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《中国林业科学研究院》 2012年
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基于生理生态模型的杉木形态结构变化可视化模拟研究

卢康宁  
【摘要】:随着计算机技术和信息技术的不断进步,树木的三维可视化模拟正受到越来越多的学者关注,近年来更是取得了长足的发展。树木三维可视化模拟技术已经成为当前研究树木的有效手段,在展示树木形态结构以及树木生长变化过程等方面有其独特的优势,为深入研究树木形态结构变化机制以及生长过程开辟了新的技术途径,其最终目的是构建外在形态结构和内在功能都与真实树木相一致的模型,并应用计算机手段以可视化的方式呈现最终的模拟结果。树木的生命活动在某种程度上表现为树木形态结构、生理生态过程和环境之间的交互作用结果。实现对树木三维形态结构和生理功能的并行模拟成为当前树木模拟的主要发展方向。 杉木作为我国特有的用材树种,在国民经济建设中发挥着重要的作用。本研究以杉木为研究对象,综合考虑环境因素对杉木生长的影响,选取对杉木生长影响较大的环境因子做为驱动变量,利用光合作用产物的生产以及在杉木根、主干、茎以及叶子上的分配来建立杉木的生理生态模型,实现对杉木生长的定量化模拟;通过建立杉木的形态结构模型以及与生理生态模型的关系,实现了通过控制环境变量来影响杉木生物量的生产与分配,并通过生物量来控制杉木形态结构变化的过程。通过宏观层面的环境—生物量—结构之间的关系,简化了研究的难度,也为研究环境因素对树木生长的影响提供了新的技术方法。本研究的主要内容和结论如下: (1)从杉木光合作用、呼吸作用以及光合产物生产与分配、水分平衡、环境响应等方面建立了杉木的生理生态模型,实现了不同环境条件下杉木不同组分生物量的变化情况,为定量化模拟杉木的生长情况提供了依据。 (2)以植物构筑型理论为依据,分析了杉木的形态结构特征,得出杉木的总体分枝率和逐级分枝率随着年龄的变化逐渐增大;杉木一、二级枝分枝角度符合正态分布,分别集中于50°~80°和50°~100°之间;杉木一级枝方位角符合均匀分布,二级枝方位角多分布在水平方向上。 (3)以杉木的形态结构特征为基础,应用IFS方法建立了杉木的形态结构模型。根据树冠的生长空间,应用幂函数以树高、枝下高、冠幅和冠高为自变量建立了冠形曲线函数,并通过生长曲线函数控制变量的取值范围。应用不同年份的杉木冠形形状结合IFS方法实现了对杉木的动态生长模拟并建立了相应的控制模块。所采用的方法能够建立常见的树种冠形,对于模拟其他树种的形态提供了参考。 (4)在得出杉木不同组分生物量和形态结构模型的基础上,建立生物量和结构之间的关系。通过树干的异速生长方程建立树干体积与树干生物量的关系得出了树干形状的参数,为模拟树干提供了依据;通过调查数据分析了杉木生长中分枝的变化情况,主要有分枝轮数、分枝位置以及每年死亡的分枝数量,应用分枝生物量和冠形确定了杉木分枝的情况;通过叶生物量和叶之间的关系确定了叶量,并对叶子的分布情况进行了讨论。 (5)在前文介绍的相关理论和方法的基础之上,通过计算机编程语言和计算机图形学的相关知识完成了杉木形态结构与生长的三维可视化模拟系统的开发工作,实现了对杉木形态结构与生长的三维可视化模拟,输出了不同形态结构参数和环境条件下的模拟结果。 树木可视化模拟技术的应用为林业信息化建设提供形象、直观地观测平台和快速便捷的工具,具有广泛的实用价值,使林业科学研究和生产实践从费时费力的现场观测转移到方便、直观、逼真的三维可视化模拟环境,促进了林业管理和科学研究。已有的研究中关于树木的模拟多注重视觉意义上的像,而忽略了树木本身的特征,在实际的应用中有其局限性,缺少理论支撑。本文从影响杉木生长的环境条件出发来建立杉木对环境的响应机制,并以计算机可视化的方式展现了影响结果,具有非常好的发展空间。在今后的研究中,需要对生理生态模型进行不断完善,深入考虑杉木的内在生长机制与环境的交互反馈作用,加强模型理论与实际的结合,对模型参数进行优化,积累调查数据对模型进行可靠性的验证,同时也为研究杉木和林业生产提供有力的支撑工具。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S791.27

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 郭孝玉;长白落叶松人工林树冠结构及生长模型研究[D];北京林业大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 王天慧;植物表型可塑性及生活史对策研究[D];东北师范大学;2006年
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中国硕士学位论文全文数据库 前4条
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2 景向欣;樟子松人工林单木动态生长三维可视化模型的研究[D];东北林业大学;2007年
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈郁淦;周学成;罗锡文;曹霞;乐凯;;基于ITK和VTK的原位根系三维可视化研究[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
2 刘柯楠;杨启良;戈振扬;刘小刚;;一种基于图像的植物根系三维重建[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
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5 王玉洁;李晓华;朱晓冬;廉世彬;聂娟;;虚拟桃树的可视化研究[A];都市型高等农业教育教学改革论文专辑[C];2007年
