馬繼東，李淑紅*，朱玉杰，王景峰，潘睿

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，哈爾濱 150086)

東北用材林精細(xì)化經(jīng)營軟件系統(tǒng)的研制

馬繼東1，李淑紅1*，朱玉杰1，王景峰1，潘睿2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱學(xué)院 工學(xué)院，哈爾濱 150086)

以東北用材林為研究對象，在構(gòu)建林木三維圖形可視化基礎(chǔ)上，研制用材林精細(xì)化經(jīng)營系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)主要應(yīng)用OpenGL開放式圖形庫技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用Visual Basic語言建立；該系統(tǒng)基于林木的實(shí)測數(shù)據(jù)和主要樹種的生長規(guī)律，結(jié)合林木的生長模型和形態(tài)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建林木的三維可視化模型；該系統(tǒng)在樹木和枝條的ER模型基礎(chǔ)上，建立了樹木和枝條的一對多access數(shù)據(jù)庫，將林木的胸徑、樹高、枝條等信息存儲起來，并采用ADO技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫，便于程序操作；該系統(tǒng)在林木可視化基礎(chǔ)上，可以施用不同強(qiáng)度的撫育間伐、不同比例的修枝等措施，分析對林木生長的影響，可以得到最優(yōu)的經(jīng)營方案；該系統(tǒng)應(yīng)用了OpenGL中的選擇和反饋機(jī)制，支持交互式操作。通過研究，該系統(tǒng)可以用于林業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)中，可以解決實(shí)際的經(jīng)營問題。

東北用材林；精細(xì)化經(jīng)營；生長模型；OpenGL；軟件設(shè)計

0 引言

森林經(jīng)營可視化模擬結(jié)合計算機(jī)可視化技術(shù)與森林經(jīng)營技術(shù)，是在模擬林木實(shí)地環(huán)境基礎(chǔ)上，對各種經(jīng)營措施分別進(jìn)行仿真研究，是近年來林業(yè)科學(xué)研究的一個重點(diǎn)方向[1]。

相比于虛擬植物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，林木的三維模擬還很少，由于樹木結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜特點(diǎn)及其與環(huán)境交互的影響，林木的可視化研究依然是業(yè)界的研究難點(diǎn)[2]。圍繞著這一領(lǐng)域，國內(nèi)外多集中于林木的生長規(guī)律的建模，對其三維可視化的研究還不多，僅有如郝小琴[3]、魏瓊[4]等的研究，且多屬于計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域；結(jié)合林木生長規(guī)律的可視化系統(tǒng)，雷相東[5]、劉兆剛[6]、舒娛琴[7]、常敏[8]等人均做過相應(yīng)的研究。

本研究基于林木的實(shí)測數(shù)據(jù)，在模擬用材林三維靜態(tài)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合用材林的生長模型及林分動態(tài)規(guī)律，模擬單木的動態(tài)生長過程，同時施用常用的營林措施并分析其對林木的影響。

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)是在AMD Athlon(tm)II X2 250(3.01GHz)，內(nèi)存2G，AMD Radeon HD 4350顯卡，500G硬盤的臺式電腦上開發(fā)調(diào)試的。

系統(tǒng)的軟件環(huán)境是在Window XP(2002 SP3)操作系統(tǒng)下，采用Visual Basic 6.0編程語言編制而成。Visual Basic是基于Basic的可視化的程序設(shè)計語言，其編程系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟆⑹录?qū)動的編程機(jī)制，將編程的復(fù)雜性封裝起來，提供了一種所見即所得的可視化的程序設(shè)計方法，簡單易用[9]。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

可視化系統(tǒng)的開發(fā)一般涉及圖形建模、場景坐標(biāo)變換、紋理映射等基本過程，由于這些過程的計算比較復(fù)雜，使得基于三維圖形的程序開發(fā)難度較大，為簡化程序的編制，從業(yè)人員多采用OpenGL即開放式圖形庫，來進(jìn)行相應(yīng)的工作。

2.1 OpenGL技術(shù)

OpenGL由Silicon Graphics開發(fā)，是計算機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，主要用于定義2D/3D圖形。在Visual Basic中應(yīng)用OpenGL進(jìn)行三維模型的設(shè)計操作大多通過第三方函數(shù)庫VBOpenGL type library(Vbogl.tlb)來進(jìn)行，它可省去大量的底層編程工作，在一般應(yīng)用的程序設(shè)計中起到事半功倍的結(jié)果[10]。

2.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的使用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是建立樹木和枝條的一對多ER關(guān)系模型，在此基礎(chǔ)上建立access數(shù)據(jù)庫，程序編制中使用ADO(Active Data Object)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢索，二是提供了圖形化的對樹木信息的瀏覽和編輯功能，主要使用了數(shù)據(jù)環(huán)境(Data Environment)和DataGrid構(gòu)件。

