鄧強(qiáng),袁曉紅,張懷清,李永亮,劉洋

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所,北京 100091)

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基于三維虛擬環(huán)境的林分結(jié)構(gòu)可視化分析

鄧強(qiáng)1,2,袁曉紅1,張懷清2,李永亮2,劉洋1,2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所,北京 100091)

摘要：指出了林分結(jié)構(gòu)分析對(duì)研究林分生長(zhǎng)經(jīng)營(yíng)有著極為重要的作用,通過(guò)對(duì)林分結(jié)構(gòu)的分析調(diào)整,能優(yōu)化林分結(jié)構(gòu),提高林分整體質(zhì)量。以湖南攸縣黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)杉木與鵝掌楸人工混交林為研究對(duì)象,基于三維虛擬可視化模擬系統(tǒng),對(duì)杉木樹(shù)高和胸徑結(jié)構(gòu),以及角尺度、大小比和混交度進(jìn)行可視化分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:研究提出的可視化分析方法,森林經(jīng)營(yíng)者能夠更加直觀地觀察林分的整體狀態(tài)以及所處環(huán)境,更利于其制定合理及完善的經(jīng)營(yíng)方案,提高森林生態(tài)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：三維虛擬環(huán)境;林分結(jié)構(gòu);可視化分析

1引言

林分結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營(yíng)管理中的重要因子,是森林發(fā)揮功能的基礎(chǔ),是森林生態(tài)系統(tǒng)演替的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。林分結(jié)構(gòu)包括非空間結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面:林分的樹(shù)種組成、樹(shù)高分布、年齡分布和胸徑分布等特征構(gòu)成了林分的非空間結(jié)構(gòu);林木空間大小分布、樹(shù)種空間隔離程度及林木空間分布格局等構(gòu)成了林分的空間結(jié)構(gòu)。林分空間結(jié)構(gòu)是指林木及其屬性在空間上的排列方式[2-6],決定了樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)及空間生態(tài)位,在很大程度上影響著林木的生長(zhǎng)、林分的穩(wěn)定性和經(jīng)營(yíng)空間的大小[7]。森林經(jīng)營(yíng)者對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,能夠獲取準(zhǔn)確的林分結(jié)構(gòu)調(diào)整數(shù)據(jù),方便其制定合理的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方案。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)林分結(jié)構(gòu)分析方面的研究主要分為以下幾類:王香春等[8]運(yùn)用β分布、weibull分布和正態(tài)分布對(duì)落葉松人工林的直徑分布進(jìn)行了研究,得出可用β分布來(lái)進(jìn)行直徑分布擬合。劉紅民等[9]運(yùn)用混交度、大小比、角尺度3個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析了遼東山區(qū)天然次生闊葉混交林的林分空間結(jié)構(gòu)。呂勇[10]等采用相對(duì)直徑法對(duì)湖南省黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)杉木人工林進(jìn)行研究,通過(guò)分析相對(duì)直徑與林分直徑正態(tài)分布特征關(guān)系,得出了相對(duì)直徑的特征。盡管目前相關(guān)研究較為成熟,但對(duì)林分整體結(jié)構(gòu)的分析不夠全面,且分析結(jié)果不能直觀展現(xiàn)給森林經(jīng)營(yíng)者。針對(duì)上述不足,本研究通過(guò)對(duì)樣地進(jìn)行每木調(diào)查,獲取林木數(shù)據(jù),結(jié)合MOGRE渲染引擎,模擬真實(shí)林分三維場(chǎng)景。以樣地內(nèi)林木為研究對(duì)象,對(duì)其林分非空間結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化分析。林分結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)可視化分析后,森林經(jīng)營(yíng)者通過(guò)系統(tǒng)能直接精確獲取分析結(jié)果,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)林業(yè)結(jié)構(gòu)分析方面的不足。同時(shí)可視化分析也為制定結(jié)構(gòu)調(diào)整方案,確定經(jīng)營(yíng)目標(biāo),開(kāi)展合理經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)參考依據(jù)。

2材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

本研究以湖南攸縣黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)為試驗(yàn)區(qū),選擇試驗(yàn)區(qū)內(nèi)杉木鵝掌楸林分樣地為研究對(duì)象,樣地大小為50m×50m,通過(guò)對(duì)樣地內(nèi)掛牌標(biāo)記木進(jìn)行每木調(diào)查,獲取研究數(shù)據(jù)。每木檢尺方法為:胸徑用圍尺測(cè)量,精確到0.1 cm;樹(shù)高、枝下高以及冠高用激光測(cè)高測(cè)距儀測(cè)量,精確到0.1 m;東西南北四個(gè)方向冠幅用塔尺測(cè)量,精確到0.1 m;同時(shí)用全站儀測(cè)量每棵樹(shù)木的相對(duì)坐標(biāo)。共調(diào)查了262株樹(shù),樣地基本信息見(jiàn)表1。

