试验区,在林分中选择并划分空间结构单元,进行冠形和空间结构数据调查,将林木东南西北4个方向的活枝下高、冠高、冠幅作为林木冠形描述因子,将周围木影响距离、相对树高定义为水平空间结构参数Ph和垂直空间结构参数Pv,使用多元逐步回归的分析方法,分析冠形描述因子与年龄、水平、垂直空间结构参数的关系,建立不同空间结构下杉木冠形的生长变化模型。基于B样条曲线模拟杉木冠形,构建不同生长阶段的三维杉木模型,结合三维动态渲染技术,实现杉木树冠生长的可视化模拟。[结果]通过对年龄和水平、垂直空间结构参数的逐步回归分析,结果表明:林木活枝下高、冠高和年龄、垂直空间结构参数呈现显著相关关系,模型决定系数R~2分别为0.754和0.813;林木各向冠幅和年龄、水平空间结构参数呈现极显著相关关系,模型决定系数R~2为0.623。基于杉木树冠生长模型和三维动态渲染技术,实现了树冠在东南西北不同方向的生长可视化。[结论]通过划分空间结构单元的方法选择研究目标并进行数据调查,使用逐步回归的方法,分析杉木冠形数据和年龄与空间结构数据的关系,建立树冠各方向活枝下高、冠高、冠幅的生长模型,结合三维动态渲染技术,使用MOGRE三维渲染引擎作为工具,实现了基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟。     

杉木单木生长可视化模拟系统设计与实现

以杉木为例,采用从可视化模拟角度设计的调查参数调查杉木形态结构,根据实际调查数据对杉木形态结构特征进行了分析。结合生长曲线控制下的迭代函数系统方法,采用面向对象的设计方法,根据DIRECTX9.0提供的API及模型渲染技术,在.NET和DIRECTX9.0平台上,使用C#语言建立了杉木单木生长可视化模拟系统,实现了单株杉木静态和动态的三维可视化模拟。     

基于SketchUp和ArcGIS的校园树木三维可视化

通过外业测量获得数据并用AutoCAD绘制校园地形图及树木点图,对校园所有树木进行拍照和属性调查,利用SketchUp软件的建模技术,以DEM数据可视化时得到的三维地形模型为基础,对北京林业大学校园树木进行了三维建模仿真,实现树木三维可视化,并结合地理信息系统管理平台同步树木属性信息查询,实现了树木高效真实的可视化效果.     

虚拟森林资源信息三维可视化中树模型的生成方法

根据树木形态特征的相似性,应用IFS(Iterated Function System,迭代函数系统)方法,采用面向对象的分析和设计方法,将树的建模分为树干建模和树叶建模,建立了树的三维模型,并将其加入到虚拟森林资源信息三维可视化中。     

基于样本库的杉木林分生长动态可视化模拟

[目的]通过构建杉木生长样本库,研究一种考虑林分空间结构与生长之间交互过程的生长模拟方法,同时结合三维可视化技术,实现林分生长动态可视化模拟。[方法]以2012—2017年湖南省黄丰桥国有林场6块杉木样地的连续调查数据为数据源,考虑相邻木树冠侧方挤压及上方光照遮盖对中心木生长的影响,研建基于空间结构单元的水平、垂直空间结构参数,在此基础上,选取特征指标构建样本库,以马氏距离作为待模拟林木与样本库的匹配准则,对林木与样本库进行迭代匹配,实现考虑空间结构与生长交互过程的林分生长模拟。同时基于三维模型剖分及动态组织方法,采用节点动画技术对林分生长动态进行可视化表达。[结果]经相关性对比分析,选取年龄、胸径、水平、垂直空间结构参数及胸径连年生长率作为特征指标构建样本库预测胸径生长(包含杉木8 934株,其中死亡97株),采用线性建模预测树高、冠幅、活枝下高生长。通过对样地观测值与生长预测值进行配对样本T检验及线性回归,结果表明:胸径、树高、冠幅、活枝下高的生长预测效果良好,具体顺序为胸径树高冠幅活枝下高,线性回归决定系数R~2分别为0.925、0.556、0.482、0.459。[结论]基于样本库的林分生长动态可视化模拟方法能实现胸径、树高、冠幅、活枝下高4个指标的生长可视化,效果形象直观,能满足林业科研和生产实践要求。     

国内树木三维可视化研究进展

利用科学的计算方法,将自然界中千变万化的树木形态转换为直观的几何图形,并将其生理结构、生长过程的复杂数据在计算机中进行计算和模拟,称为单株树木的可视化研究.文章介绍了中科院的双尺度自动机模型、浙江大学对于树木的图形图像处理技术的研究以及北京林业大学针对树木生理机构对树木进行的可视化研究.分析了目前树木三维可视化研究中存在的问题,提出了今后的研究方向.     

