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Visualized Simulation of Interactive Thinning in Chinese Fir Plantation Based on Workflow Technique

基于WF的杉木人工林交互式疏伐可视化模拟技术



全 文 :林业科学研究 2014,27(3):329 334
ForestResearch
  文章编号:10011498(2014)03032906
基于 WF的杉木人工林交互式疏伐可视化模拟技术
李永亮,鞠洪波,张怀清,蒋 娴,刘 海,覃阳平
(中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091)
收稿日期:20130516
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA102002);国家自然科学基金项目(31170590);林业公益性行业科研专项
(201104028)
作者简介:李永亮(1984—),男,河北赵县人,博士研究生,研究方向:森林可视化模拟技术与林业遥感
 通讯作者:研究员,研究方向:林业信息技术
摘要:以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,以杉木人工林为试验对象,测定林木胸径、树高、冠幅等测树因子及林
木位置信息。利用WF技术,在定义林分生长模型、林分结构分析与林分疏伐模型等5种活动的基础上,利用人机
交互方式,以图形形式建立了林分生长、林分结构与林分疏伐间交互的可视化工作流模型,实现了林分交互式疏伐
可视化模拟。采用GDI+绘图技术与MOGRE渲染引擎技术,实现了林分结构、林分2维状态与林分3维场景的可
视化模拟。结果表明:林分生长、林分结构与林分疏伐间的交互关系得到了直观的可视化模拟,此方法面向经营者
具有可操作性强的特点。林分疏伐前后的林分结构、2维状态与3维场景得到了形象与逼真的模拟。应用交互式
疏伐可视化模拟技术,可实现林分疏伐过程、效果以及林分未来状态的可视化模拟,实现对林分疏伐的实时监管,提
高林分疏伐数字化管理水平。
关键词:林分生长;林分结构;交互式疏伐;WF;可视化模拟
中图分类号:S757 文献标识码:A
VisualizedSimulationofInteractiveThinninginChineseFirPlantation
BasedonWorkflowTechnique
LIYongliang,JUHongbo,ZHANGHuaiqing,JIANGXian,LIUHai,QINYangping
(ResearchInstituteofForestResourceInformationTechniques,ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China)
Abstract:HuangfengqiaoStateownedForestFarminHu’nanProvincewasselectedasatestzone,andaChinese
firplantationastheresearchobject.TheDBH,height,crownwidthandlocationweremeasured.Basedondefining
thegrowthmodels,analyzingforeststructureandestablishingthinningmodelswithworkflowtechnique,avisualized
workflowmodelwhichcouldexpresstheinteractiverelationshipamongstandgrowth,standstructureandstand
thinningwasbuiltingraphicalformbyusinghumancomputerinteractionmodebasedontheworkflowtechniqueand
realizedthevisualsimulationoftheinteractivethinning.Thestandstructure,2Dstateand3Dsceneweresimula
tedbyusingtheGDI+methodandtheMOGREtechnique.Theresultsshowedthattheinteractiverelationshipa
mongstandgrowth,standstructureandstandthinningwasintuitivelysimulatedandtheoperabilityofthismethod
designedforthemanagerwasbeter,andthatthestandstructure,2Dstateand3Dscenewererealisticalysimula
tedaroundthinningtime.Thevisualsimulationoftheinteractivethinningcanvisualysimulatetheprocessand
efectofthinningandthefuturestateofstand,andcanmonitorthethinninginrealtimeandpromotethecomputer
izedmanagementofthinning.
