基于CAPSIS平臺開發落葉松云冷杉林矩陣生長模型1)

馬 武 沈琛琛 雷相東 Samuel Dufour Fran?ois de Coligny

(中國林業科學研究院資源信息研究所，北京，100091) (法國農科院AMAP實驗室)

由于林業的長周期性，為了有效地經營森林，林業工作者需要用模型來預測林分生長并制定經營決策。許多生長模型已經用來模擬不同尺度下的林分生長動態［1］。然而，這些單獨開發的具體模型由于它們的系統結構和技術解決方案有很大的差異，有時候很難被其他人使用，也很難相互交流。為了在各種情況下都可以重復地使用一些工具，一些團隊選擇建立一個更通用的模擬器來實現模型。這些模擬器使用共同的數據結構和一些功能(如生長、競爭、環境經營等)，可以用于多個樹種或森林類型。目前只有少數軟件如 LMS［2］、MUSE［3］、Symfor、CAPSIS 等提出了一個更加通用的方法，允許使用、比較和建立不同的生長模型。其中，法國農科院研究人員開發的CAPSIS最具有代表性［4-8］。本文基于CAPSIS平臺開發了落葉松云冷杉林徑階生長模型，以預測和模擬自然生長及采伐對經濟和生態目標的影響，為利用通用模擬器實現具體的生長模型提供了方法和參考。

1 CAPSIS共享森林建模平臺簡介

CAPSIS是一個共享的森林模擬器，開發于1994年［10］。該項目的目標是建立一個長期、開放和共享的建模平臺來實現：①促進模型的發展及評價;②共享工具和方法;③比較不同模型得出的結果;④將模型傳授給森林經營管理人員并作為教材進行培訓。目前最新版本為CAPSIS4，已經包括了50個不同的模型，如單木、徑階和林分生長模型，木材質量模型，種子擴散模型等，它提供的森林經營管理工具可以設計和比較不同的森林經營方案。

CAPSIS圍繞內核建立并提供公共服務和通用數據結構(圖1)。它有一個穩定的內核和一些應用技術庫，可以接受具有不同數據結構、模擬步長和模擬算法的生長模型。通常，生長模型作為一個模塊集成到CAPSIS中，這些模塊包含的算法可以應用到隨時間變化的模型預測的結構中。CAPSIS也提供了數據結構庫和每個建模者都能使用的處理工具。這種結構最容易受面向對象編程概念的影響，尤其是類繼承。因此，通用模式可以被模塊中描述子類的內核超類來描述，而且后者(子類)可以繼承前者(父類)的屬性(變量和函數)并進行修改和添加。CAPSIS中包含了許多這樣的父類，建立模型時可以大量繼承父類中的已有屬性(變量和函數)。

圖1 CAPSIS原型結構

為了最大限度地節省人力和提高效率，CAPSIS采用了共同開發(Co-development)的策略。由于采用JAVA語言，很容易實現調整和改進。通過約定加入CAPSIS組織后，首先對建模人員進行培訓，然后由開發人員和建模人員共同進行設計。建模人員通過遠程共享所有代碼，并和開發人員交流得到軟件開發需要的幫助。

2 利用CAPSIS平臺開發落葉松云冷杉林矩陣生長模型

2.1 落葉松云冷杉林矩陣生長模型

矩陣生長模型結構簡單、數據容易獲得、易校檢和檢驗、易與優化模型相結合，已得到廣泛應用，并用以模擬不同經營方案的生態和經濟效果。矩陣生長模型的關鍵是生長、進界和枯損3個子模型及保留轉移概率的確定。落葉松云冷杉林矩陣生長模型(LSFMGM)以我國東北過伐林區吉林省汪清林業局近天然落葉松云冷杉為對象，利用20塊樣地4次的調查數據(每次調查間隔5 a)，建立的落葉松、紅松云冷杉(紅松、云杉、冷杉)、慢闊(色木、水曲柳、椴樹和楓樺)和中闊(白樺、榆樹和雜木)的非線性矩陣生長模型，可以模擬自然生長和采伐對木材產量、樹種和大小多樣性、樹木地上碳貯量等多個目標的影響。本文僅側重于用CAPSIS平臺實現模型的運行及結果輸出。

