林分空间结构可视化研究综述

树种。
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林业科学研究
第 21卷
可见, 混交度表明了任意一株树的最近相邻木 为它种的概率 [ 18] 。惠刚盈等 [ 12] 研究认 为, n = 4 可 以满足对混交林空间结构分析的要求, 即以参照树 及相邻最近 4株树组成最小结构单元, 分析混交林 的树种空间隔离程度。
2 林分空间结构的可视化
林分可视化的一般流程为: 通过林分调查数据 获得林分的基本属性值, 如树高、胸径、位置等, 并根 据属性特征建立相应的生长模型 [ 10] , 结合三维图形 模拟系统实现可视化结果。目前发展比较成熟的林 分可视化软件包括: 美国农业部林务局 ( USDA ) 太 平洋西北部 实验站 ( Pacific N orthw est Research Stat ion) 研发出的林分可视化系统 SVS 3. 31, 法国农业 开发国际研究中心 ( C IRAD) 推出 AMAP 的软件系 统, 德国哥廷根大学研发的 TREEDRAW 和 TREESCA PE 软件等 [ 11 ] 。现有的林分可视化技术多数只基 于林分的生长模型进行了研究, 结合林分空间结构 特征的可视化研究很少。比较通用的林分空间结构 可视化方法有二种: 一种是不考虑树木的具体位置 坐标, 利用随机函数对单株木进行随机分布, 缺点是 其真实度和准确度很难预测; 第二种方法是通过对 林分的单株木进行坐标测量, 将其按照实际位置再 现, 这样需要繁重的工作量, 实现大面积的林分模拟 比较困难。因此, 这两种方法均不能达到让人满意 的效果。本文将结合二种方法, 充分考虑林分空间 结构的基本特征, 论述林分空间结构的可视化方法。
建立植物形态数据库保证了数据的完整性, 同时 也有利于今后数据的增减和更新 [ 20] 。由于目前国外 的林分可视化软件还没有符合我国森林资源特点的 植物形态特征库, 在使用前需要进行比较繁琐的数据 标准统一和转换, 因此, 建立我国植物形态特征数据 库应是林分可视化研究的基础。植物形态特征的主 要因子根据数据类型和精度需要进行设计和建库。
基于树的图像的林分三维可视模型只有我国的宋铁英1作了初步的探讨它是以现实林木的图像实地拍摄为基础用计算机图形和图像相结合的方法生成林分三维图像与前两种方法相比这种方法的特点是图像真实感较强但其严重不足的是在林分的三维空间图中的树冠模型实际上是一个典型树木的二维图像没有建立树冠的三维结构模型因此有众树一面的问题缺少立体感
林分空间结构是指林木在水平地面上的分布格 局及属性在空间上的排列方式, 它决定了树木之间 的竞争势及空间生态位, 在很大程度上影响着林木 的生长和林分的稳定性。空间结构是林分的重要特 征, 对于描述林分状态及变化有特别重要的意义 [ 1] 。 随着计算机可视化技术的迅猛发展和数学模型理论 的日益完善 [ 2] , 在林业生产实践中, 人们越来越关注 利用计算机可视化技术对森林进行经营管理。林分 空间结构可视化是林分可视化中很重要的一部分内 容, 它是基于林分空间结构模型, 并结合计算机图形 图像学技术, 对现实林分的空间结构实现可视化模 拟; 它为经营者了解林分的空间结构特征, 实施经营
结构进行定量描述, 给出它们之间的空间关系, 同时
也能够说明种群和群落的动态变化。基本的分布类
型有 3种: 随 机分布、规则 ( 均 匀分布 ) 和 聚集 ( 团
状 ) 分布。描述空间分布格局的指标分为两类: 与距
离有关和与距离无关。与距离有关的分布格局指数
主要有: 聚块样 方方 差分 析、最近 邻体 分析 和 R-i p ley. s K ( d)函数分析 [ 13] 。最近邻体分析包括简单
马尾松人工纯林为例, 以二类小班调查数据为数据 源, 结合了林分生长规律, 主要是直径分布规律, 并 以林分抚育间伐和更新造林为例, 通过研究林分密 度控制理论等林分经营管理理论和技术规范, 提出 了采用虚拟森林环境模拟林分经营方案优化和三维 效果的方法; 但是主要是以人工纯林为基础, 对于混 交林还没有提出具体实现的方法。
管理措施提供了直观、便利、高效的平台 [ 3] 。林分可
