杉木人工林林分可視化模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王靈霞，唐麗玉，陳崇成，陳　琪

杉木人工林林分可視化模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王靈霞，唐麗玉，陳崇成，陳琪

（福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心福建省空間信息工程研究中心，福建福州350002）

在林業(yè)領(lǐng)域，森林生長(zhǎng)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可以提供豐富的詳細(xì)信息，然而傳統(tǒng)使用文本或統(tǒng)計(jì)表的方式表達(dá)模擬結(jié)果不利于結(jié)果的分析和理解。針對(duì)此問(wèn)題，根據(jù)林分結(jié)構(gòu)描述參數(shù)和分析內(nèi)容的具體可視化需求，集成虛擬植物、可視化技術(shù)和森林徑階模型，設(shè)計(jì)了杉木人工林林分可視化模擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。利用VS2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)、ArcEngine與OSG圖形渲染引擎，在VisForest原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)集成Weibull分布模型、杉木胸徑與樹(shù)高和冠幅的關(guān)系模型等，形成杉木人工林可視化模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了林分結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析、二維可視化和二三維一體化的可視化模擬。該系統(tǒng)為林分生長(zhǎng)和林分經(jīng)營(yíng)管理的研究和決策提供了直觀高效的表達(dá)手段和可視化分析工具。

直徑分布；杉木；人工林；林分空間分布格局；可視化

0　引言

林分結(jié)構(gòu)研究歷來(lái)是森林研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建立了許多林分的生長(zhǎng)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果可以提供豐富的信息，但大部分結(jié)果以文本或統(tǒng)計(jì)表格的形式表達(dá)，不利于分析和充分理解模擬結(jié)果。在森林研究的各項(xiàng)領(lǐng)域中，林木在水平地域上的分布及林木各屬性的分布信息越來(lái)越重要，可以體現(xiàn)林木之間的競(jìng)爭(zhēng)。目前學(xué)者們已意識(shí)到林分結(jié)構(gòu)可視化的重要性，直觀的表達(dá)方式有利于洞察數(shù)據(jù)中的科學(xué)規(guī)律，因此開(kāi)展了相關(guān)研究，已取得一些研究成果。如美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局等單位聯(lián)合研發(fā)的林分可視化系統(tǒng)SVS已被較廣泛應(yīng)用于林分結(jié)構(gòu)分析中［1-2］，SVS可在林分三維視圖上通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)直接進(jìn)行林木的標(biāo)記、采伐等林分經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，但SVS沒(méi)有考慮如何利用沒(méi)有坐標(biāo)的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)的重建，且樹(shù)模型不夠真實(shí)。SCOTT I-R［3］開(kāi)發(fā)的Sylview森林可視化系統(tǒng)可用于單株木及林分的可視化。LIM E-M和HONJO T［4］用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）完成了10萬(wàn)棵樹(shù)木大規(guī)模的森林場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制模擬。法國(guó)農(nóng)科院研究所開(kāi)發(fā)的Capsis軟件已集成了單木、徑階和林分的幾十種不同的計(jì)算模型。國(guó)內(nèi)也有了林分可視化的報(bào)道，有的利用國(guó)外的研究成果進(jìn)行本地化模型的集成開(kāi)發(fā)［5-6］；有的進(jìn)行自主研發(fā)，如一個(gè)基于信息管理，集虛擬現(xiàn)實(shí)、林木生長(zhǎng)模擬與信息管理于一體的虛擬森林管理原型系統(tǒng)（VFIS）［7-9］。蔣嫻等人［10］設(shè)計(jì)了針對(duì)林分分布、生長(zhǎng)的專業(yè)模擬與可視化系統(tǒng)，可以恢復(fù)與重建林分空間結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)模擬林分生長(zhǎng)過(guò)程，預(yù)測(cè)林分生長(zhǎng)情況，并進(jìn)行二維、三維顯示。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，林分可視化已取得一定的進(jìn)展，可視化效果有所改善，但是提高三維可視化效果與緊密結(jié)合林業(yè)相關(guān)知識(shí)往往難以同時(shí)兼?zhèn)?，在追求更加趨于真?shí)的三維渲染的同時(shí)，與森林生長(zhǎng)模型和林分結(jié)構(gòu)規(guī)律空間分布的結(jié)合不夠，而且需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取難度較大，需要消耗大量人力、物力和財(cái)力，這也很大程度上限制了林分可視化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，離產(chǎn)品化和商品化有較大差距。

