基于三維虛擬環境的林分結構可視化分析

鄧強,袁曉紅,張懷清,李永亮,劉洋

(1.中南林業科技大學 計算機與信息工程學院,湖南 長沙 410004;2.中國林業科學研究院資源信息所,北京 100091)

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基于三維虛擬環境的林分結構可視化分析

鄧強1,2,袁曉紅1,張懷清2,李永亮2,劉洋1,2

(1.中南林業科技大學 計算機與信息工程學院,湖南 長沙 410004;2.中國林業科學研究院資源信息所,北京 100091)

摘要：指出了林分結構分析對研究林分生長經營有著極為重要的作用,通過對林分結構的分析調整,能優化林分結構,提高林分整體質量。以湖南攸縣黃豐橋國有林場杉木與鵝掌楸人工混交林為研究對象,基于三維虛擬可視化模擬系統,對杉木樹高和胸徑結構,以及角尺度、大小比和混交度進行可視化分析。實驗結果表明:研究提出的可視化分析方法,森林經營者能夠更加直觀地觀察林分的整體狀態以及所處環境,更利于其制定合理及完善的經營方案,提高森林生態的穩定性。

關鍵詞：三維虛擬環境;林分結構;可視化分析

1引言

林分結構是森林經營管理中的重要因子,是森林發揮功能的基礎,是森林生態系統演替的主要驅動力[1]。林分結構包括非空間結構與空間結構兩個方面:林分的樹種組成、樹高分布、年齡分布和胸徑分布等特征構成了林分的非空間結構;林木空間大小分布、樹種空間隔離程度及林木空間分布格局等構成了林分的空間結構。林分空間結構是指林木及其屬性在空間上的排列方式[2-6],決定了樹木之間的競爭勢及空間生態位,在很大程度上影響著林木的生長、林分的穩定性和經營空間的大小[7]。森林經營者對林分結構進行分析,能夠獲取準確的林分結構調整數據,方便其制定合理的經營目標及結構優化調整方案。目前,國內外對林分結構分析方面的研究主要分為以下幾類:王香春等[8]運用β分布、weibull分布和正態分布對落葉松人工林的直徑分布進行了研究,得出可用β分布來進行直徑分布擬合。劉紅民等[9]運用混交度、大小比、角尺度3個空間結構參數分析了遼東山區天然次生闊葉混交林的林分空間結構。呂勇[10]等采用相對直徑法對湖南省黃豐橋國有林場杉木人工林進行研究,通過分析相對直徑與林分直徑正態分布特征關系,得出了相對直徑的特征。盡管目前相關研究較為成熟,但對林分整體結構的分析不夠全面,且分析結果不能直觀展現給森林經營者。針對上述不足,本研究通過對樣地進行每木調查,獲取林木數據,結合MOGRE渲染引擎,模擬真實林分三維場景。以樣地內林木為研究對象,對其林分非空間結構和空間結構進行可視化分析。林分結構經過可視化分析后,森林經營者通過系統能直接精確獲取分析結果,彌補了傳統林業結構分析方面的不足。同時可視化分析也為制定結構調整方案,確定經營目標,開展合理經營措施提供科學參考依據。

2材料與方法

2.1試驗材料

本研究以湖南攸縣黃豐橋國有林場為試驗區,選擇試驗區內杉木鵝掌楸林分樣地為研究對象,樣地大小為50m×50m,通過對樣地內掛牌標記木進行每木調查,獲取研究數據。每木檢尺方法為:胸徑用圍尺測量,精確到0.1 cm;樹高、枝下高以及冠高用激光測高測距儀測量,精確到0.1 m;東西南北四個方向冠幅用塔尺測量,精確到0.1 m;同時用全站儀測量每棵樹木的相對坐標。共調查了262株樹,樣地基本信息見表1。

表1　樣地基本信息

2.2研究方法

2.2.1角尺度

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

(1)

(2)

2.2.2大小比數

大小比數是通過比較參照木和相鄰木的胸徑大小,反映林木在生長過程中的優勢程度,也反映了林木在競爭中所處的優劣地位[11]。大小比數的表達式如式(3)所示。林分平均大小比數表達式如式(4)所示。

(3)

(4)

式中:當參照木i胸徑比相鄰木j大時,Kij為0;當參照木i胸徑比相鄰木j小時,Kij為1。

2.2.3混交度

混交度是通過計算參照木和相鄰4株木不同樹種所占的比例,描述混交林中樹種的隔離程度。混交度的表達式如式(5)所示。林分平均混交度表達式如式(6)所示。

(5)

(6)

3結果與分析

3.1構建林分三維虛擬環境

林分三維虛擬環境的構建是將對應地形與單株樹木模型放置在三維場景中,以還原真實森林環境[12]。系統通過讀取DEM高程圖和加載林分樣地數據表,結合Mogre渲染引擎,構建林分三維虛擬環境(如圖1)。