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9 赵泽英;彭志良;王海;;贵州进行精确农业应用研究的探讨[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
10 孙红;孙明;王一鸣;;基于机器视觉的农作物生长无损测量的研究进展[A];中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 雷妮娅;拟南芥表型可塑性及其代际传递研究[D];北京林业大学;2011年
2 芦娟娟;短命植物异果芥异形果实与种子的生态适应对策[D];新疆农业大学;2010年
3 王晓松;复杂背景下树木图像提取研究[D];北京林业大学;2010年
4 张秀娟;亚热带常绿叶林光能和水分利用效率研究[D];北京林业大学;2011年
5 刘峰;大规模森林场景的实时绘制及动态模拟[D];浙江大学;2011年
6 陈少雄;桉树中大径材培育理论及关键技术研究[D];中南林业科技大学;2010年
7 郑维列;西藏色季拉山长鞭红景天种群生态学特性研究[D];中南林业科技大学;2010年
8 邓湘雯;不同年龄阶段会同杉木林水文学过程定位研究[D];中南林业科技大学;2007年
9 王金叶;祁连山水源涵养林生态系统水分传输过程与机理研究[D];中南林业科技大学;2006年
10 周小玲;4个四川桤木品系苗木的生理生态机理研究[D];中南林业科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 曾毅;基于植物群落分析的武汉城市湖泊湿地植被恢复典型模式研究[D];华中农业大学;2010年
2 张杰;湘北桤木人工林水源涵养功能研究[D];中南林业科技大学;2009年
3 董格;模拟树木生长的综合力学方法研究[D];辽宁师范大学;2010年
4 张晓琳;桂花光合特性的研究[D];山东农业大学;2010年
5 刘浦孝;山东沙质海岸防护林主要树种适应性评价[D];山东农业大学;2010年
6 王芸芸;植物器官精细建模与可视化[D];大连理工大学;2010年
7 乔桂新;基于NURBS的植物曲面建模及其应用[D];大连理工大学;2010年
8 兰乾;琅琊山落叶阔叶林更新特点及其特有树种光合特性研究[D];安徽农业大学;2010年
9 王曦;合肥市四种落叶阔叶树种生长模型的研究[D];安徽农业大学;2010年
10 管新新;八种地被植物光合生理生态特性及应用的研究[D];安徽农业大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 卢昌泰;李吉跃;康强;黄玉梅;何茜;陶建军;向劲松;;马尾松胸径与根径和冠径的关系研究[J];北京林业大学学报;2008年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 王秀云;不同年龄长白落叶松人工林碳储量分布特征[D];北京林业大学;2011年
2 高露双;长白山典型树种径向生长与气候因子的关系研究[D];北京林业大学;2011年
3 赵东;不同宽度杨树农田防护林带树冠结构特征[D];河南农业大学;2011年
4 贾炜玮;樟子松人工林枝条生长及节子大小预测模型的研究[D];东北林业大学;2006年
5 卢军;帽儿山天然次生林树冠结构和空间优化经营[D];东北林业大学;2008年
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1 马丰丰;基于FVS的北京地区侧柏单木模型优化及应用[D];北京林业大学;2008年
2 许俊利;东折棱河落叶松生物量模型研究及生物量估算[D];北京林业大学;2009年
3 张智昌;落叶松人工林枝条生长与节子大小预测模型的研究[D];东北林业大学;2010年
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【二级引证文献】
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2 王霓虹;王志芳;;孟家岗落叶松人工林标准树高模型的研究[J];森林工程;2014年02期
【二级参考文献】
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2 刘兴生;县级森林资源地理信息数据库的建立及应用研究[D];四川农业大学;2002年
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8 刘艳艳;樟子松人工林树冠结构的研究[D];东北林业大学;2005年
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【相似文献】
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3 孙玉青;铝、锰、钙复合作用对杉木幼苗叶绿素含量、荧光特性及养分吸收的影响[D];福建农林大学;2011年
4 付婷;杉木优良无性系组织培养研究[D];广西师范大学;2013年
5 牛宁;优良杉木半同胞家系配方施肥与营养诊断研究[D];福建农林大学;2013年
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7 黄东;钙、铝协同作用对杉木幼苗若干生理生化特征的效应[D];福建农林大学;2011年
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10 王陈;南方主要造林树种对异质供磷及邻株竞争的适应机制[D];福建农林大学;2011年
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