本文在本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的VisForest［11］森林可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成徑階分布函數(shù)及林分結(jié)構(gòu)模擬模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)杉木人工林林分結(jié)構(gòu)可視化模擬系統(tǒng)，目標(biāo)是在只有林分整體特征又不需耗費(fèi)大量人力、物力實(shí)測(cè)林分內(nèi)各林木的空間位置信息及其屬性信息的情況下，實(shí)現(xiàn)基于林分結(jié)構(gòu)規(guī)律的杉木人工林林分可視化模擬。

1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

杉木人工林林分可視化模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）模式。服務(wù)器端采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、管理和輸出等，便于每個(gè)用戶注冊(cè)登錄以及讀取自己的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和操作。程序端是林分結(jié)構(gòu)分析、可視化，通過(guò)SDE數(shù)據(jù)引擎與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，為模型分析提供相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程和數(shù)據(jù)通信方式，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可劃分為表現(xiàn)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

表現(xiàn)層主要體現(xiàn)在客戶端，包括各種用戶操作和各種分析、展示功能的實(shí)現(xiàn)，用于滿足用戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求。表現(xiàn)層包括3個(gè)功能模塊：（1）杉木人工林二維林相圖的信息管理模塊：實(shí)現(xiàn)二維林相圖的加載，放大、縮小、選擇小班、林木信息查詢以及漫游到指定地點(diǎn)等地圖操作和屬性信息查詢管理功能。（2）杉木人工林林分二維可視化模擬模塊：以直方圖和散點(diǎn)圖的方式對(duì)杉木人工林林分結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行二維可視化模擬。（3）杉木人工林林分三維可視化模擬模塊：根據(jù)林分密度、年齡等信息以及林分結(jié)構(gòu)規(guī)律，重建林分三維場(chǎng)景。

邏輯層是系統(tǒng)的核心，是對(duì)系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)以及交互、連接過(guò)程的抽象表達(dá)，闡述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。邏輯層中的主要模塊包括：DEM地形和地形紋理的加載和繪制、杉木人工林林分直徑、樹(shù)高分布模型、林分空間分布格局算法。地形和紋理的加載和繪制是構(gòu)建虛擬森林場(chǎng)景的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，通過(guò)ArcEngine組件和工具包實(shí)現(xiàn)與SDE數(shù)據(jù)引擎通信來(lái)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形和紋理數(shù)據(jù)；利用地景渲染工具箱osgEarth進(jìn)行三維地形和紋理的加載和繪制。單樹(shù)建模引擎為單棵樹(shù)三維幾何模型的繪制以及林分的可視化模擬提供了樹(shù)木三維模型驅(qū)動(dòng)引擎。利用OSG進(jìn)行三維場(chǎng)景的組織和管理優(yōu)化，可以構(gòu)建高效、真實(shí)的虛擬森林場(chǎng)景。

數(shù)據(jù)層用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，主要包括以下數(shù)據(jù)：森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)、林相圖、DEM地形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、典型樹(shù)種模板庫(kù)等。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

杉木人工林林分可視化模擬系統(tǒng)在VisForest［11］的基礎(chǔ)上，以C++作為系統(tǒng)編程語(yǔ)言，在VS2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，利用ArcEngine組件和工具包、OSG圖形圖像渲染引擎，在服務(wù)器端安裝Microsoft SQL 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的讀取、管理以及系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

2.1林分三維可視化

森林是由樹(shù)木為主體所組成的地表生物群落。要真實(shí)模擬森林環(huán)境，必備的數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型、單株木模型、林木的分布密度，要分析林分結(jié)構(gòu)信息，還需要樹(shù)齡、平均胸徑、平均樹(shù)高。單株木三維模型采用參數(shù)化單樹(shù)建模軟件ParaTree［12］，根據(jù)杉木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征建立杉木不同形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的三維模型。三維林分場(chǎng)景構(gòu)建是在三維地形景觀基礎(chǔ)上，按一定的空間分布格局把樹(shù)木種植于地形上形成的。

2.1.1林分空間分布格局分配算法

雖然利用Weibull分布模型可以對(duì)林分的直徑分布進(jìn)行擬合，但缺乏空間位置信息，難以對(duì)林分進(jìn)行真實(shí)可靠的可視化模擬。本文根據(jù)森林空間分布的一般規(guī)律，即規(guī)則分布、隨機(jī)分布和聚集分布三種空間分布方法［13］，結(jié)合直徑分布，模擬不同徑階的空間分布情況?？臻g分布算法流程圖如圖2所示。

（1）規(guī)則分布：規(guī)則分布中，種群個(gè)體都是等距離分布的，或者個(gè)體之間保持均勻的距離。種群各處的密度相等。林木在水平空間均勻等距地分布。這種情況在自然的情況下極為罕見(jiàn)，人工林有一定的株行距，常呈均勻分布。每株木空間平面位置的計(jì)算流程如圖2（a）所示。

