全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林业科学研究　2009, 22 (4) : 597～602
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2009) 0420597206
林分可视化模拟系统的设计
蒋　娴 1 , 张怀清 13 , 贺姗姗 1 , 贺文明 2 , 张　剑 3
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091; 2. 湖南省攸县黄丰桥国有林场 ,湖南 攸县　412300;
3. 国家林业局调查规划设计院 ,北京　100714)
摘要 :林分模拟可视化系统是针对林分分布、生长的专业模拟与可视化系统 ,在计算机上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。本文分别从系统结构、设计流程、功能方面对
林分模拟可视化系统进行了详细介绍。
关键词 :林分 ;林分空间格局 ;林分可视化
中图分类号 : S757. 1 文献标识码 : A
收稿日期 : 2008212220
基金项目 : 国家科技基础条件平台建设项目“林业科学数据共享中心”(2005DKA32200) ;国家“十一五 ”科技支撑重点项目课题“湿地
资源监测与评估技术研究 (2006BAD23B03) ”
作者简介 : 蒋娴 (1980—) ,女 ,四川眉山人 ,助理研究员 ,主要从事林分模拟与可视化研究.3 通讯作者 :张怀清 ,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.
A Study on D esign of Stand V isua l S im ula tion System
J IANG X ian1 , ZHANG Huai2qing1 , HE Shan2shan1 , HE W en2m ing2 , ZHANG J ian3
(1. Research Institute of Forestry Resource Information Techniques, CAF , Beijing　100091, China;
2. Huangfengqiao Forestry Farm of Youxian , Hunan Province, Youxian　412300, Hunan, China;
3. Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry Adm inistration, Beijing　100714, China)
Abstract:Quick Stand Simulation System (QSS) is a p rofessional simulative and visual p latform in forest which can
reconstruction of spatial structure of forest, simulate stand growth course in dynam ic , forecast the growth result and
show these in 2D and 3D. This paper introduced the system structure, design aspect, function aspect and menu aspect
of QSS.
Key words: stand; stand spatial structure; stand visualization
　　林分模拟与可视化是目前国际研究的热点问题
之一 ,国内外很多专家学者分别就林分模拟与林分
可视化方面进行了研究 [ 1 ]。随着对树木和植物的生
长机理、林分生态系统的模拟与预测研究的日益重
视 ,以林分景观为主要对象的计算机建模和可视化
技术成为生态学、林分经理学、自然地理学、植物学
等领域的一个研究热点 [ 2 - 3 ]。
目前林分模拟与可视化主要从数学模型和图形
学方面入手 ,对林分进行阐释。如 ,数学模型方面 ,
国内外很多林学家从数学模型的角度对林分的空间
分布格局、林木生长等角度展开研究 ,总结了很多经
验方程与生长预测模型 ; 20世纪 80年代以来 ,国
