基于三维虚拟环境的林分结构可视化分析

邓强,袁晓红,张怀清,李永亮,刘洋

(1.中南林业科技大学 计算机与信息工程学院,湖南 长沙 410004;2.中国林业科学研究院资源信息所,北京 100091)



基于三维虚拟环境的林分结构可视化分析

邓强1,2,袁晓红1,张怀清2,李永亮2,刘洋1,2

(1.中南林业科技大学 计算机与信息工程学院,湖南 长沙 410004;2.中国林业科学研究院资源信息所,北京 100091)

摘要：指出了林分结构分析对研究林分生长经营有着极为重要的作用,通过对林分结构的分析调整,能优化林分结构,提高林分整体质量。以湖南攸县黄丰桥国有林场杉木与鹅掌楸人工混交林为研究对象,基于三维虚拟可视化模拟系统,对杉木树高和胸径结构,以及角尺度、大小比和混交度进行可视化分析。实验结果表明:研究提出的可视化分析方法,森林经营者能够更加直观地观察林分的整体状态以及所处环境,更利于其制定合理及完善的经营方案,提高森林生态的稳定性。

关键词：三维虚拟环境;林分结构;可视化分析

1引言

林分结构是森林经营管理中的重要因子,是森林发挥功能的基础,是森林生态系统演替的主要驱动力[1]。林分结构包括非空间结构与空间结构两个方面:林分的树种组成、树高分布、年龄分布和胸径分布等特征构成了林分的非空间结构;林木空间大小分布、树种空间隔离程度及林木空间分布格局等构成了林分的空间结构。林分空间结构是指林木及其属性在空间上的排列方式[2-6],决定了树木之间的竞争势及空间生态位,在很大程度上影响着林木的生长、林分的稳定性和经营空间的大小[7]。森林经营者对林分结构进行分析,能够获取准确的林分结构调整数据,方便其制定合理的经营目标及结构优化调整方案。目前,国内外对林分结构分析方面的研究主要分为以下几类:王香春等[8]运用β分布、weibull分布和正态分布对落叶松人工林的直径分布进行了研究,得出可用β分布来进行直径分布拟合。刘红民等[9]运用混交度、大小比、角尺度3个空间结构参数分析了辽东山区天然次生阔叶混交林的林分空间结构。吕勇[10]等采用相对直径法对湖南省黄丰桥国有林场杉木人工林进行研究,通过分析相对直径与林分直径正态分布特征关系,得出了相对直径的特征。尽管目前相关研究较为成熟,但对林分整体结构的分析不够全面,且分析结果不能直观展现给森林经营者。针对上述不足,本研究通过对样地进行每木调查,获取林木数据,结合MOGRE渲染引擎,模拟真实林分三维场景。以样地内林木为研究对象,对其林分非空间结构和空间结构进行可视化分析。林分结构经过可视化分析后,森林经营者通过系统能直接精确获取分析结果,弥补了传统林业结构分析方面的不足。同时可视化分析也为制定结构调整方案,确定经营目标,开展合理经营措施提供科学参考依据。

2材料与方法

2.1试验材料

本研究以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,选择试验区内杉木鹅掌楸林分样地为研究对象,样地大小为50m×50m,通过对样地内挂牌标记木进行每木调查,获取研究数据。每木检尺方法为:胸径用围尺测量,精确到0.1 cm;树高、枝下高以及冠高用激光测高测距仪测量,精确到0.1 m;东西南北四个方向冠幅用塔尺测量,精确到0.1 m;同时用全站仪测量每棵树木的相对坐标。共调查了262株树,样地基本信息见表1。

表1　样地基本信息

2.2研究方法

2.2.1角尺度

角尺度是根据参照树及其相邻木的位置计算所构成的较小夹角,分析林木的空间分布格局,以此描述相邻木围绕参照树的均匀性。角尺度的表达式如式(1)所示。林分平均角尺度体现的是整个林分的空间分布格局,林分平均角尺度表达式如式(2)所示。

(1)

(2)

2.2.2大小比数

大小比数是通过比较参照木和相邻木的胸径大小,反映林木在生长过程中的优势程度,也反映了林木在竞争中所处的优劣地位[11]。大小比数的表达式如式(3)所示。林分平均大小比数表达式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中:当参照木i胸径比相邻木j大时,Kij为0;当参照木i胸径比相邻木j小时,Kij为1。

2.2.3混交度

混交度是通过计算参照木和相邻4株木不同树种所占的比例,描述混交林中树种的隔离程度。混交度的表达式如式(5)所示。林分平均混交度表达式如式(6)所示。

(5)

(6)

3结果与分析

3.1构建林分三维虚拟环境

林分三维虚拟环境的构建是将对应地形与单株树木模型放置在三维场景中,以还原真实森林环境[12]。系统通过读取DEM高程图和加载林分样地数据表,结合Mogre渲染引擎,构建林分三维虚拟环境(如图1)。