（2）隨機(jī)分布：是指每一個(gè)個(gè)體在種群各個(gè)點(diǎn)上的出現(xiàn)具有同等的機(jī)會(huì)，并且某一個(gè)個(gè)體的存在不影響其他個(gè)體的分布，個(gè)體分布是偶然的；林木以連續(xù)而均勻的概率在林地上分布。每株木空間平面位置的計(jì)算流程如圖2（b）所示。

（3）聚集分布：又稱集群分布或者核心分布。這種分布中，種群個(gè)體分布極不均勻，在各處的密度相差很大，常成簇、塊或群密集分布。其成因可能是由于環(huán)境的差異，或者植物傳播種子以母樹(shù)為中心擴(kuò)散，或者種間的相互關(guān)系等。每株木空間平面位置的計(jì)算流程如圖2 （c）所示。

圖2　林分空間分布格局模擬算法流程圖

2.1.2林分場(chǎng)景的繪制

林分中地形三維可視化是基于DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，采用可規(guī)模化的地景渲染工具箱osgEarth進(jìn)行三維地形和紋理的加載和繪制。林分場(chǎng)景的可視化過(guò)程為：從二維林相圖中交互地選擇一個(gè)小班，獲取小班的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、林木分布密度以及林木的相關(guān)幾何信息（平均胸徑、平均樹(shù)高、冠幅等）。由林分密度和林木空間分布格局分配算法確定樹(shù)木的二維分布位置，再根據(jù)DEM計(jì)算樹(shù)木的高程位置即可確定樹(shù)木的三維位置信息。最后從單樹(shù)模型庫(kù)中讀取相應(yīng)樹(shù)模型，并根據(jù)當(dāng)前小班的林木屬性信息以及林分結(jié)構(gòu)分布模型進(jìn)行樹(shù)模板參數(shù)修正，加載到場(chǎng)景中進(jìn)行林分場(chǎng)景的構(gòu)建。

3　應(yīng)用實(shí)例

以福建省漳平市五一林場(chǎng)的數(shù)據(jù)為例，用戶可交互式選擇一個(gè)小班，然后小班的信息就顯示在整體信息描述中；選擇一種空間格局分布方式；系統(tǒng)根據(jù)小班信息和相關(guān)模型得到小班直徑、樹(shù)高分布；最后確定進(jìn)行林分可視化模擬。

（1）杉木人工林林分結(jié)構(gòu)信息可視化

以五一林場(chǎng)中一個(gè)小班為例，小班面積為124畝，小班平均胸徑為13.5 cm，每畝林木株數(shù)為136。該小班各徑階中值與其對(duì)應(yīng)的林木株數(shù)、林木樹(shù)高的關(guān)系如圖3所示。

圖3　林分結(jié)構(gòu)信息可視化

圖3直觀呈現(xiàn)出小班各徑階林木株數(shù)以及各徑階中值對(duì)應(yīng)的杉木平均樹(shù)高的分布情況。該小班中徑階中值13 cm的林木株數(shù)最大，徑階中值25 cm的林木平均樹(shù)高最高。圖中直觀呈現(xiàn)出了林分直徑、樹(shù)高分布狀況，為林分其他調(diào)查因子的研究、開(kāi)展林分結(jié)構(gòu)分析研究以及林分經(jīng)營(yíng)管理，提供科學(xué)直觀的可視化表達(dá)。

（2）杉木人工林二三維一體化可視化模擬

直徑分布模型、胸徑與樹(shù)高關(guān)系模型的估算結(jié)果不僅為林分結(jié)構(gòu)的可視化模擬提供了直徑和樹(shù)高分布情況，也為單株木模擬提供了必要的胸徑和樹(shù)高因子。本文采用三種分布方式分配小班內(nèi)林木的種植點(diǎn)，采用可視化技術(shù)對(duì)林分進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。

圖4中冠幅分布圖中灰色圓的中心坐標(biāo)代表林木空間位置，直徑代表林木冠幅。通過(guò)圖可清楚看到杉木人工林結(jié)構(gòu)分布，為調(diào)整林分結(jié)構(gòu)、改善林分生長(zhǎng)環(huán)境提供了可視化分析工具。

圖4　杉木人工林二三維一體化可視化模擬

4　結(jié)論

本文面向林業(yè)信息可視化，基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)、虛擬植物等技術(shù)，提出了一種結(jié)合林分結(jié)構(gòu)分布規(guī)律的林分可視化模擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)形成系統(tǒng)。系統(tǒng)集二維數(shù)據(jù)管理、三維景觀模擬于一體，為林業(yè)研究者和用戶提供了一個(gè)更加真實(shí)的林分可視化模擬工具，可以在林分可視化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)森林景觀尺度的可視化和相關(guān)分析功能。以漳平五一林場(chǎng)的數(shù)據(jù)為例，給出了系統(tǒng)的部分應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明，軟件系統(tǒng)能夠表達(dá)林分結(jié)構(gòu)分布規(guī)律，更加真實(shí)地模擬杉木人工林。