内外的可视化软件从单纯的图形可视化发展到树
木和林分可视化仿真 ,但这些软件大部分是在图形
学的基础上展示林分整体 [ 4 - 11 ] 。现有林分可视化
研究主要是将有坐标的林分全面调查数据一对一
地转换或按比例扩充成林分图像 ,更多地是对既定
林分数据的计算机图像化。如美国农业部林务局
(USDA )推出的林分可视化系统 ( SVS)是目前世界
上比较成功的林分可视化软件系统 ,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
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
坐标的样地调查数据来进行林分空间结构的重建 ,
同时 , SVS可以对林木生长结果进行预测以及结果
展示 ,但是没有考虑林分生长过程的可视化。
本文搜集整理大量林分空间结构相关模型 ,不
同树种相关经验方程、林分生长模型等 ,用 C#语言
集成 D irectX开发技术开发林分可视化模拟系统 ,
实现了基于多源林分数据 (林分二类调查数据、林
相图数据、林分分布特征数据 )恢复与重建林分空
间结构 ,动态模拟林分生长过程并进行林分生长结
果对比、显示以及数据分析。
1　系统设计
1. 1　系统逻辑结构设计
系统逻辑结构分为三层 :数据层、处理层、表现
层。三层结构之间功能界线清楚 ,既独立又统一。
数据层主要是提供系统相关数据 ,包括林分调查本
底数据、各树种相关的经验方程、分布模型、生长模
型等 ;处理层是整个系统的核心 ,它将根据用户的需
要 ,在数据层提供数据的基础上 ,经过一系列复杂的
运算和推理向表现层提供处理结果 ;表现层为用户
提供各种信息服务和信息交换 ,用户通过表现层可
以将需求指令发送到信息处理层 ,浏览和下载所需
要的各种信息 ,系统逻辑结构见图 1。
图 1　系统逻辑结构
1. 2　系统功能设计
系统专业功能主要分为林分结构模拟、林分结
构分析与林分生长预测三大类。
1. 2. 1　林分结构模拟 　林分结构是指林木的分布
格局及其属性在空间上的排列方式。
林分结构模拟主要包括林分空间格局模拟 ,林
分属性结构模拟以及空间结构优化三部分功能。具
体流程与功能如图 2所示。
图 2　林分结构模拟流程简介
1. 2. 1. 1　数据接口 ———多源数据 　系统设计数据
源主要包括林相图、用户自定义信息、单木属性表。
单木属性表 :由用户根据每木检尺调查数据编
制而成 ,主要属性字段包括 :树种、年龄、树高、胸径、
南北冠幅、东西冠幅、枝下高、X、Y;一棵树木对应一
条属性记录。
用户自定义信息 :用户根据需求定义的林分整
体信息 ,主要包括 :林分面积、林木株数、林分密度、
林木平均胸径、林木平均树高、林木平均冠幅、林木
平均年龄、混交比例、树种、蓄积 ,并由系统编制成林
分整体信息属性表 ,一个林分对应一个林分整体信
息属性表。
1. 2. 1. 2　空间格局模拟 　空间格局模拟包括空间
格局恢复与空间结构重建。林分空间结构恢复是在
895
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 蒋 　娴等 :林分可视化模拟系统的设计
计算机上对林木位置的真实再现以及对林木属性的
真实记录。数据源为单木属性表 ,系统读取单木属
性表中每棵树的 X、Y坐标 ,并一一转化成屏幕坐
标 ,最后在屏幕上生成相对应的二维散点图 ,如图 3
所示。
图 3　林分空间格局恢复流程
林分空间格局重建是指重建的林分的空间格局
分布特征与现实林分的空间格局分布特征相一致 ,
但这种一致并不意味着重建林分的每一棵树均与现
实林分中的每一棵树完全处于相同的位置或具有相
同的位置坐标。林分空间结构重建数据源分为林相
图或者用户自定义林分信息。林相图数据和用户自
定义林分信息均向系统提供相应的林分空间格局分
布特征 (聚集分布、随机分布或者均匀分布 ) ,同时 ,
系统提供绘图功能 ,用户在林相图上勾绘想要创建
的林分边界 ,系统通过林分空间格局重建算法 ,生成
符合用户需求的二维散点图 ,如图 4所示。
图 4　林分空间格局重建流程
林分空间格局重建算法简介 :林分结构的恢复
与重建有 3个重要环节即产生林木初始分布格局、
点的调节和林木属性的交换。
目前国际上对林木格局的重现各持己见 ,按照
点的产生或形成过程可将现有的重现林分结构的方