2.2 模塊設計與開發

CAPSIS模型結構的設計可以確保不同種類模型的整合。建模者可以自由地選擇數據結構、經驗公式或處理流程、模擬步長、詳細程度和尺度。建模者還可以整合模型，這種模型既可為林分計算全局變量，也可以描述單木，并可以考慮局部競爭環境。

2.2.1 模型實現的基本原理

CAPSIS模型是對一系列數據結構的描述，它的處理過程相互關聯，主要依賴于內核描述。模型中兩個主要元素為林分類和模塊類。后者涵蓋功能模擬和預測，可以模擬林分的連續狀態，并且可以在新一輪的擬合過程將其添加到項目中。生長模型作為獨立的模塊集成，這些模塊包含它們自身的數據結構，是從內核中選擇得出的一些模塊的延伸。它們還包含了林分預測模型中的算法，在模塊中可以自行設計經營管理方案或在外部平臺上進行相關的擴展，如：間伐、修枝等。每個模擬過程擁有初始步驟，該步驟與初始林分相對應。該模擬主要用于處理連續生長的林分，通過模塊來預測各個生長階段及其擴展中的各項處理措施。

將落葉松云冷杉林矩陣生長模型結合到CAPSIS平臺上，主要是通過計算機語言java來實現。根據落葉松云冷杉林矩陣生長模型的參數特點及各種算法，利用java語言將這些參數和算法均轉移到CAPSIS平臺上，結合CAPSIS本身具有的各種適用于單木或林分的模塊屬性，最后可以精確地將落葉松云冷杉林矩陣生長模型建立在CAPSIS平臺上，并實現落葉松云冷杉林矩陣生長模型的各項原有功能和新增的功能。

2.2.2 模型實現的基本流程

在對模型分析的基礎上進行模塊設計，在每個模塊中充分利用CAPSIS提供的類進行開發實現。模型實現的基本流程如圖2所示。

圖2 利用CAPSIS平臺實現落葉松云冷杉林徑階生長模型的流程

2.2.3 模塊設計與實現

利用計算機語言java將落葉松云冷杉林矩陣生長模型結合到CAPSIS平臺上，設計了初始化、預測和輸出3個模塊。

①初始化模塊。運行CAPSIS并初始化LSFMGM工程，首先得到的是初始化模塊，初始化模塊主要是提供需要輸入的初始變量，包括：起測徑階(Minimum diameter)、徑階寬度(Diameter class width)、采伐周期(Calibration time step)、坡度(Slope angle)、海拔(Elevation)、坡向(Aspect)，以及初始直徑分布數據(Diameter distribution file)和選擇是否分樹種(By species)進行模擬(圖3)。另外，也可以增加和減少樹種名，修改對應的枯損率模型(Mortality model)、進階率模型(Upgrowth model)、進界率模型(Ingrowth model)，以及生物量(Biomass model)和材積方程(Volume model)(圖4)。Capsis module classes的stand class為結合的模型提供了初始化模塊，初始化模塊可以根據模型的需要添加變量。完成以上操作后，點擊確定進入預測模塊。

②預測模塊：Capsis module classes中的model class在預測模塊中為與capsis結合后的模型提供了預測功能，模塊類包含了功能模擬(function simulation)和預測(evolution with a loop)，可以計算林分的連續狀態，也可以計算林分模型中的轉移概率。因此，在預測模塊中可以添加特定的采伐方案和進行轉移概率計算。根據落葉松云冷杉林矩陣生長模型中的采伐方案，在預測模塊中需要添加的變量包括：模擬期(Evolution duration)、采伐周期(Cutting frequency)、采伐強度(Total percentage)、最小采伐徑階(Minimun cut diameter class)，以及可選參數是否分樹種(selectSpeciesMethod)、采伐類型(Cutting type)、采伐方法(Cut Tree selection method)(圖5～圖7)。按要求完成以上操作后，點擊確定進入輸出模塊，在該過程中根據初始化模塊中輸入的枯損率模型(Mortality model)、進階率模型(Upgrowth model)、進界率模型(Ingrowth model)、生物量(Biomass model)和材積方程(Volume model)，同時進行轉移概率計算。