森林可視化模擬是林業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵與核心。森林是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)，本文側(cè)重于林分現(xiàn)狀的分析，下一步將與林分生長(zhǎng)模型結(jié)合，模擬林分生長(zhǎng)過(guò)程。

［1］唐麗玉，陳崇成，權(quán)兵.森林景觀的計(jì)算機(jī)建模與可視化研究進(jìn)展［J］.林業(yè)科學(xué)，2006，42（10）：109-116.

［2］高廣磊，丁國(guó)棟，張佳音，等.林分結(jié)構(gòu)可視化模型的原理及應(yīng)用與展望［J］.世界林業(yè)研究，2011，24（3）：42-46.

［3］SCOTT I-R.Sylview：a visualization system for forest management［D］.Columbia：University of Missouri，2006.

［4］LIM E-M，HONJO T.Three-dimensional visualization forest of landscapes by VRML［J］.Landscape and Urban Planning，2003：175-186.

［5］高廣磊，丁國(guó)棟，肖萌，等.人工混交林的林分可視化研究［J］.水土保持通報(bào)，2012，32（6）：158-162.

［6］李秀全，徐有明，涂俊杰，等.可視化系統(tǒng)在濕地松人工林演示中的應(yīng)用［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，31（5）：121-124.

［7］陳崇成，唐麗玉，權(quán)兵，等.基于信息管理的一種虛擬森林景觀構(gòu)建及應(yīng)用探討［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16 （11）：2047-2052.

［8］許文強(qiáng)，唐麗玉，陳崇成，等.森林景觀模擬與管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2009，11 （5）：83-89.

［9］權(quán)兵，唐麗玉，陳崇成，等.虛擬地理環(huán)境下的林分生長(zhǎng)可視化研究［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24（3）：224-228.

［10］蔣嫻，張懷清，賀姍姍，等.林分可視化模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2009，22（4）：597-602.

［11］Tang Liyu，Chen Chongcheng，Zou Jie，et al.OntoPlant：an integrated virtual plant software package for different scale applications［C］.2011 IEEE International Couference on Spatial Data Mining and Geographical Knowledge Services（ICSDM），2011：308-314.

［12］林定，陳崇成，唐麗玉，等.基于顏色編碼的虛擬樹(shù)木交互式修剪技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（11）：1799-1807.

［13］李永亮，鞠洪波，張懷清，等.基于林分特征的林木個(gè)體信息估算可視化模擬技術(shù)［J］.林業(yè)科學(xué)，2013，49 （7）：99-105.

Design and im p lementation of visual simulation system of cunningham ia lanceolata p lantations

Wang Lingxia，Tang Liyu，Chen Chongcheng，Chen Qi
（National Engineering Research Centre of Geospatial Information Technology，Spatial Information Research Center of Fujian Province，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

In the field of forestry，the output of forest growth models provides a wealth of detailed information that can often be difficult to analyze and perceive due to presentation either as plain text or summary tables.In this paper，based on visual demand of description parameters and analysis content of stand structure，we analyze tree height and diameter distribution rule and design the structure of visual simulation system of cunninghamia lanceolata plantation using Weibull distribution model，diameter and height model of cunninghamia lanceolata.On the basis of VisForest prototype system，VS2008 development platform，ArcEngine and OSG graphics rendering engine are used to develop visual simulation system of cunninghamia lanceolata plantations.The system has functions of the statistical analysis of stand structure and the integration of 2D and 3D visual simulation.The system provides intuitive and efficient expression means and visual analysis tools for stand growth and forest management or research.

diameter distribution；cunninghamia lanceolata；plantation；forest spatial distribution pattern；visual simulation

TP391.9

A

1674-7720（2015）04-0093-04

國(guó)家863計(jì)劃（2012AA102002）；福建省產(chǎn)學(xué)研重大項(xiàng)目（2012N5006）

（2014-10-28）

王靈霞（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：虛擬地理環(huán)境，虛擬植物。

唐麗玉（1972-），女，博士，副研究員，主要研究方向：地學(xué)可視化與虛擬地理環(huán)境，虛擬植物。

陳崇成（1968-），男，博士，教授，主要研究方向：地學(xué)可視化與虛擬地理環(huán)境，空間數(shù)據(jù)挖掘與地理知識(shí)服務(wù)。