人工林林分交互式经营可视化模拟技术研究

【摘要】提高林业信息化管理水平服务现代林业建设，是当今林业科学研究与管理实践领域面临的重要工作。分析研究森林生长变化、森林结构特征以及森林经营措施，对于最大限度地发挥森林多种效益意义重大。以森林经理学理论为指导，适应现代林业建设需求，将可视化模拟技术应用到森林经营管理当中，以期利用可视模式提高森林生长模拟精度、增强对森林结构的理解和认识以及提升森林经营决策能力。由此，可为解决现代森林经营中面临的问题、实现森林信息化高效经营提供新方法，进而提高林业信息化管理水平。本研究将林分经营理论及实践与计算机可视化模拟技术相结合，提出了人工林林分交互式经营可视化模拟技术，并研发了面向经营者的可用定量化方法实现林分经营目标的人工林林分交互式经营可视化模拟系统，以期为经营者能够实时掌握林分动态变化，实现林分实时监管提供技术支持。试验数据（3块杉木人工林样地，1块杉木马尾松人工林样地）全部来自于湖南攸县黄丰桥国有林场，所做的主要工作和取得的成果有以下几个方面：（1）自定义生长模型参数下的林分生长可视化模拟方法首先，构建常用的含有未知参数的模型库，封装模型变量计算方法；其次，在构建图形化林分生长活动的基础上，结合参数自定义接口实现了模型的存储；最后，提出了模型的读取与解析方法，并将其与林分生长可视化模拟方法相结合，为后续开展林分生长可视化模拟提供了基础。此种方法将估算模型从程序代码中解放出来，支持经营者人机交互式定义模型参数，为经营者自定义适用于当地林分生长规律的数学估算模型提供了技术支持，保证了模型的估计精度，为提高林分生长可视化模拟精度提供了新思路。（2）林分生长、林分结构与林分经营交互过程可视化模拟技术首先，结合林分经营实践，参照经营措施技术指标确定方法，在提出7个采伐木决策因子的前提下，利用WF技术创建了21个图形化相关活动（6个经营措施活动：人工整枝、抚育间伐、择伐、渐伐、皆伐和更新采伐，1个林分生长活动，1个林分结构分析活动，7个采伐木决策因子活动和6个其他相关活动），并由此构建了经营措施条件判断可视化模型与3类采伐木决策可视化模型；其次，通过定义工作流运行时引擎与自定义活动跟踪服务，实现了林分生长、林分结构与林分经营交互过程可视化模拟流程的解析与流转；最后，利用GDI+与MOGRE技术，以2维3维图形图像的方式对经营前后的林分状况进行了可视化模拟。以杉木人工林生长伐为例，开展模拟试验。结果显示：在面向经营者的可视化工作流设计器中，此种方法支持经营者利用拖拽、定义的方法构建林分生长、林分结构与林分经营交互过程流程模型，可对此交互过程进行可视化模拟。（3）林分交互式经营措施方法决策可视化模拟技术归纳林分经营目标，选择方法决策准则（采伐量、郁闭度、平均胸径、混交度等），并将其封装为经营措施方法决策活动的属性，以此构建林分交互式经营措施方法决策活动。分析经营措施方法决策活动执行过程，建立了林分交互式经营措施方法决策模型并实现了可视化模拟。以杉木人工林生长伐方法决策为例，开展了择优试验。结果表明：此种方法可按决策准则（采伐量），从多种具体方法中选择更加贴近经营目标的方法进行可视化模拟，整个过程可适应林分经营实践的要求。（4）基于林分虚拟环境的交互式林分经营措施活动可视化模拟技术基于Direct3D绘制技术，利用几何体建模方法，以两个圆台模拟树干、两个成一定折合角度的四边形模拟树枝，以冠形曲线控制树枝空间分布，构建了基于胸径、树高、冠高、冠幅、活枝下高与冠形等参数的参数化林木个体模型，最后将所建模型存储为mesh格式的文件（含78个submesh）。在利用MOGRE渲染引擎构建的林分场景中，通过利用射线查询算法和可查询到面片级别的查询算法，实现了交互式林木采伐过程与林木整枝过程的可视化模拟。以杉木人工林为例，开展了模拟试验。结果显示：利用参数化林木个体可视化模型建模方法，可以快速构建反映多个测树因子信息的林木3D模型；交互式林木采伐过程与林木整枝过程得到了形象直观的可视化模拟。在虚拟环境中经营者可精确选择采伐木与整枝对象，增强了经营者与林分虚拟环境的交互能力，为开展经营措施活动提供了另一种可行的途径。（5）人工林林分交互式经营可视化模拟系统设计与应用在已提出的技术方法、模型和算法的基础上，开发了人工林林分交互式经营可视化模拟系统。以杉木马尾松人工混交林单株择伐为例，进行了系统应用。结果表明：此系统可在保证林分生长模拟精度的情况下，以图形图像的方式对林分生长变化、林分结构特征分析、林分经营措施开展与林分环境进行可视化模拟，并将林分实时状况呈现给经营者。整个系统具有很强的人机交互能力、可视性、可操作性与适用性，可用于建立林分经营流程可视化模型，可视化模拟林分交互式经营，以及提高林分经营自动化能力和真正指导林分经营实践。整套技术方法的提出及实现，可为林分经营提供科技含量高的技术方法和应用平台，可实现林分实时监管，并显著提高林分经营管理水平。
【作者】李永亮；
【导师】鞠洪波；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，森林经理学，2014，博士
【关键词】交互式经营；林分生长；林分结构；可视化模拟；人工林；

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