黄枝润楠与杉木混交林生长状况研究

为调查黄枝润楠与杉木混交林的生长状况,通过采集和分析样地数据,评估了混交比例对树高、胸径、材积以及根部、叶部、枝部、干部和整株生物量的影响。结果表明：黄枝润楠与杉木混交林能够显著提高树木的生长性能,树高、胸径和材积在混交林中均显著高于单一林,主要是由于混交林中所产生的树种间互作效应,促进了树木的生长和发育,混交比例的增加导致了树高、胸径和材积的进一步增加;此外,混交林也对树木的生物量分配产生影响,混交林中,根部、叶部和枝部的生物量有所变化,由于树种之间的竞争和资源分配不均,根部和叶部生物量相对于单一林有所增加,而枝部生物量略有减少,然而,对于主干生物量的影响较小,与混交比例的变化关联不大。总体而言,黄枝润楠与杉木混交林具备较好的生长潜力和经济效益。混交林能够提高树木的生长速度和生长强度,进而促进树高、胸径和材积的增长。虽然整株生物量相对于单一林略有减少,但该减少对经济效益没有明显负面影响。因此,黄枝润楠与杉木混交林是一种具有潜力的经济林种植模式,值得进一步推广和应用。     

国内树木三维可视化研究进展

利用科学的计算方法，将自然界中千变万化的树木形态转换为直观的几何图形，并将其生理结构、生长过程的复杂数据在计算机中进行计算和模拟，称为单株树木的可视化研究。文章介绍了中科院的双尺度自动机模型、浙江大学对于树木的图形图像处理技术的研究以及北京林业大学针对树木生理机构对树木进行的可视化研究。分析了目前树木三维可视化研究中存在的问题，提出了今后的研究方向。     

Construction of tree volume equations for Chinese fir plantations in Guizhou Province,southwestern China

Forest volume, the major component of forest biomass, is an important issue in forest resource monitoring.It is estimated from tree volume tables or equations. Based on tree volume data of 1840 sample trees from Chinese fir （Cunninghamia lanceolata） plantations in Guizhou Province in southwestern China, parallel one- and two-variable tree volume tables and tree height curves for central and other areas were constructed using an error-in-variable modeling method. The results show that, although the one-variable tree volume equations and height curves between the central and other areas were significantly different, the two-variable volume equations were sufficiently close, so that a generalized two-variable tree volume equation could be established for the entire province.     

利用线性混合模型和哑变量模型方法建立贵州省通用性生物量方程

以贵州省人工杉木和马尾松地上生物量数据为例,通过利用线性混合模型和哑变量模型方法,建立了适合不同树种和区域(中心区和一般区)的通用性立木生物量方程,为简化生物量建模工作提供了有效途径。结果表明,相同直径林木的地上生物量估计值随树种、区域的不同存在一定程度的差异,带随机参数的线性混合模型和带特定参数的哑变量模型比总体平均模型的精度高;线性混合模型和哑变量模型方法均同等有效,可推广应用于其它通用性模型(如材积方程)的建立。     

近自然化改造对杉木人工林物种多样性的影响

在广西凭祥市热林中心青山实验场设置杉木人工林近自然化改造样地,进行3种间伐强度处理(75%、55%、35%),均匀套种4种阔叶树。改造5年后,研究不同间伐强度近自然经营对群落组成、物种多样性和林分生长状况的影响。结果表明:近自然化改造5年后,乔、灌、草3层的物种数明显增加,灌草层的优势种有所变化,但各间伐处理的优势物种大致相同;各间伐处理的灌木层物种多样性指数无显著差异;改造后各处理草本层物种多样性指数均高于未改造的纯林,各处理草本层的Simpon指数和均匀度指数均显著高于改造前的纯林。杉木胸径随间伐强度的增大而增加且差异显著,但各处理间树高无显著差异;套种的4种阔叶树的胸径、树高随间伐强度的增大而增加,大叶栎、红椎的胸径、树高生长量在不同间伐处理林分中有显著差异;高间伐强度改造的杉木人工林适合套种阳性树种大叶栎、米老排和中性树种红椎,中等间伐强度改造的杉木人工林适合套种耐阴性树种润楠。     

Richards多形地位指数模型研建新方法——参数置换法

以杉木为例,探讨了基于导向曲线的Richards多形地位指数模型的研建新方法——参数置换法。研究发现:利用差分方程途径可以直接推导出全新的Richards多形地位指数模型。该模型在标准年龄较低(T=4 a)时能对优势高生长进行正确预估,并且其参数值与导向曲线的模型参数拟合结果非常接近。研究还进一步从绝对平均误差(MAE)、相对平均误差(MRE)、均方根误差(RMSE)、决定系数(R2)和修正决定系数(R2adj)等5个方面对导向曲线参数值替代非同形曲线的模型参数值的有效性进行了分析。结果表明:替代与否各指标间几乎无差异,亦即用导向曲线参数值直接替代非同形曲线的模型参数值是可行的。这一研究结果为在事先无地位指数表的情况下利用临时样地的年龄-树高调查数据或间隔数据进行立地质量评价提供了可能,还为直接通过导向曲线实现多形地位指数建模提供了方法。     