Keywords:standgrowth;standstructure;interactivethinning;workflow;visualizedsimulation
林 业 科 学 研 究 第27卷
可视化模拟技术是研究与实践林分经营管理所
采用的新技术手段之一,可为提高林分经营管理水
平,加快林业信息化建设进程提供技术保障。林分
经营可视化模拟是指将计算机可视化模拟技术与林
分经营理论相结合,形象地模拟林分经营活动,以期
为相关工作人员提供经营决策支持,缩短林分经营
周期,提高林分经营科技含量[1-2]。Davision[3]开发
的Sylvan森林可视化系统,是以简单的线条为基础
建立树木模型,并允许用户进行林分经营措施模拟,
此种方法因树木模型缺乏真实感,致使可视性较差,
林分经营措施模拟也较为简单。FORRUSS软件
包[4]、SIBYLA系统[5]、LMS软件系统的 SVS和 En
Vision模块[6-7]、Umeki等[8]、郝林倩[9]以及 Li
等[10]在考虑林分立地条件、林分生长模型以及林分
经营措施模型的基础上,对不同类型的林分经营措
施的实施进行了较为全面的可视化模拟。吴学
明[11]通过对林分经营措施进行建模与表达,使得在
可视化模拟林分经营措施设计方面,模拟效果的直
观性与可视性得到了一定程度的提高。以上成果实
现了实时林分现状模拟、专题图分析与数据统计、经
营措施设计与效果模拟以及森林景观可视化表达
等,但是普遍存在缺少林分(空间)结构信息、缺乏
林分经营措施与林分状态交互可视化模拟,使得林
分经营可视化模拟的直观性、集成性与应用性并不
高。现有成果中林分经营活动数字化管理水平较
低,难以实现对林分经营措施的实时指导与监管。
鉴于疏伐措施在杉木 (Cunninghamialanceolata
(Lamb.)Hook.)人工林经营中具有重要的地位,本
研究以疏伐为例,利用WF(WindowsWorkflowFoun
dation,Windows工作流基础)技术,结合 GDI+技
术、MOGRE渲染引擎、林分生长模型、林分结构分析
与林分疏伐措施原理,建立包含人机交互在内的林
分生长、林分结构与林分疏伐交互的可视化模拟模
型,实现经营者参与监管的交互式疏伐可视化模拟,
以促进林分经营数字化管理技术的发展。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选取湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区。该林
场位于113°04′E 113°43′E,27°06′N 27°04′N,以
中低山貌居多,土壤以山地黄壤为主,最高海拔
1270m,最低海拔115m,森林覆盖率达90.07%,属
亚热带季风湿润气候区,年降水量1410.8mm、平
均气温17.8℃、平均日照时间1612h、无霜期292
天左右。所选模拟试验对象为1块面积为1600m2
的典型杉木人工同龄纯林,东西坡向,坡度35.2°,海
拔324m,林龄13a,林木总株数309株。对样地内
每株林木进行胸径、树高、冠幅、活枝下高及冠高等
林木测树因子测定,并采用全站仪测定每株林木的
相对位置坐标。林木空间相对位置如图1所示,图
中空心三角形位置代表林木位置坐标。
图1 林木空间相对位置示意图
1.2 研究方法
1.2.1 WF技术 WF是开发 Windows平台上基于
工作流的应用程序的一套编程模型、引擎和工
具[12-13]。WF包含有许多组件:可组成工作流框架
的大量类库、提供工作流实例执行环境的运行时引
擎、用于特定目的的运行时服务以及可视化流程设
计工具,为建立工作流可视化模型提供了充足的技
术条件。
本研究以此种技术为基础,通过建立面向经营
者的可视化流程编辑窗口、自定义活动、定义工作流
引擎以及工作流跟踪服务来构建林分经营者与林分
经营软件,林分生长模型、结构分析与经营措施模块
之间交互的可视化工作流平台。
1.2.2 林分生长模型与测树因子估计模型 在本
研究中,样地林木个体信息较完整,故选用吕勇[14]
基于生长量修正法建立的杉木人工林单木胸径连年
生长量模型来对林分疏伐前后的林木生长状况进行
预估,其表达式如下:
dD/dt=1.56364RS0.51489RD0.02685(0.13278SI0.88556
D0.2302-0.0158SI0.73315D) (1)
  杉木人工林树高估计模型可表达为[15]:
H=0.4921SI0.5309D2/3 (2)
  杉木人工林冠幅面积估计模型可表达为[16]:
CW =D/(2.8617-0.03498D) (3)
033
第3期 李永亮等:基于WF的杉木人工林交互式疏伐可视化模拟技术
  式中:SI为地位指数;D为胸径;H为树高;CW
为冠幅面积;RS为相对植距;RD为相对优势度