圖3 初始化模塊窗口

圖4 各樹種的轉移概率模型及生物量和材積式窗口

圖5 預測模塊窗口1

③輸出模塊：CAPSIS提供的林分瀏覽器和數據提取器(Stand viewers and data extractors)可以以曲線圖、柱狀圖和表格等形式輸出模擬結果，并允許瀏覽模擬結果。根據落葉松云冷杉林矩陣生長模型的輸出要求，結合輸出模塊可以輸出落葉松云冷杉林矩陣生長模型中的各項指標隨時間、樹種、徑階變化的曲線或柱狀圖(圖8)。

圖6 預測模塊窗口2

圖7 預測模塊窗口3

圖8 模型輸出模塊

3個模塊設計好之后，在每個模塊中充分利用CAPSIS提供的類進行開發實現。首先在計算機D盤上安裝capsis，然后建立一個工程lsfmgm，在D：capsis4inlsfmgm新建model包，在model包中建立8個類，分別為：LSFMInitialParameters、LSFMEvolutionParameters、LSFMFormula、LSFMMethodProvider、LSFMModel、LSFMSpecies、LSFMStand、LSFMStandLSFMSpeciesTransitionProba，這些類的功能屬性如表1所示。

通過以上3個模塊的開發和實現，可以方便地模擬不同經營方案的經營效果，如模擬40 a內4種不同采伐方案下的生物量的變化(圖9)。方案a：不采伐;方案b：不分樹種，按株數從大到小采伐，采伐周期5 a，采伐強度30%，最小采伐徑階20 cm;方案c：不分樹種，按蓄積成比例采伐，采伐周期10a，采伐強度20%，最小采伐徑階15 cm;方案d：分樹種，按斷面積隨機采伐，采伐周期10 a，采伐強度20%，最小采伐徑階15 cm。

表1 利用CAPSIS平臺實現落葉松云冷杉林徑階生長模型建立的類

圖9 4種不同方案40 a林分生物量的變化

2.3 與可視化的連接

CAPSIS可以通過與其他模擬器(如SVS-Stand Visualization System)的連接，輸出林分的三維可視化較低，可使研究人員能以更直觀的方式發現隱藏在數據中的科學規律。圖10為利用Capsis模擬林分生長的可視化結果。通過對林分生長的模擬結果可視化，可很大程度地方便研究人員檢驗、觀察模擬結果。

圖10 基于CAPSIS的林分可視化

3 結論與討論

基于CAPSIS共享森林建模平臺開發了一個落葉松云冷杉林矩陣生長模型，為利用通用模擬器實現具體的生長模型提供了方法和實例。一方面提高了開發效率，另外可以擴大模型的影響和應用，為模型的比較檢驗提供了好的媒介。建議將來的生長模型選擇類似CAPSIS通用的模擬器來實現，以避免重復開發和擴大模型的應用。

經過多年的實踐，CAPSIS項目的成功證實了這個共享森林建模平臺的優勢。首先，該共享森林建模平臺為形成一個林業建模團體提供了很好的機會。CAPSIS項目匯集了法國與森林建模有關的主要研究機構，并建立了70多個合作伙伴關系，可以促進建模者和林業工作人員的規范并進行調整。目前該項目也對其他國家的同行進行開放。其次，這樣一個共享森林建模平臺能夠共享工具和模型。在CAPSIS項目內，定期組織培訓班用來促進科學家之間相互交流，優化CAPSIS的內核和解決CAPSIS中常見的技術問題，其中建模者主要負責模型的結合。由于CAPSIS是一個免費的軟件(通用公共許可證)，它很容易再次使用CAPSIS單元內的模塊或內核中的子模型。例如，不少模型通過簡單修改相同類型的已存在模型的演化規律，可以很容易地在新模塊中集成。庫也為再次使用建模工具提供了很好的機會。例如，本文建立的LSFMGM模型可為將來類似的徑階生長模型的建立提供了工具。第三，共同森林建模平臺是一個非常實用的工具，可以用來比較不同的模型和造林方案，不同的模型可以整合到一個單一平臺上，并且數據(如初始狀態)是兼容的。因此，在相同的初始狀態下很容易比較兩個模型的模擬結果，或在相同的模型中比較多種不同的方案。這些對評價模型有很大的作用。最后，這些優勢確實改變了建模者的設計習慣，并建議擴大這種共享森林建模平臺的作用。

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