3.2林分可視化分析

3.2.1杉木胸徑和樹高結構

林分三維虛擬環境內杉木按徑階分布統計結果如圖2所示,由圖2可知,杉木樹種的徑級分布范圍整體大致呈正態分布,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,杉木株數占林木總株數的82.7 %,且胸徑較小或較大的杉木所占比例較少。杉木的樹高分布統計結果如圖4所示,樹高級12 m表示樹木樹高大于10 m小于或等于12 m,其他樹高級以此類推。杉木樹高與胸徑結構分布相似呈正態分布,杉木的平均樹高為12.6 m,樹高范圍12～16 m內的杉木占杉木總株數的81.9 %。通過對林分結構進行可視化分析,能夠觀察杉木不同徑階及不同樹高在林分樣地內的分布情況,如圖3所示,胸徑為10～12 cm范圍內的杉木在林分內的分布情況,圖5為樹高8～10 m范圍內的杉木在林分內的分布情況。林分結構可視化分析為森林經營者提供更全面更準確地信息。

圖1　林分三維虛擬環境

圖2　杉木胸徑結構

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、均勻分布和隨機分布。運用角尺度來分析林木的空間分布格局,通過林分平均角尺度來描述整個林分的均勻性。樣地角尺度分布頻率如圖6所示,樣地內角尺度為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,充分說明林分樣地內大多數結構單元呈隨機分布。根據樣地角尺度分布頻率圖,可在三維場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的位置以及其分布情況。

圖4　杉木樹高結構

圖5　樹高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

大小比數是反映林分中林木個體大小分化差異的重要指標,通過計算結構單元的大小比數,分析林木在林分內的競爭優劣勢。大小比數取值越大,周圍相鄰木胸徑對比參照木越大,林木生長劣勢也越明顯。樣地大小比數分布頻率如圖8所示,不同狀態下的大小比數分布較為平均,處于劣勢地位下的林木所占比例為20.2 %;其在樣地內的分布情況如圖9所示,通過觀察可知處于劣勢地位下的林木都為杉木,且大多數都處于鵝掌楸附近,生長空間過于密集。

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　大小比數為1的林木分布

3.2.4樹種空間隔離程度

混交度是通過對比參照木與相鄰木的樹種差異,反映林分的樹種空間隔離程度,且混交度越大,說明林分空間結構越穩定,越有利于林木生長。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 %,說明樣地內林木樹種比較單一,樹種混交程度較低,需要補植除杉木以外的其他樹種來提高林分的平均混交度,優化林分結構。混交度為1的林木所占比例為4.2 %,其在樣地內的分布情況如圖11所示,通過觀察可發現林分樣地內鵝掌楸所占比例遠遠少于杉木比例,且極強度混交的林木全為鵝掌楸。

圖10　樹種空間隔離程度

圖11　混交度為1的林木分布

4結語

在森林經營中,對林木的樹高、胸徑以及林分空間結構的分析是必不可少的。森林經營者通過對林分結構的分析,制定完善的林分結構調整優化方案,以提高林分整體質量水平。本研究運用可視化模擬技術,加載樣地調查數據,對林分樣地進行可視化分析;通過對試驗樣地中的混交林進行林分結構可視化分析,結果表明林分樣地內的杉木胸徑和樹高結構分布呈正態分布,杉木的平均胸徑為16.8 cm,平均樹高為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,若森林經營者以角尺度為調整目標制定林分結構優化方案,需盡量保留三維虛擬環境中角尺度取值為0.5的林木,使林分空間分布格局由均勻分布向隨機分布靠近。林分平均大小比數為0.51,總體處于中庸狀態,對于大小比數取值為1的林木需對其做相應的調整,以促進林木生長。林分平均混交度為0.1,零度混交林木所占比例較大,樹種空間隔離程度屬于極弱度混交,應提高林分平均混交度,以鞏固林分穩定性。在傳統的森林經營過程中,對林分結構的分析往往不夠直觀準確,常通過抽象數據對林分結構進行分析,缺乏為森林經營者制定經營方案提供直觀且有效的依據。本研究將林分結構分析與可視化技術相結合,不僅能得到樣地林分結構的整體信息,且在三維虛擬環境中能觀察到林木所處環境,為林分樣地合理經營提供充分的科學依據,優化林分結構以便更好地發揮其功能。將可視化模擬技術應用于森林經營中,可為森林經營者提供新的技術手段和方法,進一步推進林業信息化進程。

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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：S7

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)01-0001-04

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

作者簡介：鄧強(1989—)，男，湖南常寧人,中南林業科技大學計算機與信息工程學院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-06