基于CAPSIS平台开发落叶松云冷杉林矩阵生长模型1)

马 武 沈琛琛 雷相东 Samuel Dufour François de Coligny

(中国林业科学研究院资源信息研究所，北京，100091) (法国农科院AMAP实验室)

由于林业的长周期性，为了有效地经营森林，林业工作者需要用模型来预测林分生长并制定经营决策。许多生长模型已经用来模拟不同尺度下的林分生长动态［1］。然而，这些单独开发的具体模型由于它们的系统结构和技术解决方案有很大的差异，有时候很难被其他人使用，也很难相互交流。为了在各种情况下都可以重复地使用一些工具，一些团队选择建立一个更通用的模拟器来实现模型。这些模拟器使用共同的数据结构和一些功能(如生长、竞争、环境经营等)，可以用于多个树种或森林类型。目前只有少数软件如 LMS［2］、MUSE［3］、Symfor、CAPSIS 等提出了一个更加通用的方法，允许使用、比较和建立不同的生长模型。其中，法国农科院研究人员开发的CAPSIS最具有代表性［4-8］。本文基于CAPSIS平台开发了落叶松云冷杉林径阶生长模型，以预测和模拟自然生长及采伐对经济和生态目标的影响，为利用通用模拟器实现具体的生长模型提供了方法和参考。

1 CAPSIS共享森林建模平台简介

CAPSIS是一个共享的森林模拟器，开发于1994年［10］。该项目的目标是建立一个长期、开放和共享的建模平台来实现：①促进模型的发展及评价;②共享工具和方法;③比较不同模型得出的结果;④将模型传授给森林经营管理人员并作为教材进行培训。目前最新版本为CAPSIS4，已经包括了50个不同的模型，如单木、径阶和林分生长模型，木材质量模型，种子扩散模型等，它提供的森林经营管理工具可以设计和比较不同的森林经营方案。

CAPSIS围绕内核建立并提供公共服务和通用数据结构(图1)。它有一个稳定的内核和一些应用技术库，可以接受具有不同数据结构、模拟步长和模拟算法的生长模型。通常，生长模型作为一个模块集成到CAPSIS中，这些模块包含的算法可以应用到随时间变化的模型预测的结构中。CAPSIS也提供了数据结构库和每个建模者都能使用的处理工具。这种结构最容易受面向对象编程概念的影响，尤其是类继承。因此，通用模式可以被模块中描述子类的内核超类来描述，而且后者(子类)可以继承前者(父类)的属性(变量和函数)并进行修改和添加。CAPSIS中包含了许多这样的父类，建立模型时可以大量继承父类中的已有属性(变量和函数)。

图1 CAPSIS原型结构

为了最大限度地节省人力和提高效率，CAPSIS采用了共同开发(Co-development)的策略。由于采用JAVA语言，很容易实现调整和改进。通过约定加入CAPSIS组织后，首先对建模人员进行培训，然后由开发人员和建模人员共同进行设计。建模人员通过远程共享所有代码，并和开发人员交流得到软件开发需要的帮助。

2 利用CAPSIS平台开发落叶松云冷杉林矩阵生长模型

2.1 落叶松云冷杉林矩阵生长模型

矩阵生长模型结构简单、数据容易获得、易校检和检验、易与优化模型相结合，已得到广泛应用，并用以模拟不同经营方案的生态和经济效果。矩阵生长模型的关键是生长、进界和枯损3个子模型及保留转移概率的确定。落叶松云冷杉林矩阵生长模型(LSFMGM)以我国东北过伐林区吉林省汪清林业局近天然落叶松云冷杉为对象，利用20块样地4次的调查数据(每次调查间隔5 a)，建立的落叶松、红松云冷杉(红松、云杉、冷杉)、慢阔(色木、水曲柳、椴树和枫桦)和中阔(白桦、榆树和杂木)的非线性矩阵生长模型，可以模拟自然生长和采伐对木材产量、树种和大小多样性、树木地上碳贮量等多个目标的影响。本文仅侧重于用CAPSIS平台实现模型的运行及结果输出。