法分为两类 :摒弃法和优化法。林分空间结构的模
拟与重现可采用点过程中的 Poisson—过程、Gibbs—
过程 —规则性 ,如 STRUGEN结构模拟器、林分资源
清查数据系统整体界面 ( ISIS)和分层控制法 ;推移
法等途径 [ 4, 12 ]。
林木的初始分布格局对后续点格局的优化调节
速度有直接的影响。而在现有的方法中对初始的林
木分布格局并无任何要求 ,多数建立在随机分布的
模板上。所以 ,有必要事先通过抽样调查获得被重
建林分的林木分布格局类型。林木分布格局类型可
通过空间结构参数 ,如 Clark&Evans指数、L和双相
关函数以及角尺度 w等来表达。与其他的结构变量
相比 ,角尺度由于它的表现力 (体现结果的能力 )
强 ,在外业调查中简便易行 ,已愈来愈受到重视。
惠刚盈 [ 4, 12 ]等提出 ,林分空间结构的重现可分
两步走 :选择初始分布格局和优化分布格局 ,目标方
程为 :
∑ | ωi - ω0 | +|θi - θ0 | ×100 m in
式中ωi ———模拟林分的角尺度相对频率分布
ω0 ———待重建林分的角尺度相对频率分布
θi ———模拟林分的距离相对频率分布
θ0 ———待重建林分的距离相对频率分布
徐海 [ 4 ]认为建立在选择基础上的优化是最为有
效的。该算法首先根据抽样调查所确定的林木分布
格局类型模拟产生若干个 (如 100个 )林分 ,然后按
照目标方程选择最接近目标的林分 ,并将此林木分
布格局作为模板。在此模板基础上开始调整或优化
点坐标。在此 ,先得找出要调整的点。这个点必须
是处于距离或角尺度频率分布中与待重建林分相差
最大的那个点。如果由于这个点的调整 (临时取消
随后立即随机产生一个新点 )能使目标方程的值变
小 ,那么 ,就接受这个调整 (生与死或新旧更替过
程 )。否则 ,再将此点放回原处。这个过程很像林分
的自然演替。所以 ,此方法也简称演替法 [ 4, 12 ]。
1. 2. 1. 3　属性结构模拟 　主要包括直径结构模拟、
树高结构模拟、冠幅结构模拟。系统提供直径结构
模拟是根据林分平均直径信息以及林分密度信息推
算出林分内每株单木的直径信息并填入单木属
性表 ;
冠幅结构模拟是根据林分平均南北冠幅、东西
冠幅信息以及林分密度信息推算出林分内每株单木
的冠幅信息并填入单木属性表 ;
树高结构模拟是根据林分平均树高信息推算出
林分内每株单木的树高信息 ,并填入单木属性表 ;
属性结构模拟结果以单木属性表形式输出。
1. 2. 1. 4　空间结构二维示意图 　是空间格局二维
点状图的扩展 ,以二维点状图的点为圆心 ,单木直径
为半径画圆 ,然后以南北冠幅、东西冠幅分别为长短
轴画椭圆 ,得出的同心圆即为单木的二维示意图 ,如
995
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
图 5所示。图 6为林分空间结构二维示意图。
图 5　单木二维示意图
图 6　林分二维空间结构示意图
1. 2. 1. 5　结构优化 　空间结构优化包括分布格局
优化 ,属性结构优化两大功能。
分布格局优化主要包括林分边界优化、林分面
积优化、空间格局特征优化。系统在林分空间结构
模拟所提供的二维示意图与单木属性信息的基础
上 ,对林分边界结点进行编辑调整 ;依据用户需求成
比例放大或缩小林分面积 ;重置林分空间格局或者
重置林分内某单木的位置属性 ,并与单木属性表中
的 X、Y同步修改。
属性结构优化主要包括直径结构优化、树高结
构优化、树种组成优化以及冠幅结构优化。具体如
图 7所示。
图 7　林分空间格局优化流程
1. 2. 2　林分结构分析 　林分结构分析分为空间格
局分析、直径分析、树高分析三类。
1. 2. 2. 1　空间格局分析 　系统采用角尺度、大小比
和混交度三参数来分析林分空间结构。算法表达
式为 :
混交度表达式为 :
M i =
1
4 ∑
4
j = 1
vij
其中 , vij =
1,当参照树 i与第 j株相邻木非同种时
0,否则
大小比 : U i = 14 ∑
4
j = 1
kij
其中 , kij =
1,如果参照树 i比相邻木 j小
0,否则 ;
角尺度 W j = 14 ∑
4
j = 1
zij
其中 , zij =
1,当第 j个α角小于标准角α0
0,否则
;
输出方式 :角尺度、大小比、混交度分析结果 ,以及分