2.2.1 ER模型

本系統(tǒng)建立了樹木和枝條兩個實(shí)體，一棵樹木可以有多條枝條，每一枝條至多對應(yīng)一棵樹木，故二者的聯(lián)系為一對多聯(lián)系。樹木的屬性有樹木編號、生長位置、胸徑、樹高、區(qū)域等，枝條的屬性有枝條樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、著枝角度等，兩個實(shí)體的主碼都是樹木編號，系統(tǒng)建立的ER模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的ER模型Fig.1 ER model

將ER模型轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型，即將ER圖的實(shí)體按規(guī)則轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的各個表。圖1中，分別轉(zhuǎn)換成樹木和枝條的數(shù)據(jù)表，其表結(jié)構(gòu)如下所示。

樹木(樹木編號、位置X、位置Y、胸徑、樹高、區(qū)域)

枝條(樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、著枝角度)

根據(jù)關(guān)系規(guī)范理論，將上述的兩個表進(jìn)行規(guī)范化的設(shè)計，其主要目的是減少數(shù)據(jù)存儲的冗余。規(guī)范化設(shè)計要求數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須滿足范式，至少應(yīng)滿足第三層規(guī)范化形式，即：非關(guān)鍵字段完全依賴于主關(guān)鍵字，但不傳遞依賴于主關(guān)鍵字，上述的兩個表均滿足第三范式。

2.2.2 ADO技術(shù)和數(shù)據(jù)庫控件

ADO(Active Data Object)，是Microsoft公司未來的數(shù)據(jù)訪問策略，它逐步替代DAO和RDO而成為主要的數(shù)據(jù)訪問接口。ADO 最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小[11]，本系統(tǒng)中使用ADO技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的讀取。

為精簡程序，本系統(tǒng)使用了DataEnvironment和DataGrid等構(gòu)件。在設(shè)計時，使用數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)計器創(chuàng)建一個 DataEnvironment 對象。DataEnvironment 對象包括 Connection對象、Command 對象、層次結(jié)構(gòu)(Command 對象之間的關(guān)系)、分組和合計。在訪問數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)計器之前，必須在 Visual Basic 中引用它。再從“工程”菜單中，選擇“添加 Data Environment”。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵過程

(1)樹木信息的存取。依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的樹木與枝條一對多聯(lián)系的數(shù)據(jù)庫，使用ADO技術(shù)，讀取數(shù)據(jù)并賦值給數(shù)組變量。在靜態(tài)模擬時，不用改變數(shù)組的值；動態(tài)模擬時，利用定時器按樹木生長規(guī)律修改數(shù)組的值后再調(diào)用這個數(shù)組，以達(dá)到動態(tài)生長的效果。本系統(tǒng)設(shè)計了Trees和Twigs子過程進(jìn)行相應(yīng)的操作。

(2)樹木的繪制。DrawTree子過程，傳遞的參數(shù)分別為樹木的X位置、Y位置、樹木編號、胸徑和樹高。在該過程中，樹木的樹高、胸徑、枝高度、枝基徑、枝長度等隨著時間變化的量，保持在相應(yīng)的數(shù)組或變量中，在定時器模擬樹木生長時，調(diào)用相應(yīng)的值即可。在該過程中，主要使用繪制圓柱體的命令gluCylinder來繪制樹干，同時在此過程中，調(diào)用了畫枝的子過程。為加快顯示速度，使用了列表技術(shù)。

(3)枝條的繪制。DrawBranch子過程，傳遞的參數(shù)分別為枝深度、枝基徑、枝長、朝向角、著枝角度。在該過程中，主要使用繪制圓柱體的命令gluCylinder來繪制樹枝，用3段或2段相連在一起的圓柱體來體現(xiàn)枝的彎曲，為加快顯示速度，使用了列表技術(shù)。

2.4 軟件的主要功能

(1)地面的顯示和定義。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)右手坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于屏幕中心，X軸水平向右，Y軸垂直于X軸，Z軸垂直向上。在地面上繪制10 m×10 m的網(wǎng)格，以顯示大地，如圖2所示。

(2)數(shù)據(jù)存儲功能。利用Access建立樹木基本信息和樹枝信息的數(shù)據(jù)庫，存儲樹木的信息。其數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分別為：樹木信息(樹木編號、位置X、位置Y、胸徑、樹高)，樹枝信息(樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、枝著枝角度)，這兩個表為一對多關(guān)系，該表內(nèi)容可以動態(tài)進(jìn)行讀寫，如圖3所示。

(3)樹木圖形化顯示。主要利用OpenGL技術(shù)進(jìn)行樹木的繪制，按讀取的樹木位置信息，平移坐標(biāo)系、按給定的胸徑和樹高等信息，用圓柱體來繪制樹干，再通過坐標(biāo)變換，按枝的信息將樹枝繪制出來，如圖3所示。