2.2 模块设计与开发

CAPSIS模型结构的设计可以确保不同种类模型的整合。建模者可以自由地选择数据结构、经验公式或处理流程、模拟步长、详细程度和尺度。建模者还可以整合模型，这种模型既可为林分计算全局变量，也可以描述单木，并可以考虑局部竞争环境。

2.2.1 模型实现的基本原理

CAPSIS模型是对一系列数据结构的描述，它的处理过程相互关联，主要依赖于内核描述。模型中两个主要元素为林分类和模块类。后者涵盖功能模拟和预测，可以模拟林分的连续状态，并且可以在新一轮的拟合过程将其添加到项目中。生长模型作为独立的模块集成，这些模块包含它们自身的数据结构，是从内核中选择得出的一些模块的延伸。它们还包含了林分预测模型中的算法，在模块中可以自行设计经营管理方案或在外部平台上进行相关的扩展，如：间伐、修枝等。每个模拟过程拥有初始步骤，该步骤与初始林分相对应。该模拟主要用于处理连续生长的林分，通过模块来预测各个生长阶段及其扩展中的各项处理措施。

将落叶松云冷杉林矩阵生长模型结合到CAPSIS平台上，主要是通过计算机语言java来实现。根据落叶松云冷杉林矩阵生长模型的参数特点及各种算法，利用java语言将这些参数和算法均转移到CAPSIS平台上，结合CAPSIS本身具有的各种适用于单木或林分的模块属性，最后可以精确地将落叶松云冷杉林矩阵生长模型建立在CAPSIS平台上，并实现落叶松云冷杉林矩阵生长模型的各项原有功能和新增的功能。

2.2.2 模型实现的基本流程

在对模型分析的基础上进行模块设计，在每个模块中充分利用CAPSIS提供的类进行开发实现。模型实现的基本流程如图2所示。

图2 利用CAPSIS平台实现落叶松云冷杉林径阶生长模型的流程

2.2.3 模块设计与实现

利用计算机语言java将落叶松云冷杉林矩阵生长模型结合到CAPSIS平台上，设计了初始化、预测和输出3个模块。

①初始化模块。运行CAPSIS并初始化LSFMGM工程，首先得到的是初始化模块，初始化模块主要是提供需要输入的初始变量，包括：起测径阶(Minimum diameter)、径阶宽度(Diameter class width)、采伐周期(Calibration time step)、坡度(Slope angle)、海拔(Elevation)、坡向(Aspect)，以及初始直径分布数据(Diameter distribution file)和选择是否分树种(By species)进行模拟(图3)。另外，也可以增加和减少树种名，修改对应的枯损率模型(Mortality model)、进阶率模型(Upgrowth model)、进界率模型(Ingrowth model)，以及生物量(Biomass model)和材积方程(Volume model)(图4)。Capsis module classes的stand class为结合的模型提供了初始化模块，初始化模块可以根据模型的需要添加变量。完成以上操作后，点击确定进入预测模块。

②预测模块：Capsis module classes中的model class在预测模块中为与capsis结合后的模型提供了预测功能，模块类包含了功能模拟(function simulation)和预测(evolution with a loop)，可以计算林分的连续状态，也可以计算林分模型中的转移概率。因此，在预测模块中可以添加特定的采伐方案和进行转移概率计算。根据落叶松云冷杉林矩阵生长模型中的采伐方案，在预测模块中需要添加的变量包括：模拟期(Evolution duration)、采伐周期(Cutting frequency)、采伐强度(Total percentage)、最小采伐径阶(Minimun cut diameter class)，以及可选参数是否分树种(selectSpeciesMethod)、采伐类型(Cutting type)、采伐方法(Cut Tree selection method)(图5～图7)。按要求完成以上操作后，点击确定进入输出模块，在该过程中根据初始化模块中输入的枯损率模型(Mortality model)、进阶率模型(Upgrowth model)、进界率模型(Ingrowth model)、生物量(Biomass model)和材积方程(Volume model)，同时进行转移概率计算。