表1　樣地基本信息

2.2研究方法

2.2.1角尺度

角尺度是根據(jù)參照樹(shù)及其相鄰木的位置計(jì)算所構(gòu)成的較小夾角,分析林木的空間分布格局,以此描述相鄰木圍繞參照樹(shù)的均勻性。角尺度的表達(dá)式如式(1)所示。林分平均角尺度體現(xiàn)的是整個(gè)林分的空間分布格局,林分平均角尺度表達(dá)式如式(2)所示。

(1)

(2)

2.2.2大小比數(shù)

大小比數(shù)是通過(guò)比較參照木和相鄰木的胸徑大小,反映林木在生長(zhǎng)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)程度,也反映了林木在競(jìng)爭(zhēng)中所處的優(yōu)劣地位[11]。大小比數(shù)的表達(dá)式如式(3)所示。林分平均大小比數(shù)表達(dá)式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中:當(dāng)參照木i胸徑比相鄰木j大時(shí),Kij為0;當(dāng)參照木i胸徑比相鄰木j小時(shí),Kij為1。

2.2.3混交度

混交度是通過(guò)計(jì)算參照木和相鄰4株木不同樹(shù)種所占的比例,描述混交林中樹(shù)種的隔離程度?；旖欢鹊谋磉_(dá)式如式(5)所示。林分平均混交度表達(dá)式如式(6)所示。

(5)

(6)

3結(jié)果與分析

3.1構(gòu)建林分三維虛擬環(huán)境

林分三維虛擬環(huán)境的構(gòu)建是將對(duì)應(yīng)地形與單株樹(shù)木模型放置在三維場(chǎng)景中,以還原真實(shí)森林環(huán)境[12]。系統(tǒng)通過(guò)讀取DEM高程圖和加載林分樣地?cái)?shù)據(jù)表,結(jié)合Mogre渲染引擎,構(gòu)建林分三維虛擬環(huán)境(如圖1)。

3.2林分可視化分析

3.2.1杉木胸徑和樹(shù)高結(jié)構(gòu)

林分三維虛擬環(huán)境內(nèi)杉木按徑階分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示,由圖2可知,杉木樹(shù)種的徑級(jí)分布范圍整體大致呈正態(tài)分布,杉木的平均胸徑為16.8 cm,屬于近成熟林。在12～20 cm徑階范圍內(nèi),杉木株數(shù)占林木總株數(shù)的82.7 %,且胸徑較小或較大的杉木所占比例較少。杉木的樹(shù)高分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示,樹(shù)高級(jí)12 m表示樹(shù)木樹(shù)高大于10 m小于或等于12 m,其他樹(shù)高級(jí)以此類推。杉木樹(shù)高與胸徑結(jié)構(gòu)分布相似呈正態(tài)分布,杉木的平均樹(shù)高為12.6 m,樹(shù)高范圍12～16 m內(nèi)的杉木占杉木總株數(shù)的81.9 %。通過(guò)對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化分析,能夠觀察杉木不同徑階及不同樹(shù)高在林分樣地內(nèi)的分布情況,如圖3所示,胸徑為10～12 cm范圍內(nèi)的杉木在林分內(nèi)的分布情況,圖5為樹(shù)高8～10 m范圍內(nèi)的杉木在林分內(nèi)的分布情況。林分結(jié)構(gòu)可視化分析為森林經(jīng)營(yíng)者提供更全面更準(zhǔn)確地信息。

圖1　林分三維虛擬環(huán)境

圖2　杉木胸徑結(jié)構(gòu)

圖3　胸徑10～12 cm杉木分布

3.2.2林分空間分布格局

林分空間分布格局的主要類型分為聚集分布、均勻分布和隨機(jī)分布。運(yùn)用角尺度來(lái)分析林木的空間分布格局,通過(guò)林分平均角尺度來(lái)描述整個(gè)林分的均勻性。樣地角尺度分布頻率如圖6所示,樣地內(nèi)角尺度為0和1的林木所占比例很小,角尺度為0.5的林木所占比例為54.6 %,所占比例較大,充分說(shuō)明林分樣地內(nèi)大多數(shù)結(jié)構(gòu)單元呈隨機(jī)分布。根據(jù)樣地角尺度分布頻率圖,可在三維場(chǎng)景中任意觀察相同角尺度林木的分布情況,如圖7所示為角尺度0.25的林木在林分樣地內(nèi)的位置以及其分布情況。

圖4　杉木樹(shù)高結(jié)構(gòu)

圖5　樹(shù)高8～10m杉木分布

圖6　林木空間分布格局

3.2.3林木大小分化程度

大小比數(shù)是反映林分中林木個(gè)體大小分化差異的重要指標(biāo),通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)單元的大小比數(shù),分析林木在林分內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)劣勢(shì)。大小比數(shù)取值越大,周圍相鄰木胸徑對(duì)比參照木越大,林木生長(zhǎng)劣勢(shì)也越明顯。樣地大小比數(shù)分布頻率如圖8所示,不同狀態(tài)下的大小比數(shù)分布較為平均,處于劣勢(shì)地位下的林木所占比例為20.2 %;其在樣地內(nèi)的分布情況如圖9所示,通過(guò)觀察可知處于劣勢(shì)地位下的林木都為杉木,且大多數(shù)都處于鵝掌楸附近,生長(zhǎng)空間過(guò)于密集。