圖2 地面Fig.2 Ground

(4)生長參數(shù)的設(shè)定和模擬。按落葉松的生長模型及其不同經(jīng)營措施下的生長規(guī)律，分別設(shè)置不同經(jīng)營期限，不同經(jīng)營措施下(撫育強(qiáng)度，修枝比例)下的生長參數(shù)。按落葉松不同時期內(nèi)的生長規(guī)律，實(shí)時將樹木的生長過程再現(xiàn)出來，為了加快顯示速度，利用OpenGL中的顯示列表技術(shù)。如圖4所示。

(5)經(jīng)營措施的效果模擬?？梢允┯貌煌慕?jīng)營措施，在生長模擬的過程中，將經(jīng)營措施的效果再現(xiàn)出來，利用落葉松的枯損模型可以確定撫育對象。此頁中可以設(shè)置不同的撫育強(qiáng)度(按株數(shù))和修枝比例(點(diǎn)樹冠的比例)，0%表示不進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)，如圖5所示。

圖4 樹木長生長10后的狀態(tài)Fig.4 The state of tree after 10 years of growth

圖5 經(jīng)營措施的施用Fig.5 Application of management measures

3 結(jié)論

通過本項目的研究，將林學(xué)專業(yè)知識與計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，建立了三維可視化的輔助經(jīng)營系統(tǒng)，它除了可以模擬樹木生長外，也可施用經(jīng)營措施，并分析各種經(jīng)營方案的效果，可以很好地預(yù)測樹木未來的生長狀況，本系統(tǒng)為簡單起見，并沒有考慮林木之間的競爭，也沒有考慮自然稀疏規(guī)律的影響。通過本項目的研究可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)樹木的生長模型精確到一級枝的水平就可以滿足生產(chǎn)經(jīng)營分析的需要。

(2)Visual Basic 和OpenGL技術(shù)結(jié)合，方便適用，可以很好地為科研者解決實(shí)際的問題。

(3)采用ADO技術(shù)，通過數(shù)組來驅(qū)動樹木的動態(tài)顯示，便于程序的調(diào)試。

目前，基于樹木生長模型的三維可視化模擬在處于研究初期，許多問題還有待進(jìn)一步研究，比如樹木全壽命周期的生長規(guī)律問題等，這些問題的解決能促進(jìn)數(shù)字林業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 劉海，張懷清，林輝.森林經(jīng)營可視化模擬研究[J].世界林業(yè)研究，2010，23(1)：21-27.

[2] 湯孟平.森林空間經(jīng)營理論與實(shí)踐[M].北京：中國林業(yè)出版社，2007.

[3] 郝小琴.森林景物的三維迭代函數(shù)系統(tǒng)建模技術(shù)的研究[J].計算機(jī)學(xué)報，1999，22(7)：768-773.

[4] 魏瓊，蔣湘寧.基于D0L系統(tǒng)的樹木三維可視化模型研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，25(3)：64-67.

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[6] 劉兆剛.樟子松人工林樹冠動態(tài)三維圖形模擬技術(shù)的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2007.

[7] 舒娛琴.虛擬森林經(jīng)營管理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43(10)：138-144.

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[10] 馬繼東，王立海.原條量材設(shè)計中基于OpenGL的交互技術(shù)的使用[J].森林工程，2007，23(6)：31-33.

[11] 馬繼東，李淑紅，朱玉杰.原條量材設(shè)計中數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用[J].森林工程，2004，20(1)：18-19.

SimulationofDelicacyManagementSoftwareforNortheastTimberForest

Ma Jidong1，Li Shuhong1*，Zhu Yujie1，Wang Jingfeng1，Pan Rui2

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.School of Technology，Harbin University，Harbin 150086)

Taking the Northeast timber forest as studying object，delicacy management software is developed on the basis of the visualization of 3D forest timbers.OpenGL，database technology and Visual Basic were used to establish the system.Based on the measured data of trees and the growth rules of main tree species，combined with the growth model and morphological structure of trees，the three-dimensional visualization model of timbers was constructed.According to the ER model of trees and branches，a one-to-many access database was established，which could store the DBH，tree height，branches and other information.ADO technology was used to read and write the database，which was easy to operate the program.On the basis of visualization，we can use different intensity tending thinning，different proportion of pruning and other measures to analyze the impact on the growth of trees，and to get the best plan.Selection and feedback mechanism in OpenGL were used to support interactive operation.This system could be used in forestry production operations and could solve the actual operational problems.

Northeast timber forest；delicacy management；growth model；OpenGL；software design

S 792

：A

：1001-005X(2017)05-0067-05

2017-03-22

黑龍江省留學(xué)歸國科學(xué)基金項目(LC2011C39)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12513031)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目(201204059)

馬繼東，博士，副教授。研究方向：系統(tǒng)仿真與優(yōu)化、工業(yè)工程。

李淑紅，碩士，副教授。研究方向：項目管理、工程造價。E-mail：Alanna_nefu@163.com

馬繼東，李淑紅，朱玉杰，等.東北用材林精細(xì)化經(jīng)營軟件系統(tǒng)的研制[J].森林工程，2017，33(5)：67-71.