布信息描述 (均匀分布、随机分布、聚集分布 ) [ 12 - 21 ]。
1. 2. 2. 2　直径分析 　计算重建林分的平均直径、直
径最大值、直径最小值等。并根据数学模型 (正态分
布、W eibull分布、Г分布、β分布等 )分析重建林分的
直径分布是否符合林分直径分布规律。
W eibull分布简介 :基于三参数 W eibull分布的
林分直径分布模型为 :
f (D i ) = cb
D i - a
b
c- 1
exp - D i - a
b
c
,
( a > 0, b > 0, D i ≥ a)
D i 为林木胸径 , a为位置参数 ,定为林分最小直径下
限 ; b为尺度参数 , c为形状参数 [ 22 - 29 ]。
1. 2. 2. 3　树高分析 　计算重建林分的平均树高、树
高最大值、树高最小值等。并根据数学模型 (正态分
布、W eibull分布、Г分布、β分布等 )分析重建林分的
树高分布是否符合林分树高分布规律。
Sloboda树高模型简介 :德国著名生物统计学家
B. Sloboda利用数学分析手段 ,推导出了如下树高生
长方程 :
S I = d·exp{ ( - c) ·exp [ b / ( a - 1) X ( a - 1) ] }
S I为林分优势木能达到的高度 , y———树高 ,
x———年龄 , c积分常数 , a、b、d为参数 ,且 a > 1, b, d
> 0[ 29 ]。
1. 2. 3　林分生长预测 　林分生长预测主要分为全
林分生长预测、径阶生长预测、与竞争有关的生长预
006
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 蒋 　娴等 :林分可视化模拟系统的设计
测、与竞争无关的生长预测四部分。
全林分生长预测主要是运用全林整体模型对整
个林分尺度的生长预测。全林整体模型是 1991年
由唐守正提出 ,以后又逐渐完善的一个人工林生长、
经营模型。可以模拟某树种的某一个现实林分 (已
知立地指数、年龄、株数、平均直径 )今后的生长
过程。
1)断面积模型 : G = b1 ×Lb2 ×[ 1 - exp ( -
b4 ( S10 000)
b5 ×( age - t0 ) ) ]b3 (模型 )
2)密度指数定义 : S = N ×( D20)
β (定义式 )
3)断面积公式 : G = N ×D2 ×( π40 000) (定义
式 )
4)自稀疏模型 : ( sf
N
)γ
-
( D
20
)βγ =常数 (对同一
林分 ,常数由造林密度决定 ) (模型 )
5)优势高生长模型 : UH = L ×exp ( - b
age
+
b
baseage
) (模型 ) [L是立地指数 ,舒马克型 ] ,或者 :
UH = L ×[ 1 - exp ( - b ×age) ]c [理查德型 ]
(模型 )
6)平均高模型 : PH = UH - a1
a2
(模型 )
7)林分蓄积量公式 : M = fH ×G (定义式 )
8)形高模型 : fH = ( c1 +
c2
PH + 2
) ×PH (模型 )
上列式中变量符号 : age (年龄 ) , N (株数 ) , D
(胸径 ) , PH (平均高 ) , UH (优势高 ) , fH (形高 ) , L
(立地指数 ) , t0 (平均高达到胸高的年龄 ) , baseage
(立地基准年龄 ) ,其他 b1 , b2 , b3 , b4 , b5 , sf,β,γ, b, c,
a1 , a2 , c1 , c2 是待估参数 [ 30 - 35 ]。
1. 3　系统界面设计
林分结构模拟界面 :如图 8,图 9所示。
图 8　林分结构模拟界面 1
图 9　林分结构模拟界面 2
1. 4　系统环境设计
主机 : pc机 ,内存 1G以上 ;
显示器设备 :高分辨率的彩色图形显示器 ;
输入设备 :数字化仪 (A1)、扫描仪 (A4) ;
输出设备 :激光彩色打印机 ( 4L )、彩色喷墨绘
图仪 ;
操作平台 : windows2000以上 ;
开发工具 : C#、D irectX。
2　结论与讨论
目前 ,林分模拟可视化的特点是恢复与重建林
分空间分布 ,并且动态展示林分生长过程 ,提高林分
模拟的真实性、可靠性。这是林分模拟可视化的重
点也是难点。
(1)目前林分分布、生长模型都是基于理想状
态的基础上 ,没有考虑林分的光热水汽氧等环境因
