杉木人工林林分可视化模拟系统设计与实现*

王灵霞，唐丽玉，陈崇成，陈　琪

杉木人工林林分可视化模拟系统设计与实现*

王灵霞，唐丽玉，陈崇成，陈琪

（福州大学地理空间信息技术国家地方联合工程研究中心福建省空间信息工程研究中心，福建福州350002）

在林业领域，森林生长模型的预测结果可以提供丰富的详细信息，然而传统使用文本或统计表的方式表达模拟结果不利于结果的分析和理解。针对此问题，根据林分结构描述参数和分析内容的具体可视化需求，集成虚拟植物、可视化技术和森林径阶模型，设计了杉木人工林林分可视化模拟系统的体系结构。利用VS2008开发平台、ArcEngine与OSG图形渲染引擎，在VisForest原型系统的基础上，开发集成Weibull分布模型、杉木胸径与树高和冠幅的关系模型等，形成杉木人工林可视化模拟系统。系统实现了林分结构的统计分析、二维可视化和二三维一体化的可视化模拟。该系统为林分生长和林分经营管理的研究和决策提供了直观高效的表达手段和可视化分析工具。

直径分布；杉木；人工林；林分空间分布格局；可视化

0　引言

林分结构研究历来是森林研究的重点和难点，经过几十年的发展，已经建立了许多林分的生长模型，预测结果可以提供丰富的信息，但大部分结果以文本或统计表格的形式表达，不利于分析和充分理解模拟结果。在森林研究的各项领域中，林木在水平地域上的分布及林木各属性的分布信息越来越重要，可以体现林木之间的竞争。目前学者们已意识到林分结构可视化的重要性，直观的表达方式有利于洞察数据中的科学规律，因此开展了相关研究，已取得一些研究成果。如美国农业部林务局等单位联合研发的林分可视化系统SVS已被较广泛应用于林分结构分析中［1-2］，SVS可在林分三维视图上通过点击鼠标直接进行林木的标记、采伐等林分经营活动，但SVS没有考虑如何利用没有坐标的样地调查数据来进行林分空间结构的重建，且树模型不够真实。SCOTT I-R［3］开发的Sylview森林可视化系统可用于单株木及林分的可视化。LIM E-M和HONJO T［4］用虚拟现实建模语言（VRML）完成了10万棵树木大规模的森林场景的实时绘制模拟。法国农科院研究所开发的Capsis软件已集成了单木、径阶和林分的几十种不同的计算模型。国内也有了林分可视化的报道，有的利用国外的研究成果进行本地化模型的集成开发［5-6］；有的进行自主研发，如一个基于信息管理，集虚拟现实、林木生长模拟与信息管理于一体的虚拟森林管理原型系统（VFIS）［7-9］。蒋娴等人［10］设计了针对林分分布、生长的专业模拟与可视化系统，可以恢复与重建林分空间结构，动态模拟林分生长过程，预测林分生长情况，并进行二维、三维显示。随着近年来计算机技术和图形学等相关学科的发展，林分可视化已取得一定的进展，可视化效果有所改善，但是提高三维可视化效果与紧密结合林业相关知识往往难以同时兼备，在追求更加趋于真实的三维渲染的同时，与森林生长模型和林分结构规律空间分布的结合不够，而且需要大量实测数据，获取难度较大，需要消耗大量人力、物力和财力，这也很大程度上限制了林分可视化系统的不断发展，离产品化和商品化有较大差距。

本文在本研究团队开发的VisForest［11］森林可视化系统的基础上，集成径阶分布函数及林分结构模拟模型，设计并实现杉木人工林林分结构可视化模拟系统，目标是在只有林分整体特征又不需耗费大量人力、物力实测林分内各林木的空间位置信息及其属性信息的情况下，实现基于林分结构规律的杉木人工林林分可视化模拟。

