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樟子松人工林树冠动态三维图形模拟技术的研究

刘兆刚  
【摘要】: 本文以东北林业大学帽儿山实验林场樟子松人工林为研究对象,采用树干解析、枝解析的方法,分别于2002年和2003年在老山施业区选择不同年龄、不同立地和不同密度的樟子松人工林有代表性的林分设置固定标准地15块(其中,2002年设置7块,2003年设置8块),共获取解析样木53株(其中生物量样木36株),实测了2298个一级枝活枝条变量因子(包括总着枝深度(DINC)、方位角(φ)、着枝角度(θ)、基径(BD)、枝长(BL)、弦长(BCL)、弓高(BAH))数据资料。基于理论或经验生长方程,建立了樟子松人工林树冠结构静态模型及树冠动态生长模型。采用VC++6.0语言为开发平台,结合OpenGL开放式图形库,将生长模型与形态结构模型结合,建立了樟子松人工林树冠动态三维图形可视化模拟系统。实现了基于实测数据和生长模型的静态、动态单木和林分的可视化模拟。 因此,基于生长模型的林分可视化三维树冠动态模拟主要核心问题从两个方面进行研究,一是基于野外实测数据构建树冠结构静态和动态模型。另一方面是利用编程语言实现模拟的过程。本文详细研究工作包括以下内容: 1樟子松人工林树冠结构静态模型的建立。主要从树冠形状模型和结构模型两方面进行了研究。采用野外实测樟子松一级枝条数据,利用总着枝深度枝条变量因子和林木胸径和树高变量建立了最优的反映树冠形状模型的枝条基径模型和枝长模型;着枝角度总体上是随着总着枝深度的增加而增大,但构建的模型精度过低,因此本文从着枝角度的总体分布方面对其进行了描述。树冠结构模型的研究包括一级枝条数量预估模型的构建以及枝叶的空间分布模型规律。结果表明:一级枝条个数在树冠有效冠内垂直方向上呈现一“多”一“少”的趋势,在有效冠以下,随着着枝深度的增加,枝条个数呈现直线下降趋势;枝条的水平分布可以用均匀圆形分布进行很好的拟合,也表明圆形分布统计量是用来分析枝条方位水平分布非常有用的工具。文中通过对树冠内一级枝条的空间分布规律的研究,可以为樟子松人工林树冠结构的动态模拟提供基础。基于实测各树冠变量,同时建立了基于林木和林分测定因子的全树冠叶量和单个枝条着叶量的预估模型,并对树冠内叶量的空间垂直分布规律进行了研究。结果表明:胸径(DBH)和冠长(CL)作为合适的树木变量,可以用来构建樟子松单木全树冠叶量的预估模型;单个枝条叶量与枝条基径、枝长和枝条在树冠内相对高度(BRH)相关紧密,其对数变换形式构建的单个枝条叶量模型有很好的预估效果;树冠叶量的空间垂直分布可以用二参数Weibull分布函数进行描述。尺度参数b变化范围为0.47-0.72之间,形状参数c变化范围在2.01-4.52之间,所有样木均通过t检验,相关指数r~2(0.958-0.997)均大于0.95。36株样木中有26株样木形状参数c的95%置信区间包含3.6,表明这些样木的叶量在树冠上的垂直分布符合正态分布,即大多数样木树冠叶量集中在中部,较小级别的样木表现出树冠叶量向上部倾斜,这是处于林冠下层的被压木,为了获取更多光能以维持自身生命活动导致的结果。 2樟子松人工林树冠结构动态模型的建立。在树冠静态模型的基础上,为了反映树冠结构的动态变化,根据实测样木一级枝条枝解析基径、枝条生长数据,引入年龄因子作为自变量,建立了树冠内一级枝条基径、枝条的动态生长模型。 由于树冠内的枝长和基径生长主要与树木的胸径、树高相关,因此在研究树冠动态变化规律时有必要建立反映树高、胸径动态变化的生长模型。通过树干解析和查数轮枝高度获取了樟子松胸径和树高生长动态数据,优选利用Richards理论生长方程建立了樟子松树高和胸径动态生长模型。检验结果表明:所有样木的相关指数均在99%以上,所以应用构建的Richards生长模型非常适合预估樟子松人工林树高、胸径生长。为了掌握樟子松人工林树冠枝下高和冠长动态变化情况,本文引用现有的樟子松人工林枝下高和冠长动态生长模型用来预估枝下高和冠长动态生长模型。并对引进的模型进行了精度验证。 3基于实测数据和生长模型的樟子松人工林树冠动态三维可视化图形模拟。本文利用基于少数几个参数和读取数据文件的方式(由实测数据组成的Excel文件以及由生长模型生成),采用简单几何建模方法,利用Opengl 1.4的可编程图形功能及VC++6.0开发语言建立了樟子松人工林树冠动态三维可视化模拟系统软件(3DTree 1.0v),实现了基于实测数据单木、林分三维图形静态重建以及基于生长模型的单木、林分静态和动态三维图形可视化模拟,为实现虚拟间伐、整枝等三维可视化经营措施及景观设计等提供依据。


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