(RS、RD的具体定义可参看文献[14])。
以式(1)对林木胸径变化进行估算,再结合式
(2)与式(3)对林木树高与冠幅面积(以冠幅为直径
所构成圆的面积)进行估计,即可对林木测树因子
(胸径、树高、冠幅)信息进行提取,为实现林分交互
式疏伐可视化模拟提供林分疏伐前后基础的林木个
体生长信息。
1.2.3 林分空间结构参数
1.2.3.1 角尺度 将任意两株最近相邻木较小的
夹角定义为 α角,并将标准角 α0(72°)大于 α角的
个数占参照木最近4株相邻木4个夹角的比例定义
为角尺度,可由式(4)表示[17]。角尺度有5种取值
结果:0、0.25、0.5、0.75、1,分别对应很均匀、均匀、
随机、不均匀以及很不均匀分布这5种不同的林木
空间分布格局。
wi=

4∑

j=1
zij (4)
  式中:当标准角大于第 j个 α角时 zij为1,否则
zij为0;wi为林木角尺度。
1.2.3.2 大小比数 若以胸径大小为比较指标,大
小比数即为大于参照木胸径的相邻木的个数占参照
木最近4株相邻木的比例,可由式(5)所示[18]。大
小比数同样有5种取值结果:0、0.25、0.5、0.75、1,
分别对应优势、亚优势、中庸、劣态、绝对劣态地位这
5种不同的林木个体生长优势程度,以此来反映林
木间的竞争态势。
ui=

4∑

j=1
kij (5)
  式中:当参照木比相邻木j小时,kij为1,否则 kij
为0;ui为林木大小比数。
本研究拟采用角尺度、大小比数为实现林分交
互式疏伐可视化模拟提供林分空间结构分析功能,
以及为实施疏伐木选择提供技术参考。
1.2.4 林分疏伐 本研究通过自定义林分疏伐措
施活动,将疏伐强度、疏伐木选择确定方法作为此活
动的属性,进行林分疏伐措施可视化模拟。其中,通
过胸径、树高、大小比和角尺度等指标确定疏伐木,
来避免随机选择疏伐木带来的不利因素,实现林分
结构参数影响下的林分疏伐措施可视化模拟,为进
一步实现林分交互式疏伐可视化模拟提供林分疏伐
模型。
本研究具体技术路线如图2所示。
图2 技术路线图
2 结果与分析
2.1 自定义活动
利用 WF技术定制的活动(继承自 Activity类)
包括:数据文件(DataFile)、林分结构(StandStruc
ture)、林分生长(StandGrowth)、疏伐(Thinning)与查
看效果(SeeTheEfect)等5种活动。设定各个活动
的属性如表1所示。
表1 自定义活动属性
序号 活动名 属性
1 DataFile 样地调查数据表名
2 StandStructure
径阶分布结构、树高分布结构、大小比数、
角尺度
3 StandGrowth 林分生长模型、预估林龄
4 Thinning
疏伐强度、疏伐木选择指标(胸径、树高、大
小比数、角尺度)
5 SeeTheEfect
林分2维视图、林分 3维视图、林分结构
视图
经定义活动属性、设置活动图标(设置 Toolbox
Bitmap属性)与重写 Execute方法之后,将其置于面
向用户的可视化流程编辑窗口中,效果如图3所示。
图3 自定义活动效果
由图3发现,林分疏伐涉及到的具体措施以活
动属性的方式得到了有效的封装,实现了自定义活
133
林 业 科 学 研 究 第27卷
动的可视化模拟;经营者可以通过设置活动属性,实
现有针对性的活动定制;此种方法可为后续开展流
程建模提供灵活的活动模块。
2.2 交互式疏伐可视化流程建模
利用WF技术,通过拖拽自定义活动的方法,实
现林分交互式疏伐可视化流程建模。此流程可根据
经营者需求,自由定制,针对本研究,特制定以下
流程:
数据文件(DataFile):试验数据;
林分结构(StandStructure):径阶分布结构、树高
分布结构、大小比数、角尺度4个指标设定为True;
查看效果(SeeTheEfect):林分2维视图、林分3
维视图、林分结构视图指标设定为True;
疏伐活动(Thinning):胸径:11cm,树高:7m,大
小比数:1.0,角尺度:1.0(满足胸径小于11cm、树高
小于7m、大小比数为1.0、角尺度为1.0中的一项
即可定义为疏伐木),疏伐强度设定为30%(株数百
分比)。此疏伐强度为最大疏伐强度,当以上4个参
数确定的疏伐强度小于此设定强度时,可顺利执行
疏伐;当其大于此设定强度时,则按胸径-树高-大
小比数-角尺度顺序来确定疏伐木,达到所设定的
疏伐强度即止;
林分生长(StandGrowth):文中式(1)、(2)、
(3),模拟林龄为未来4年。
具体流程视图如图4所示。
由图4可知,经营者可以根据经营目标,将各个
活动利用拖拽创建、直接修改、复制与移除的方法,
灵活进行林分交互式疏伐可视化流程建模,此种利
用图形形式定制林分经营活动流程的方法,具有可
视性高、可操性强的特点。
2.3 工作流跟踪服务