1　系统体系结构

杉木人工林林分可视化模拟系统的结构采用C/S（客户端/服务器）模式。服务器端采用SQL Server 2008数据库进行数据的录入、管理和输出等，便于每个用户注册登录以及读取自己的数据并进行数据管理和操作。程序端是林分结构分析、可视化，通过SDE数据引擎与服务器端的数据库进行连接，为模型分析提供相关数据。根据系统的实现流程和数据通信方式，系统总体结构可划分为表现层、逻辑层和数据层，如图1所示。

图1　系统体系结构图

表现层主要体现在客户端，包括各种用户操作和各种分析、展示功能的实现，用于满足用户实际业务需求。表现层包括3个功能模块：（1）杉木人工林二维林相图的信息管理模块：实现二维林相图的加载，放大、缩小、选择小班、林木信息查询以及漫游到指定地点等地图操作和属性信息查询管理功能。（2）杉木人工林林分二维可视化模拟模块：以直方图和散点图的方式对杉木人工林林分结构分布进行二维可视化模拟。（3）杉木人工林林分三维可视化模拟模块：根据林分密度、年龄等信息以及林分结构规律，重建林分三维场景。

逻辑层是系统的核心，是对系统各功能模块的实现以及交互、连接过程的抽象表达，阐述了系统实现的基础和关键技术。逻辑层中的主要模块包括：DEM地形和地形纹理的加载和绘制、杉木人工林林分直径、树高分布模型、林分空间分布格局算法。地形和纹理的加载和绘制是构建虚拟森林场景的基础和关键，通过ArcEngine组件和工具包实现与SDE数据引擎通信来读取数据库中的地形和纹理数据；利用地景渲染工具箱osgEarth进行三维地形和纹理的加载和绘制。单树建模引擎为单棵树三维几何模型的绘制以及林分的可视化模拟提供了树木三维模型驱动引擎。利用OSG进行三维场景的组织和管理优化，可以构建高效、真实的虚拟森林场景。

数据层用来实现系统运行所需数据的存储和管理，主要包括以下数据：森林资源规划设计调查数据、林相图、DEM地形数据、遥感影像数据、典型树种模板库等。

2　系统实现

杉木人工林林分可视化模拟系统在VisForest［11］的基础上，以C++作为系统编程语言，在VS2008开发平台上，利用ArcEngine组件和工具包、OSG图形图像渲染引擎，在服务器端安装Microsoft SQL 2008数据库，并通过ArcSDE空间数据库引擎实现数据库数据的读取、管理以及系统的开发。

2.1林分三维可视化

森林是由树木为主体所组成的地表生物群落。要真实模拟森林环境，必备的数据包括数字高程模型、单株木模型、林木的分布密度，要分析林分结构信息，还需要树龄、平均胸径、平均树高。单株木三维模型采用参数化单树建模软件ParaTree［12］，根据杉木的形态结构特征建立杉木不同形态结构特征的三维模型。三维林分场景构建是在三维地形景观基础上，按一定的空间分布格局把树木种植于地形上形成的。

2.1.1林分空间分布格局分配算法

虽然利用Weibull分布模型可以对林分的直径分布进行拟合，但缺乏空间位置信息，难以对林分进行真实可靠的可视化模拟。本文根据森林空间分布的一般规律，即规则分布、随机分布和聚集分布三种空间分布方法［13］，结合直径分布，模拟不同径阶的空间分布情况。空间分布算法流程图如图2所示。

（1）规则分布：规则分布中，种群个体都是等距离分布的，或者个体之间保持均匀的距离。种群各处的密度相等。林木在水平空间均匀等距地分布。这种情况在自然的情况下极为罕见，人工林有一定的株行距，常呈均匀分布。每株木空间平面位置的计算流程如图2（a）所示。

（2）随机分布：是指每一个个体在种群各个点上的出现具有同等的机会，并且某一个个体的存在不影响其他个体的分布，个体分布是偶然的；林木以连续而均匀的概率在林地上分布。每株木空间平面位置的计算流程如图2（b）所示。

（3）聚集分布：又称集群分布或者核心分布。这种分布中，种群个体分布极不均匀，在各处的密度相差很大，常成簇、块或群密集分布。其成因可能是由于环境的差异，或者植物传播种子以母树为中心扩散，或者种间的相互关系等。每株木空间平面位置的计算流程如图2 （c）所示。