圖7　角尺度為0.25的林木分布

圖8　林木大小分化程度

圖9　大小比數(shù)為1的林木分布

3.2.4樹(shù)種空間隔離程度

混交度是通過(guò)對(duì)比參照木與相鄰木的樹(shù)種差異,反映林分的樹(shù)種空間隔離程度,且混交度越大,說(shuō)明林分空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,越有利于林木生長(zhǎng)。樣地混交度分布頻率如圖10所示,混交度為0的林木所占比例為75.6 %,說(shuō)明樣地內(nèi)林木樹(shù)種比較單一,樹(shù)種混交程度較低,需要補(bǔ)植除杉木以外的其他樹(shù)種來(lái)提高林分的平均混交度,優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)。混交度為1的林木所占比例為4.2 %,其在樣地內(nèi)的分布情況如圖11所示,通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)林分樣地內(nèi)鵝掌楸所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于杉木比例,且極強(qiáng)度混交的林木全為鵝掌楸。

圖10　樹(shù)種空間隔離程度

圖11　混交度為1的林木分布

4結(jié)語(yǔ)

在森林經(jīng)營(yíng)中,對(duì)林木的樹(shù)高、胸徑以及林分空間結(jié)構(gòu)的分析是必不可少的。森林經(jīng)營(yíng)者通過(guò)對(duì)林分結(jié)構(gòu)的分析,制定完善的林分結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化方案,以提高林分整體質(zhì)量水平。本研究運(yùn)用可視化模擬技術(shù),加載樣地調(diào)查數(shù)據(jù),對(duì)林分樣地進(jìn)行可視化分析;通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣地中的混交林進(jìn)行林分結(jié)構(gòu)可視化分析,結(jié)果表明林分樣地內(nèi)的杉木胸徑和樹(shù)高結(jié)構(gòu)分布呈正態(tài)分布,杉木的平均胸徑為16.8 cm,平均樹(shù)高為12.6 m,屬于近成熟林;林分樣地平均角尺度為0.469,空間分布格局屬于均勻分布,若森林經(jīng)營(yíng)者以角尺度為調(diào)整目標(biāo)制定林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,需盡量保留三維虛擬環(huán)境中角尺度取值為0.5的林木,使林分空間分布格局由均勻分布向隨機(jī)分布靠近。林分平均大小比數(shù)為0.51,總體處于中庸?fàn)顟B(tài),對(duì)于大小比數(shù)取值為1的林木需對(duì)其做相應(yīng)的調(diào)整,以促進(jìn)林木生長(zhǎng)。林分平均混交度為0.1,零度混交林木所占比例較大,樹(shù)種空間隔離程度屬于極弱度混交,應(yīng)提高林分平均混交度,以鞏固林分穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的森林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中,對(duì)林分結(jié)構(gòu)的分析往往不夠直觀準(zhǔn)確,常通過(guò)抽象數(shù)據(jù)對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,缺乏為森林經(jīng)營(yíng)者制定經(jīng)營(yíng)方案提供直觀且有效的依據(jù)。本研究將林分結(jié)構(gòu)分析與可視化技術(shù)相結(jié)合,不僅能得到樣地林分結(jié)構(gòu)的整體信息,且在三維虛擬環(huán)境中能觀察到林木所處環(huán)境,為林分樣地合理經(jīng)營(yíng)提供充分的科學(xué)依據(jù),優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)以便更好地發(fā)揮其功能。將可視化模擬技術(shù)應(yīng)用于森林經(jīng)營(yíng)中,可為森林經(jīng)營(yíng)者提供新的技術(shù)手段和方法,進(jìn)一步推進(jìn)林業(yè)信息化進(jìn)程。

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Stand Structure Visualized Analyses Based on 3D Virtual Environment

Deng Qiang1,2,Yuan Xiaohong1,Zhang Huaiqing2,Li Yongliang2,Liu Yang1,2

(1.SchoolofComputerandInformationEngineeringCentralSouthUniversityofForestryAndTechnology,HuNanChangSha410004;2.ResearchInstituteofForestryResourceInformationTechniques,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

Abstract:The analysis of stand structure plays a very important role in the research of stand growth management . The structure and quality of stand can improve a lot under analysis of the stand structure. Mixture plantation data of Cunninghamia lanceolata and Liriodendron are used in this paper, which are planted in the HuangFengQiao state-owned forest farms, YouXian County, HuNan province. And the visualized analysis of tree height, diameter structure, uniform angle index and mingling, is based on the 3D virtual visualization system. The experiment results show that the methods of visualized analysis in this paper, can help the forestry manager know about the status and environment of the whole stand easily, and also be beneficial for the manager to formulate the reasonable and perfect forest management plan. And then the methods in this paper can help improve the stability of the forest ecology.

Key words:3D virtual environment;stand structure;visualization analysis

中圖分類號(hào)：S7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2016)01-0001-04

通訊作者：袁曉紅(1966—),湖南新化人,副教授,主要從事數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)挖掘,軟件工程方面的教學(xué)與研究工作。

作者簡(jiǎn)介：鄧強(qiáng)(1989—)，男，湖南常寧人,中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-06