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。     

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。     

参数化林木个体及林分场景可视化模拟技术

以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,以1块林分边界规整的典型杉木人工同龄纯林为研究对象,测定林木胸径、树高、冠幅、冠高与活枝下高等测树因子及林木位置信息。研究冠形曲线函数,利用Direct 3D技术,实现冠形控制下的参数化林木模拟。研究林木模型格式转换方法,为林分场景构建提供模型数据,结合MOGRE技术,研究林分场景模拟技术方法,实现林分场景可视化模拟。结果表明：参数化林木个体建模算法简单适用,测树因子信息可直接用于林木个体可视化模拟,所建模型可体现林木个体差异,形态逼真;利用MOGRE技术可快速、有效模拟林分场景,所建场景真实感较强。此方法所需数据易于获取,适用性强,可对林木个体及林分场景进行逼真模拟,可为研究林木竞争关系、林分生长、林分结构与林分经营提供新思路。     

基于WF的杉木人工林交互式疏伐可视化模拟技术

以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,以杉木人工林为试验对象,测定林木胸径、树高、冠幅等测树因子及林木位置信息。利用WF技术,在定义林分生长模型、林分结构分析与林分疏伐模型等5种活动的基础上,利用人机交互方式,以图形形式建立了林分生长、林分结构与林分疏伐间交互的可视化工作流模型,实现了林分交互式疏伐可视化模拟。采用GDI+绘图技术与MOGRE渲染引擎技术,实现了林分结构、林分2维状态与林分3维场景的可视化模拟。结果表明:林分生长、林分结构与林分疏伐间的交互关系得到了直观的可视化模拟,此方法面向经营者具有可操作性强的特点。林分疏伐前后的林分结构、2维状态与3维场景得到了形象与逼真的模拟。应用交互式疏伐可视化模拟技术,可实现林分疏伐过程、效果以及林分未来状态的可视化模拟,实现对林分疏伐的实时监管,提高林分疏伐数字化管理水平。     

结合自适应阈值与峰值的LiDAR林分平均高反演方法研究

随着激光雷达获取的点云密度不断增加,提取样地尺度的林分平均高成为可能。但样地尺度林分平均高的提取精度与树种之间的关系尚不明确,急需一种能适应各种树种的林分平均高提取方法。以广西国有高峰林场为例,采用机载LiDAR点云数据生成的冠层高度模型(Canopy height model,CHM),结合地面实测的201个样地数据,提出了一种结合自适应阈值与峰值的林分平均高提取算法,并分析了树种对提取精度的影响。结果表明:1)不同树种的林分平均高提取精度存在差异,杉木精度最高,而桉树和其他阔叶树种精度次之;2)自适应阈值结合峰值的算法能够较好提取林分平均高(R²=0.75,RMSE=3.11m,rRMSE=22.07%),并且对于不同的树种都有较强的稳健性;3)阔叶树种和针叶树种对不同的提取方法存在敏感性差异。研究提取的林分平均高可为森林蓄积量与生物量反演研究提供依据和参考。     

基于模拟退火算法的林分多目标经营动态可视化模拟

[目的]基于模拟退火算法,研究一种考虑林分结构健康状况和目标平均胸径的多目标森林经营方法,同时结合单木生长方程,基于Unity3D可视化引擎实现林分经营动态可视化模拟。[方法]以湖南省攸县黄丰桥国有林场5块杉木人工纯林2012—2017年样地连年调查数据为数据源,考虑林分分布状况、竞争程度、营养空间,以平均角尺度、平均大小比、林分拥挤度3个结构参数建立空间结构函数。在此基础上,以健康林分结构和平均胸径为经营目标,以竞争指数为参考初步筛选出的间伐木组合排列的结果作为经营方案的集合,通过模拟退火算法进行最优间伐经营方案解的选择。最后,通过建立考虑Hegyi竞争指数的可变生长率的单木生长方程,以结构分析-经营-生长三者不断迭代的方式并基于Unity3D渲染引擎实现林分经营动态可视化模拟。[结果]通过对5号样地(初始林分230株,年龄16 a,平均胸径20.21 cm)以健康林分结构和30 cm林分平均胸径为经营目标进行经营动态可视化模拟,结果表明林分年龄在21、26、31 a分别进行过间伐模拟,当林分年龄31 a间伐后,林分平均胸径达到30.10 cm,林分平均角尺度为0.64,林分拥挤度为0.74,林分结构接近健康水平。[结论]本研究提出的基于模拟退火算法的林分多目标经营动态可视化模拟方法能够模拟在多目标经营需求下的林分动态,并且形象直观,可以进一步为林业科研和生产提供支持。     

林分可视化系统在官司河流域马尾松林的应用

林分可视化系统(Stand Visualization System,SVS)是模拟林分的生长状况、空间分布以及预测林分未来发展趋势的三维可视化软件。本文利用对长江上游防护林重点建设区绵阳官司河流域马尾松林林分调查数据,采用林分可视化系统展示马尾松林林分可视化流程,并对样地树高分布图、样地径阶分布图、样地冠幅比分布图、样地森林覆盖率等林分信息图进行了分析和讨论,对于官司河流域马尾松林资源管理具有重要的意义。     

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。     

采用林分平均高和密度估计人工林蓄积量

采用2015年广西森林资源连续清查第9次复查中人工林样地调查数据,按树种组(杉木、松树、桉树)建立林分每公顷蓄积量与林分平均高、林分密度(郁闭度、每公顷林木株数)二元非线性模型(不变参数和可变参数),用确定系数(R~2)和平均预估误差(MPE)等6个指标对模型进行评价和检验。结果显示:全部12个模型的总相对误差(TRE)、平均系统误差(MSE)均小于15%,MPE均小于10%,表明采用林分平均高和密度估计林分单位面积蓄积量可取得较好的效果,但可变参数模型的参数的变动系数太大,不宜采用;3个树种组中,不论是不变参数模型还是可变参数模型,以平均高和每公顷林木株数构建的模型的R~2均大于由平均高和郁闭度构建的相应模型的R~2,而剩余标准差(SEE)、MPE则相反,说明每公顷林木株数对林分每公顷蓄积量变动的解释能力优于郁闭度。综合考虑6个统计指标和参数的稳定性,3个树种组的每公顷蓄积量的最优估计模型均为由每公顷林木株数、平均高构建的不变参数模型。     

树木位置空间模式建模与预测(英文)

传统的林分生长与收获模型不能为林分和生态系统管理提供准确的空间信息。采用3种配对势函数的Gibbs点过程模型对美国东北部50块云冷杉样地里树木的空间分布模式进行模拟。该Gibbs模型能够较好地模拟这50块样地中的82%～84%,但其对完全随机分布和规则分布的样地模拟比对聚集分布的样地模拟效果要好。使用常用的林分变量如林分密度、公顷断面积、林分平均胸径、平均树高、平均冠幅和冠长建立经验回归模型对Gibbs模型的2个参数进行预测。结果表明这些回归模型对81%的样地可以得到满意的模拟效果,其中,100%的完全随机分布样地、71%的规则分布样地和56%的聚集分布样地模拟效果较好。选择3块样地对树木的模拟空间位置和实际观测位置的相似性进行对比和说明。