萌生杉木林空间结构特征研究

利用结构参数角尺度、大小比数、混交度对浙江龙泉萌生杉木林的空间结构进行分析,结果表明:林分的平均角尺度为0.512,林分空间格局为随机分布;杉木树种分布格局为团状分布,木荷树种整体分布格局为随机分布,其它树种的整体分布格局为均匀分布;林分的平均混交度为0.438 4,在弱度混交和中度混交之间;林分中树种以胸径作为比较指标的林木个体的优势排列顺序为:苦槠、马尾松> 杉木> 樟树> 木荷> 枫香、红豆树> 拟赤杨> 榆树。根据萌生杉木林的结构特征提出经营对策, 通过合理择伐和补植乡土树种进行林分结构调整,提高林分质量,优化林分空间结构,以便更好地发挥其功能。     

Basal area growth rates of five major species in a Pinus–Cunninghamia forest in eastern China affected by asymmetric competition and spatial autocorrelation

We analyzed basal area (BA) growth using growth data obtained from permanent plots over 4 years for five major tree species in Anhui Province, eastern China. The studied species were dominant conifers (Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata) and co-dominant broad-leaved species (Castanopsis eyrei, Castanopsis sclerophylla, and Loropetalum chinense). A hierarchical Bayesian approach was used to estimate species-specific parameters and to quantify a spatially autocorrelated random effect. We selected a model that included only the following relevant predictor variables: initial size, asymmetric competition, spatially autocorrelated random effect, and random effect associated with plots. For all species analyzed, the model accounted for significant proportions of the variation (R ² = 70–98 %) in BA growth rates. The initial slope of the relationship between BA growth rate and the initial BA tended to be steeper for P. massoniana than for C. lanceolata. The BA growth rate increased from an initial low value and then leveled off, with a lower maximum BA growth rate for C. lanceolata than for P. massoniana. The BA growth rate of P. massoniana was significantly affected by asymmetric competition with neighbors. The results of our analyses were used to predict to what extent thinning neighboring trees at different intensities would reduce competition impacts on BA growth of P. massoniana and C. lanceolata. Our results also helped to clarify the ecological characteristics of the species analyzed, as well as the spatial distribution of unknown factors influencing tree growth.     

基于三维虚拟环境的林分结构调整可视化模拟技术

[目的]以真实林分三维场景为模型,结合计算机虚拟现实技术,实现对真实林分结构的调整优化可视化模拟。[方法]以湖南攸县黄丰桥国有林场杉木与鹅掌楸人工混交林为研究对象,采用可视化模拟技术,基于三维虚拟环境建立林分结构调整可视化模拟系统,实现对林分结构的优化调整进行可视化模拟。通过对林分的角尺度、大小比、混交度、开阔比等结构的计算分析,结合公告板显示技术和射线查询算法,在MOGRE构建的林分三维场景中对林分结构调整过程进行可视化模拟。[结果]样地林分结构经过调整后,平均树高由12.8 m变成13.6 m,平均胸径由17.1 cm变成18.6 cm;林分平均角尺度由0.449变为0.481,分布格局由调整前的均匀分布变成随机分布;林分平均大小比由0.511变为0.519,样地内林木生长更具有优势;林分平均混交度由0.093变为0.129,林分结构更加稳定,林分的整体质量也得到了提高。[结论]本研究采用可视化模拟技术和样地调查数据,构建虚拟三维森林环境,在三维场景中,森林经营者不仅能查看样地中每株林木构筑性属性,观察林分样地的整体状态,还能对林分结构进行优化调整,实现在虚拟森林环境中对样地林分结构调整进行可视化模拟。     

两水平非线性混合模型对杉木林优势高生长量研究

利用两水平非线性混合模型对杉木(Cunninghamia lanceolata)优势高进行分析。概述了两水平非线性混合模型并简单介绍了该模型的参数估计方法;选用了5种常见的Richards和Logistic 形式模型作为构建混合模型的基础模型,利用建模数据分别对这些基础模型各自衍生出的19种混合模型进行计算及比较,结果表明:这5种基础模型对应的最佳混合模型分别为模型(3-1) 模型(3-5);最后把这些最佳混合模型及传统的回归模型两两进行比较,结果表明:二水平非线性混合模型拟合效果比传统的回归模型拟合效果要好,并且基础模型4对应的二水平混合模型(式3-4)拟合效果最好。     

杉木人工林单木断面积生长动态模拟

应用面板数据固定效应模型对杉木人工林单木断面积生长规律进行模拟,在模拟过程中,将胸径(DBH)和活冠比例(LCR)作为自变量,又分别加入密度因子和不同类型的竞争指数,同时引入立地条件和林龄效应来解释单木断面积生长过程中的异质性。结果表明:虽然密度因子与竞争指数有较强的相关性,但是在单木断面积生长中都具有不可忽略的重要影响。立地条件与林龄对单木断面积的拟合偏差在不同的林分密度下略有不同,随立地指数或者林龄增加,其对平均单木断面积拟合偏差的影响也增大。     

基于实测数据的杉木构筑型研究

20世纪70年代,著名植物学家Halle和Oldeman首次正式提出了树木的构筑型概念并总结出热带木的23种构型模式,同时编制了分析热带树木构筑型的检索表开始了对植物构筑比较系统的研究.