子 ;同时 ,由于树木生长的复杂性 ,目前的研究仅限
于人工同龄纯林的分布与生长 ,对于天然林以及混
交林 ,暂时没有考虑 ,这也是下一步工作的方向。
(2)目前林分空间结构可视化的研究还存在着
诸多问题 ,许多方面还不够完善和准确。如建立符
合本地区立地条件特点的植物形态特征数据库 ,为
实现林分空间格局可视化奠定更加完备的基础。特
别是以林分空间分布格局的类型为基础 ,对林木大
小差异程度和树种混交程度的可视化方法研究 ,还
需要进一步的拓展和提高。
(3)与地理信息系统、数据库管理系统紧密结
合 ,实现虚拟现实与信息管理一体化 ,系统往实用
化、业务化发展 ,用户交互界面更加友好。遥感、
GIS、GPS为代表的空间信息集成技术的发展可为虚
拟林分提供高精度的数字地面高程、数字林相图和
空间分析工具、现代高精细的林分调查数据库与虚
拟林分提供良好的数据。
106
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 22卷
参考文献 :
[ 1 ] 舒娱琴. 虚拟林分场景的构建 [ J ]. 武汉大学学报 , 2004, 29 ( 6) :
540 - 543
[ 2 ] 舒娱琴. 基于林分生长规律的虚拟林分环境的构建研究 [ D ]. 武
汉 :武汉大学 , 2004
[ 3 ] 陈彦云 ,林　挥 ,孙汉秋 ,等. 高度复杂植物场景的构造和真实感
绘制 [ J ]. 计算机学报 , 2000, 23 (9) : 917 - 925
[ 4 ] 徐　海. 天然红松阔叶林经营可视化研究 [ D ]. 北京 :北京林业
大学 , 2007
[ 5 ] 朱万才 ,景向欣. 林分三维可视模型发展概述 [ J ]. 林业科技情
报 , 2007, 39 (1) : 1
[ 6 ] 李哈滨. 原始阔叶红松林下红松种群更新格局的探讨 [ J ]. 东北
林学院学报 , 1982, 14 (1) : 58 - 64
[ 7 ] 李俊清. 阔叶红松林中红松的分布格局及动态 [ J ]. 东北林业大
学学报 , 1986, 14 (1) : 26 - 32
[ 8 ] 徐化成. 兴安落叶松原始林分林木空间格局的研究 [ J ]. 生态学
报 , 1994, 14 (2) : 155 - 160
[ 9 ] Gadow K v , Feulder K. Vortrag Anlaesslich der Jahrestagung derAG
Forsteinrivhtung in Klieken b. Dessau [ J ]. ZurMethodikder Bestan2
deschreibung, 1992, 8: 12 - 15
[ 10 ] Farid D G. The use of remote sensing and GIS in the sustainable
management of trop ical coastal ecosystem s Environment[ J ]. Devel2
opment and Sustainability , 2002 , 4: 93 - 112
[ 11 ] Lundquist J E . U se of fourier transform s to define landscape scales
of analysis for disturbances : a case study of thinned and unthinned
forest stands [ J ]. Landscape Ecology , 2002 , 17: 445 - 454
[ 12 ] 惠刚盈. 角尺度一个描述林木个体分布格局的结构参数 [ J ]. 林
业科学 , 1999, 35 (1) : 28 - 32
[ 13 ] MoeurM. Characterizing spatial patterns of trees using stem2mapped
data[ J ]. For Sci, 1993, 39 (4) : 756 - 775
[ 14 ] Tang Meng2p ing , Tang Shou2zheng , Lei Xiang2dong . Study on
spatial structure op tim izing model of stand selection cutting [ J ].