3.2林分可视化分析

3.2.1杉木胸径和树高结构

林分三维虚拟环境内杉木按径阶分布统计结果如图2所示,由图2可知,杉木树种的径级分布范围整体大致呈正态分布,杉木的平均胸径为16.8 cm,属于近成熟林。在12～20 cm径阶范围内,杉木株数占林木总株数的82.7 %,且胸径较小或较大的杉木所占比例较少。杉木的树高分布统计结果如图4所示,树高级12 m表示树木树高大于10 m小于或等于12 m,其他树高级以此类推。杉木树高与胸径结构分布相似呈正态分布,杉木的平均树高为12.6 m,树高范围12～16 m内的杉木占杉木总株数的81.9 %。通过对林分结构进行可视化分析,能够观察杉木不同径阶及不同树高在林分样地内的分布情况,如图3所示,胸径为10～12 cm范围内的杉木在林分内的分布情况,图5为树高8～10 m范围内的杉木在林分内的分布情况。林分结构可视化分析为森林经营者提供更全面更准确地信息。

图1　林分三维虚拟环境

图2　杉木胸径结构

图3　胸径10～12 cm杉木分布

3.2.2林分空间分布格局

林分空间分布格局的主要类型分为聚集分布、均匀分布和随机分布。运用角尺度来分析林木的空间分布格局,通过林分平均角尺度来描述整个林分的均匀性。样地角尺度分布频率如图6所示,样地内角尺度为0和1的林木所占比例很小,角尺度为0.5的林木所占比例为54.6 %,所占比例较大,充分说明林分样地内大多数结构单元呈随机分布。根据样地角尺度分布频率图,可在三维场景中任意观察相同角尺度林木的分布情况,如图7所示为角尺度0.25的林木在林分样地内的位置以及其分布情况。

图4　杉木树高结构

图5　树高8～10m杉木分布

图6　林木空间分布格局

3.2.3林木大小分化程度

大小比数是反映林分中林木个体大小分化差异的重要指标,通过计算结构单元的大小比数,分析林木在林分内的竞争优劣势。大小比数取值越大,周围相邻木胸径对比参照木越大,林木生长劣势也越明显。样地大小比数分布频率如图8所示,不同状态下的大小比数分布较为平均,处于劣势地位下的林木所占比例为20.2 %;其在样地内的分布情况如图9所示,通过观察可知处于劣势地位下的林木都为杉木,且大多数都处于鹅掌楸附近,生长空间过于密集。

图7　角尺度为0.25的林木分布

图8　林木大小分化程度

图9　大小比数为1的林木分布

3.2.4树种空间隔离程度

混交度是通过对比参照木与相邻木的树种差异,反映林分的树种空间隔离程度,且混交度越大,说明林分空间结构越稳定,越有利于林木生长。样地混交度分布频率如图10所示,混交度为0的林木所占比例为75.6 %,说明样地内林木树种比较单一,树种混交程度较低,需要补植除杉木以外的其他树种来提高林分的平均混交度,优化林分结构。混交度为1的林木所占比例为4.2 %,其在样地内的分布情况如图11所示,通过观察可发现林分样地内鹅掌楸所占比例远远少于杉木比例,且极强度混交的林木全为鹅掌楸。

图10　树种空间隔离程度

图11　混交度为1的林木分布

4结语

在森林经营中,对林木的树高、胸径以及林分空间结构的分析是必不可少的。森林经营者通过对林分结构的分析,制定完善的林分结构调整优化方案,以提高林分整体质量水平。本研究运用可视化模拟技术,加载样地调查数据,对林分样地进行可视化分析;通过对试验样地中的混交林进行林分结构可视化分析,结果表明林分样地内的杉木胸径和树高结构分布呈正态分布,杉木的平均胸径为16.8 cm,平均树高为12.6 m,属于近成熟林;林分样地平均角尺度为0.469,空间分布格局属于均匀分布,若森林经营者以角尺度为调整目标制定林分结构优化方案,需尽量保留三维虚拟环境中角尺度取值为0.5的林木,使林分空间分布格局由均匀分布向随机分布靠近。林分平均大小比数为0.51,总体处于中庸状态,对于大小比数取值为1的林木需对其做相应的调整,以促进林木生长。林分平均混交度为0.1,零度混交林木所占比例较大,树种空间隔离程度属于极弱度混交,应提高林分平均混交度,以巩固林分稳定性。在传统的森林经营过程中,对林分结构的分析往往不够直观准确,常通过抽象数据对林分结构进行分析,缺乏为森林经营者制定经营方案提供直观且有效的依据。本研究将林分结构分析与可视化技术相结合,不仅能得到样地林分结构的整体信息,且在三维虚拟环境中能观察到林木所处环境,为林分样地合理经营提供充分的科学依据,优化林分结构以便更好地发挥其功能。将可视化模拟技术应用于森林经营中,可为森林经营者提供新的技术手段和方法,进一步推进林业信息化进程。

参考文献：

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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

中图分类号：S7

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)01-0001-04

通讯作者：袁晓红(1966—),湖南新化人,副教授,主要从事数据处理与数据挖掘,软件工程方面的教学与研究工作。

作者简介：邓强(1989—)，男，湖南常宁人,中南林业科技大学计算机与信息工程学院硕士研究生。

收稿日期：2015-11-06