林业科学研究

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基于样本库的杉木林分生长动态可视化模拟

李思佳, 张怀清, 李永亮, 杨廷栋, 贺建平, 马载阳, 沈康

2019, 32(1): 21-30. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2019.01.004

关键词: 空间结构参数, 样本库, 林分生长, 交互, 可视化模拟

[摘要]() [引证文献] ()

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8934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R²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。

基于林分垂直空间结构特征的杉木人工林抚育间伐可视化模拟研究

朱欣然, 吕勇, 张怀清, 张江, 杨廷栋, 张鸿

2020, 33(4): 53-58. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2020.04.007

关键词: 间伐, 空间结构, 可视化模拟

[摘要]() [引证文献] ()

目的针对抚育间伐目前存在较少利用垂直空间结构参数的问题，以林分三维可视化模拟系统为基础，加入森林结构功能模块，研究一种以林分垂直空间结构参数A_Pv_i为依据，对森林经营方案原定的抚育强度进行改进的方法。方法利用林分三维场景可视化模拟系统中的森林结构功能模块，通过读取杉木样地调查表中的每木数据，在虚拟场景中模拟样地的真实情况，分析样地的各空间结构参数。结果经过考虑林分垂直结构的间伐强度间伐后的4块样地与原定间伐强度相比，平均A_Pv_i更加趋近于0，样地内林木竞争状况更加均匀，1号样地的平均A_Pv_i由0.46降到了−0.24，2号样地由0.46降为0，3号样地由−0.19提升到了−0.04，4号样地由0.40降到了0.04；平均角尺度无大幅度变化，4块样地都呈随机分布状态；4块样地中，除了3号样地外，平均大小比数均出现了较大幅度的减少。结论考虑林分垂直结构的间伐强度与原林场森林经营方案既定的间伐强度相比，改善了林分的竞争状况，使林分内的竞争状况趋近均势。林分三维场景可视化模拟系统可以精确模拟采用不同间伐强度进行间伐后的林分拟真场景及其空间结构变化情况。

基于模拟退火算法的林分多目标经营动态可视化模拟

沈康, 杨廷栋, 张怀清, 张鸿, 朱念福, 刘华

2020, 33(3): 99-106. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2020.03.013

关键词: 空间结构函数, 模拟退火算法, 林分多目标经营, 单木生长方程, 动态可视化模拟

[摘要]() [引证文献] ()

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。

基于肢体动作交互的森林经营作业模拟研究

朱念福, 张怀清, 崔泽宇, 杨廷栋, 王林龙, 刘华

2021, 34(5): 95-103. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.005.011

关键词: 森林经营作业模拟, 肢体动作, 人机交互, CAVE2

[摘要]() [引证文献] ()

目的面向森林经营作业类型复杂多样的特点，针对目前经营作业模拟普遍存在的交互性较差，缺乏自然、真实感的交互体验，以及较难以处理频繁作业能力的问题，研建了一套基于肢体动作的森林经营措施作业的交互方法。方法构建一个基于沉浸式虚拟现实与可视化模拟系统CAVE2的森林仿真场景为交互对象，选择伐木、整枝和补植等用户侧交互性强的经营措施，分析森林经营措施作业过程中的肢体动作，将仿真场景中的经营工具与使用者的相对距离和角度变化与肢体动作进行映射，构建肢体动作交互模型，实现肢体动作控制经营措施的执行，达到森林经营作业的仿真模拟。结果本研究构建的肢体动作交互模型正确地映射到了森林经营措施中，单次作业成功率达到86%，交互评价良好率达到91%。肢体动作与经营工具相结合，便于森林经营模拟交互需求的拓展。结论基于肢体动作交互的森林经营作业仿真模拟，形象直观地表现了森林经营措施作业过程，有助于加深使用者对森林经营的理解，提高森林经营辅助决策水平。

基于空间结构的杉木树冠生长可视化模拟

马载阳, 张怀清, 李永亮, 杨廷栋, 陈中良, 李思佳

2018, 31(4): 150-157. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2018.04.021

关键词: 空间结构, 冠形, 三维动态渲染, 生长可视化

[摘要]() [引证文献] ()

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R²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R²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。

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