图3 初始化模块窗口

图4 各树种的转移概率模型及生物量和材积式窗口

图5 预测模块窗口1

③输出模块：CAPSIS提供的林分浏览器和数据提取器(Stand viewers and data extractors)可以以曲线图、柱状图和表格等形式输出模拟结果，并允许浏览模拟结果。根据落叶松云冷杉林矩阵生长模型的输出要求，结合输出模块可以输出落叶松云冷杉林矩阵生长模型中的各项指标随时间、树种、径阶变化的曲线或柱状图(图8)。

图6 预测模块窗口2

图7 预测模块窗口3

图8 模型输出模块

3个模块设计好之后，在每个模块中充分利用CAPSIS提供的类进行开发实现。首先在计算机D盘上安装capsis，然后建立一个工程lsfmgm，在D：capsis4inlsfmgm新建model包，在model包中建立8个类，分别为：LSFMInitialParameters、LSFMEvolutionParameters、LSFMFormula、LSFMMethodProvider、LSFMModel、LSFMSpecies、LSFMStand、LSFMStandLSFMSpeciesTransitionProba，这些类的功能属性如表1所示。

通过以上3个模块的开发和实现，可以方便地模拟不同经营方案的经营效果，如模拟40 a内4种不同采伐方案下的生物量的变化(图9)。方案a：不采伐;方案b：不分树种，按株数从大到小采伐，采伐周期5 a，采伐强度30%，最小采伐径阶20 cm;方案c：不分树种，按蓄积成比例采伐，采伐周期10a，采伐强度20%，最小采伐径阶15 cm;方案d：分树种，按断面积随机采伐，采伐周期10 a，采伐强度20%，最小采伐径阶15 cm。

表1 利用CAPSIS平台实现落叶松云冷杉林径阶生长模型建立的类

图9 4种不同方案40 a林分生物量的变化

2.3 与可视化的连接

CAPSIS可以通过与其他模拟器(如SVS-Stand Visualization System)的连接，输出林分的三维可视化较低，可使研究人员能以更直观的方式发现隐藏在数据中的科学规律。图10为利用Capsis模拟林分生长的可视化结果。通过对林分生长的模拟结果可视化，可很大程度地方便研究人员检验、观察模拟结果。

图10 基于CAPSIS的林分可视化

3 结论与讨论

基于CAPSIS共享森林建模平台开发了一个落叶松云冷杉林矩阵生长模型，为利用通用模拟器实现具体的生长模型提供了方法和实例。一方面提高了开发效率，另外可以扩大模型的影响和应用，为模型的比较检验提供了好的媒介。建议将来的生长模型选择类似CAPSIS通用的模拟器来实现，以避免重复开发和扩大模型的应用。

经过多年的实践，CAPSIS项目的成功证实了这个共享森林建模平台的优势。首先，该共享森林建模平台为形成一个林业建模团体提供了很好的机会。CAPSIS项目汇集了法国与森林建模有关的主要研究机构，并建立了70多个合作伙伴关系，可以促进建模者和林业工作人员的规范并进行调整。目前该项目也对其他国家的同行进行开放。其次，这样一个共享森林建模平台能够共享工具和模型。在CAPSIS项目内，定期组织培训班用来促进科学家之间相互交流，优化CAPSIS的内核和解决CAPSIS中常见的技术问题，其中建模者主要负责模型的结合。由于CAPSIS是一个免费的软件(通用公共许可证)，它很容易再次使用CAPSIS单元内的模块或内核中的子模型。例如，不少模型通过简单修改相同类型的已存在模型的演化规律，可以很容易地在新模块中集成。库也为再次使用建模工具提供了很好的机会。例如，本文建立的LSFMGM模型可为将来类似的径阶生长模型的建立提供了工具。第三，共同森林建模平台是一个非常实用的工具，可以用来比较不同的模型和造林方案，不同的模型可以整合到一个单一平台上，并且数据(如初始状态)是兼容的。因此，在相同的初始状态下很容易比较两个模型的模拟结果，或在相同的模型中比较多种不同的方案。这些对评价模型有很大的作用。最后，这些优势确实改变了建模者的设计习惯，并建议扩大这种共享森林建模平台的作用。

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