视化的研究开发工作已有 10余年的历史, 它随着计 算机图形学的迅速发展而发展。目前主要有 3种模 式: 基于规则几何体 的模型, 基 于树的二 维造型 模 型, 基于树的图像模型。日本学者水永博己 [ 4] 以简 单的圆锥体来描述每株林木冠形, 并利用计算机图 形学中三维造型方法, 只要给出每株林木的 X、Y 坐 标和它们的树高、冠幅, 就可以在计算机屏幕上自动 生成 反 映 林 分 三 维 空 间 关 系 的 图 形。 德 国 的 Staupendahl[ 5 ] 采用几何体为抛物线体, 这种基于 规 则几何体的林分三维可视模型提供了林分中林木的 基本空间结构, 其主要的缺点是用简单的几何符号
文献标识码: A
R esearch on V isualization of Stand Spatia l Structure
HE S han-shan1, 2, ZHANG H ua i-qing1, PENG D ao-li2
( 1. Research In stitu te of Forest Resou rce Inform ation T echn igu es, CAF, Be ijing 100091, Ch ina; 2. C ollege of Fores try, B eijing Fores try Un iversity, B eijing 100083, C h ina)
林 业 科 学 研 究 2008, 21( 增刊 ): 100~ 104 Forest R esearch
文章编号: 1001-1498( 2008)增刊-0100-05
林分空间结构可视化研究综述
贺姗姗 1, 2, 张怀清 1, 彭道黎 2
( 1. 中国林业科学研究院资源信息研究所, 北京 100091; 2. 北京林业大学, 北京 100083 )
摘要: 林分的空间结构是描述林分状态及其改变的重要指 标, 本文 结合林分的 结构特征, 即以林 木空间 分布格 局的
分布类型为基础, 通过现有数据包括森林资源二类小班因子调查表和植物形态特征数 据库, 论述林分空间结 构的可
视化方法。
关键词: 林分; 空间结构; 可视化
中图分类号: S718. 5
N
E
i= 1
ri
)
/(
1 2
F /N )ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中: ri为第 i 单株树 到其最近邻木的距离, N 为样地林木株数, F 为样地面积。
若 R > 1, 则林木有均匀分布的趋势; 若 R < 1, 则
林木有聚集分布的趋势; 若 R = 1, 则林木有随机分 布的趋势。
林木大小差异程 度多采用 林分直径 分布来 表
Abstract: Stand spat ia l structure is an im po rtant ind icator to descr ibe the state and change o f stand, therefore, it is sosign ificant to research on the v isua lizat ion o f stand spatia l structure. A great deal of stand v isualization system m ost ly ignored the spatial structure, so the paper com bined the features of the stand structure, and based on the type of stand spatial pattern d istribut ion, through the ex isting data on second-stage invest igation o f forestry resources and plant m o rphology databases, to further discuss the m ethod of stand v isualization. K ey w ord s: stand; spatial structure; v isua lizat ion
增刊
贺姗姗等: 林分空间结构可视化研 究综述