图2　林分空间分布格局模拟算法流程图

2.1.2林分场景的绘制

林分中地形三维可视化是基于DEM数据和遥感影像数据，采用可规模化的地景渲染工具箱osgEarth进行三维地形和纹理的加载和绘制。林分场景的可视化过程为：从二维林相图中交互地选择一个小班，获取小班的优势树种、林木分布密度以及林木的相关几何信息（平均胸径、平均树高、冠幅等）。由林分密度和林木空间分布格局分配算法确定树木的二维分布位置，再根据DEM计算树木的高程位置即可确定树木的三维位置信息。最后从单树模型库中读取相应树模型，并根据当前小班的林木属性信息以及林分结构分布模型进行树模板参数修正，加载到场景中进行林分场景的构建。

3　应用实例

以福建省漳平市五一林场的数据为例，用户可交互式选择一个小班，然后小班的信息就显示在整体信息描述中；选择一种空间格局分布方式；系统根据小班信息和相关模型得到小班直径、树高分布；最后确定进行林分可视化模拟。

（1）杉木人工林林分结构信息可视化

以五一林场中一个小班为例，小班面积为124亩，小班平均胸径为13.5 cm，每亩林木株数为136。该小班各径阶中值与其对应的林木株数、林木树高的关系如图3所示。

图3　林分结构信息可视化

图3直观呈现出小班各径阶林木株数以及各径阶中值对应的杉木平均树高的分布情况。该小班中径阶中值13 cm的林木株数最大，径阶中值25 cm的林木平均树高最高。图中直观呈现出了林分直径、树高分布状况，为林分其他调查因子的研究、开展林分结构分析研究以及林分经营管理，提供科学直观的可视化表达。

（2）杉木人工林二三维一体化可视化模拟

直径分布模型、胸径与树高关系模型的估算结果不仅为林分结构的可视化模拟提供了直径和树高分布情况，也为单株木模拟提供了必要的胸径和树高因子。本文采用三种分布方式分配小班内林木的种植点，采用可视化技术对林分进行模拟，结果如图4所示。

图4中冠幅分布图中灰色圆的中心坐标代表林木空间位置，直径代表林木冠幅。通过图可清楚看到杉木人工林结构分布，为调整林分结构、改善林分生长环境提供了可视化分析工具。

图4　杉木人工林二三维一体化可视化模拟

4　结论

本文面向林业信息可视化，基于空间数据库、地理信息系统、虚拟植物等技术，提出了一种结合林分结构分布规律的林分可视化模拟系统的体系结构，并开发形成系统。系统集二维数据管理、三维景观模拟于一体，为林业研究者和用户提供了一个更加真实的林分可视化模拟工具，可以在林分可视化的基础上实现森林景观尺度的可视化和相关分析功能。以漳平五一林场的数据为例，给出了系统的部分应用实例。结果表明，软件系统能够表达林分结构分布规律，更加真实地模拟杉木人工林。

森林可视化模拟是林业信息化建设的关键与核心。森林是一个长期的动态变化的系统，本文侧重于林分现状的分析，下一步将与林分生长模型结合，模拟林分生长过程。

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

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［6］李秀全，徐有明，涂俊杰，等.可视化系统在湿地松人工林演示中的应用［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2007，31（5）：121-124.

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［12］林定，陈崇成，唐丽玉，等.基于颜色编码的虚拟树木交互式修剪技术及其实现［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2011，23（11）：1799-1807.

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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，Fuzhou University，Fuzhou 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

国家863计划（2012AA102002）；福建省产学研重大项目（2012N5006）

（2014-10-28）

王灵霞（1989-），女，硕士研究生，主要研究方向：虚拟地理环境，虚拟植物。

唐丽玉（1972-），女，博士，副研究员，主要研究方向：地学可视化与虚拟地理环境，虚拟植物。

陈崇成（1968-），男，博士，教授，主要研究方向：地学可视化与虚拟地理环境，空间数据挖掘与地理知识服务。