基于WF技术建立的工作流模型,需要通过定
义工作流引擎,对流程进行解析,实现流程的流转。
图4 交互式疏伐可视化流程建模
而自定义活动属性的获取,需要创建自定义跟踪服
务。本研究针对每一个活动分别添加了跟踪服务,
获取流程执行中各活动的属性,并以 XML文件作为
数据中间存储介质,来实现林分数据表数据的修改,
为实现林分结构视图、林分2维视图与3维视图提
供正确的活动信息。具体方法与过程可描述如下:
(1)实现跟踪通道,处理跟踪数据。包括:重写
send方法,将跟踪信息存储到 XML文件当中;重写
InstanceCompletedOrTerminated方法。
(2)实现跟踪服务,与运行时交互。包括:返回
跟踪通道实例;为工作流运行时提供跟踪配置(定义
跟踪自定义活动的属性)。
(3)解析存有跟踪信息的 XML文件,经修改林
分数据表,实现可视化流程到数据表的信息传递。
2.4 模拟过程与效果
工作流启动执行后,将按所定制的顺序进行执
行,依次执行数据文件、林分结构分析活动,在执行
到第一个 SeeTheEfect活动时,工作流会暂停执
行,根据查看效果(SeeTheEfect)活动的属性设置,
将对未疏伐前林分结构、林分2维3维情况进行查
看,其结果分别如图5、6所示。
图5 林分结构特征(疏伐前)
233
第3期 李永亮等:基于WF的杉木人工林交互式疏伐可视化模拟技术
图5树高分布结构图中,树高级6m代表树高
大于6.0m小于6.9m,同时包括6.0m与6.9m在
内,其他树高级的含义类似;为便于绘制统计图,角
尺度统计图中,角尺度0代表0,25代表0.25,50代
表0.5,75代表0.75,100代表1.0,大小比统计图的
大小比数类似。
图6 林分2维3维视图(疏伐前)
图6左图为林分2维视图,右图为林分3维视
图。(左图中,黑色实心圆的直径代表林木胸径,空
心圆直径代表林木冠幅大小,以不同的冠幅颜色区
分不同的树高级(下同))。
当工作流在暂停状态被唤醒继续执行后,将首
先根据疏伐活动的属性设置情况进行疏伐活动,根
据疏伐木确定方法,依次依所定制的规则进行选择,
疏伐后林分结构特征如图7所示(其中角尺度、大小
比图如图 8中所示),本例中,最终疏伐强度为
269%;下一步将执行林分生长活动,利用生长模型
对疏伐后林分未来4年内的生长状况进行估计;再
次经林分结构分析活动后,进行第二个 SeeThe
Efect活动,工作流再次被暂停。至此可获得林分疏
伐后未来4年的林分结构、林分2维3维情况,分别
如图8、9所示。
图7林分结构特征(疏伐后)
图8 林分结构特征(疏伐后4年)
图9 林分2维3维视图(疏伐后4年)
综合以上内容发现,经营者可对经营流程中林
分生长、林分结构和林分经营措施进行实时灵活的
监管,实现了人机交互,以及林分生长、林分结构与
林分经营措施间交互的可视化模拟,可提高经营者
对林分经营的数字化管理水平;结合 GDI+、
MOGRE技术,可增强林分结构分析与林分2维状态
的可视性及林分3维状态的逼真程度。
3 结论与讨论
(1)基于WF技术的自定义活动方法可以有效
地可视化模拟林分疏伐中涉及到的活动。通过将活
动内容以属性方式封装到自定义活动中,实现了各
种活动的图形化表达,增强了活动的直观性与可视
化性。此种方法是面向经营者的,便于林分经营者
根据经营需求自由添加与修改活动,具有极强的可
操作性与适应性,可为建立林分交互式疏伐工作流
模型提供服务。
(2)可视化模拟林分交互式疏伐的实现为提高
林分经营活动数字化管理水平提供了技术参考。林
分(空间)结构信息的获取在林分疏伐中是至关重
要的,以林分结构参数来指导疏伐木的选择可以避
免常见方法中的盲目性。林分结构、林分生长与林
333
林 业 科 学 研 究 第27卷
分疏伐间具有交互关系,不考虑林分结构与生长,只
对林分疏伐措施进行简单模拟,不足以体现林分疏
伐效果。利用WF技术,利用人机交互方式,建立林
分结构、林分生长与林分疏伐间交互的可视化工作
流模型,实现交互式疏伐可视化模拟,可以直观地模
拟林分疏伐措施对林分状态的影响以及其效果,切
实提高了疏伐监管水平和整个过程的可视化程度。
此种方法具有很强的扩展性,容易移植到其他的经
营措施模型中,可为提高数字化管理林分经营活动
水平提供技术支持。
(3)可视化模拟技术在森林经营管理各个环节
当中,具有良好的研究与应用前景。其利用可视模
式使得林分生长数据信息、林分结构状况与林分经
营措施模型不再抽象,而变得易于理解和接受。由
此,可为开展森林经营管理领域的深入研究提供新
的技术手段、可为突破森林经营管理研究难点提供
新契机、可为森林经营管理实际生产实践提供新平
台、也可为切实推进林业信息化进程提供新动力。
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