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来表示树形, 没有真实感, 因此这种模型不能用于森 林景观的仿 真。基于树的 图像的林分 三维可视 模 型, 只有我国的宋铁英 [ 6] 作了初步的探讨, 它是以现 实林木的图像 (实地拍摄 ) 为基础, 用计算机图形和 图像相结合的方法生成林分三维图像, 与前两种方 法相比, 这种方法的特点是图像真实感较强, 但其严 重不足的是在林分的三维空间图中的树冠模型, 实 际上是一个典型树木的二维图像, 没有建立树冠的 三维结构模型, 因此有 / 众树一面 0的问题, 缺少立 体感。郝小琴 [ 7] 指出, 尽管可视化的应用目前还主 要集中在较先进的军事科学、航空航天、制造业及工 程设计等领域, 但近几年, 在医学、生物学、影视业等 领域也都相继引入了可视化技术, 在林业科研领域 中也逐渐引起了人们的重视。权兵 [ 8] 、舒娱琴 [ 9] 以
达, 是指在林分内各种大小直径林木的分配状态, 也 称林分直径结构, 是反映林分结构的重要指标之一。
目前, 在林分直径结构中, 普遍应用的是同龄纯林的
直径结构规律, 而异龄混交林的直径结构规律要复 杂得多, 至今还没有成熟的研究模型。
G adow 等 [ 12] 提出混交度的概念, 用来说明混交
林中树种空间隔离程度, 它被定义 为参照树 i 的 n 株最近相邻木中与参照树不属同种的个体所占的比
最近邻体分析和精确最近邻体分析, 而简单最近邻 体分析又称聚集指数 ( R ) [ 14- 15] 。
C lark等 [ 16] 提出的聚集指数 ( R ) 是最早采用与
距离有关的空间格局指数。聚集指数 ( R ) 是相邻最 近单株距离的平均值与随机分布下的期望平均距离
之比, 计算公式为:
R=
(
1 N
1 林分空间结构的组成
按照现代森林经理学的观点, 林分空间结构可
分为以下 3个方面: 林木个体在水平地面上的分布
形式, 即林木空间分布格局; 林木大小差异程度; 树 种混交程度 [ 12 ] 。
林木空间分布格局是林分空间结构的一个重要
方面, 是种群生物学特性、种内与种间关系以及环境 条件综合作用的结果, 既可以对种群和群落的水平
2. 1 林木空间分布格局的可视化 林木空间分布格局的可视化方法是以立地条件
及林木个体生长模型为基础进行转换和分析, 利用 三维可视化图形表 达的方式展示 现实林分空间 格 局 [ 19] 。主要利用两种数据: 森林资源二类小班调查 因子表和植物形态特征数据库。林分小班调查因子 主要包括: 树种、大小 ( 年龄、胸径、树高、冠幅、冠长 等 ) 、立地条件等。植物形态特征数据库主要包括单 株木的各种形态特征信息。
目前对于空间格局可视化中的林木位置, 通常 是将单株木的实际 坐标转换成屏 幕坐标进行可 视 化, 然而这种做法只局限在小面积的可调查林分 ( 在 森林资源调查数据中没有位置信息 ) , 对于大面积林 分的可视化是相当困难的。在以往的研究中, 也有 通过产生随机函数对单株木进行随机排列, 同时加 入部分限制条件 [ 21] , 然而计算机随机产生的位置具 有不可预测性, 即使加入判定条件也很难控制其位 置状态是否符合林分实际情况, 并且条件越多对系 统运行速度的影响越大 [ 22] 。
收稿日期: 2007-12-10 基金项目: 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 / 基于 虚拟环境的人 工林可视化技术 研究 0; 国家 / 十一五 0科技支 撑 重点项目课题 / 综合监测技术体系集成与应用示范 ( 2006BA D23B06) 0 作者简介: 贺姗姗 ( 1982) ) , 女, 北京市人, 博士研究生, 主要从事虚拟现实技术研究. * 通迅作者: 张怀清 ( 1973) ) , 男, 湖南宁乡人, 副研究员, 硕士生导师, 主要从事林业可视化模拟技术研究.
例, 用公式表示为 [ 17] :
M i=
1 n
n
E
j= 1
Vij
式中: Vij是一个离散性的变量, 其值定义为: 当 参照树 i 与第 j株相邻木非同种时 Vij = 1, 反之, Vij = 0。所以, 0[ M i [ 1。M i = 0表 示参照 树 i 的周 围 n株相邻木与参照树均属同一树种; M i = 1则表示参 照树 i 的周围 n 株相邻木与参照树本身属不同