Sci Silv Sin, 2004, 40 (5) : 25 - 31
[ 15 ] Hu Yan2bo, Hui Gang2ying. Analysis of the spatial structure of natu2
ral Korean p ine broadleaved forest [ J ]. For Res, 2003, 16 ( 5 ) :
523 - 530
[ 16 ] 惠刚盈. 林木分布格局类型的角尺度均值分析方法 [ J ]. 生态学
报 , 1996, 24 (6) : 25 - 29
[ 17 ] 沈国舫. 现代高效持续林业———中国林业发展道路的抉择 [ J ].
林业经济 , 1998, 12 (4) : 1 - 8
[ 18 ] 刘　健 ,陈平留 ,陈昌雄. 闽北主要用材林树种胸径与去皮地径
关系的研究 [ J ]. 福建林学院学报 , 1996, 16 (1) : 45 - 48
[ 19 ] 郭昭洋. 柳杉人工纯林胸径、树高威布尔分布的拟合 [ J ]. 江西
林业科技 , 1997, 14: 24 - 25
[ 20 ] 洪　伟 ,刘金福. 格氏栲种群个体年龄与胸径的时间序列模型
研究 [ J ]. 植物生态学报 , 1999, 23 (3) : 283 - 288
[ 21 ] 祖元刚 ,赵则海 ,丛沛桐. 北京东灵山地区辽东栎林种群空间分
布分形分析 [ J ]. 植物研究 , 2000, 20 (1) : 112 - 119
[ 22 ] Nanang D M. Suitability of the Normal , Log2normal and W eibull
distributions for fitting diameter distributions of neem p lantations in
Northern Ghana [ J ]. Forest Ecology and Management, 1998, 103:
1 - 7
[ 23 ] Danaza Mabvurira. Predicting and calibrating diameter distributions
of Eucalyptus grandis W. H ill ex Maiden Plantations in Zimbabwe
[ J ]. New Forests, 2002, 23: 207 - 223
[ 24 ] 盂宪宇. 使用 W eibul1分布对人工油松林直径分布的研究 [ J ].
北京林学院学报 , 1985, 7 (1) : 30 - 39
[ 25 ] 孟宪宇. 使用 W eibull函数对树高分布和直径分布的研究 [ J ].
北京林业大学学报 , 1988, 10 (1) : 40 - 47
[ 26 ] 黄家荣. 马尾松人工林直径分布神经网络模型研究 [ J ]. 北京林
业大学学报 , 2006, 28 (1) : 28 - 31
[ 27 ] 李凤日 ,吴俊民 ,鲁胜利. R ichards生长函数与 Schnute生长模
型的比较 [ J ]. 东北林业大学学报 , 1993, 21 (4) : 15 - 23
[ 28 ] 李凤日. 落叶松人工林林分动态模拟系统的研究 [ D ]. 北京 :北
京林业大学 , 1995
[ 29 ] 惠刚盈 ,盛炜彤. Sloboda树高生长模型及其在杉木人工林中的
应用 [ J ]. 林业科学研究 , 1996, 9 (1) : 37 - 40
[ 30 ] 汤孟平 ,唐守正. 森林收获安排模型研究进展 [ J ]. 世界林业研
究 , 2003, 15 (3) : 25 - 31
[ 31 ] 唐守正 ,张会儒. 相容性生物量模型的建立及其估计方法研究
[ J ]. 林业科学 , 2000, 23: 19 - 38
[ 32 ] 唐守正 ,李　勇. 一种多元非线性度量误差模型的参数估计及
算法 [ J ]. 生物数学学报 , 1996, 11 (1) : 23 - 27
[ 33 ] 唐守正. 多元统计分析方法 [M ]. 北京 :中国林业出版社 , 1984
[ 34 ] 曾伟生. 关于加权最小二乘法中权函数的选择问题 [ J ]. 中南林
业调查规划 , 1996, 15 (1) : 54 - 55
[ 35 ] 张会儒 ,唐守正 ,王琫瑜. 与材积兼容的生物量模型的建立及其
估计方法研究 [ J ]. 林业科学研究 , 1999, 12 (1) : 53 - 59
206