摘 要： 在林業領域，森林生長模型的預測結果可以提供豐富的詳細信息，然而傳統使用文本或統計表的方式表達模擬結果不利于結果的分析和理解。針對此問題，根據林分結構描述參數和分析內容的具體可視化需求，集成虛擬植物、可視化技術和森林徑階模型，設計了杉木人工林林分可視化模擬系統的體系結構。利用VS2008開發平臺、ArcEngine與OSG圖形渲染引擎，在VisForest原型系統的基礎上，開發集成Weibull分布模型、杉木胸徑與樹高和冠幅的關系模型等，形成杉木人工林可視化模擬系統。系統實現了林分結構的統計分析、二維可視化和二三維一體化的可視化模擬。該系統為林分生長和林分經營管理的研究和決策提供了直觀高效的表達手段和可視化分析工具。
0 引言
林分結構研究歷來是森林研究的重點和難點，經過幾十年的發展，已經建立了許多林分的生長模型，預測結果可以提供豐富的信息，但大部分結果以文本或統計表格的形式表達，不利于分析和充分理解模擬結果。在森林研究的各項領域中，林木在水平地域上的分布及林木各屬性的分布信息越來越重要，可以體現林木之間的競爭。目前學者們已意識到林分結構可視化的重要性，直觀的表達方式有利于洞察數據中的科學規律，因此開展了相關研究，已取得一些研究成果。如美國農業部林務局等單位聯合研發的林分可視化系統SVS已被較廣泛應用于林分結構分析中[1-2]，SVS可在林分三維視圖上通過點擊鼠標直接進行林木的標記、采伐等林分經營活動，但SVS沒有考慮如何利用沒有坐標的樣地調查數據來進行林分空間結構的重建，且樹模型不夠真實。SCOTT I-R[3]開發的Sylview森林可視化系統可用于單株木及林分的可視化。LIM E-M和HONJO T[4]用虛擬現實建模語言（VRML）完成了10萬棵樹木大規模的森林場景的實時繪制模擬。法國農科院研究所開發的Capsis軟件已集成了單木、徑階和林分的幾十種不同的計算模型。國內也有了林分可視化的報道，有的利用國外的研究成果進行本地化模型的集成開發[5-6]；有的進行自主研發，如一個基于信息管理，集虛擬現實、林木生長模擬與信息管理于一體的虛擬森林管理原型系統（VFIS）[7-9]。蔣嫻等人[10]設計了針對林分分布、生長的專業模擬與可視化系統，可以恢復與重建林分空間結構，動態模擬林分生長過程，預測林分生長情況，并進行二維、三維顯示。隨著近年來計算機技術和圖形學等相關學科的發展，林分可視化已取得一定的進展，可視化效果有所改善，但是提高三維可視化效果與緊密結合林業相關知識往往難以同時兼備，在追求更加趨于真實的三維渲染的同時，與森林生長模型和林分結構規律空間分布的結合不夠，而且需要大量實測數據，獲取難度較大，需要消耗大量人力、物力和財力，這也很大程度上限制了林分可視化系統的不斷發展，離產品化和商品化有較大差距。
本文在本研究團隊開發的VisForest[11]森林可視化系統的基礎上，集成徑階分布函數及林分結構模擬模型，設計并實現杉木人工林林分結構可視化模擬系統，目標是在只有林分整體特征又不需耗費大量人力、物力實測林分內各林木的空間位置信息及其屬性信息的情況下，實現基于林分結構規律的杉木人工林林分可視化模擬。
1 系統體系結構
杉木人工林林分可視化模擬系統的結構采用C/S（客戶端/服務器）模式。服務器端采用SQL Server 2008數據庫進行數據的錄入、管理和輸出等，便于每個用戶注冊登錄以及讀取自己的數據并進行數據管理和操作。程序端是林分結構分析、可視化，通過SDE數據引擎與服務器端的數據庫進行連接，為模型分析提供相關數據。根據系統的實現流程和數據通信方式，系統總體結構可劃分為表現層、邏輯層和數據層，如圖1所示。
表現層主要體現在客戶端，包括各種用戶操作和各種分析、展示功能的實現，用于滿足用戶實際業務需求。表現層包括3個功能模塊：（1）杉木人工林二維林相圖的信息管理模塊：實現二維林相圖的加載，放大、縮小、選擇小班、林木信息查詢以及漫游到指定地點等地圖操作和屬性信息查詢管理功能。（2）杉木人工林林分二維可視化模擬模塊：以直方圖和散點圖的方式對杉木人工林林分結構分布進行二維可視化模擬。（3）杉木人工林林分三維可視化模擬模塊：根據林分密度、年齡等信息以及林分結構規律，重建林分三維場景。
邏輯層是系統的核心，是對系統各功能模塊的實現以及交互、連接過程的抽象表達，闡述了系統實現的基礎和關鍵技術。邏輯層中的主要模塊包括：DEM地形和地形紋理的加載和繪制、杉木人工林林分直徑、樹高分布模型、林分空間分布格局算法。地形和紋理的加載和繪制是構建虛擬森林場景的基礎和關鍵，通過ArcEngine組件和工具包實現與SDE數據引擎通信來讀取數據庫中的地形和紋理數據；利用地景渲染工具箱osgEarth進行三維地形和紋理的加載和繪制。單樹建模引擎為單棵樹三維幾何模型的繪制以及林分的可視化模擬提供了樹木三維模型驅動引擎。利用OSG進行三維場景的組織和管理優化，可以構建高效、真實的虛擬森林場景。
數據層用來實現系統運行所需數據的存儲和管理，主要包括以下數據：森林資源規劃設計調查數據、林相圖、DEM地形數據、遙感影像數據、典型樹種模板庫等。
2 系統實現
杉木人工林林分可視化模擬系統在VisForest[11]的基礎上，以C++作為系統編程語言，在VS2008開發平臺上，利用ArcEngine組件和工具包、OSG圖形圖像渲染引擎，在服務器端安裝Microsoft SQL 2008數據庫，并通過ArcSDE空間數據庫引擎實現數據庫數據的讀取、管理以及系統的開發。
2.1 林分三維可視化
森林是由樹木為主體所組成的地表生物群落。要真實模擬森林環境，必備的數據包括數字高程模型、單株木模型、林木的分布密度，要分析林分結構信息，還需要樹齡、平均胸徑、平均樹高。單株木三維模型采用參數化單樹建模軟件ParaTree[12]，根據杉木的形態結構特征建立杉木不同形態結構特征的三維模型。三維林分場景構建是在三維地形景觀基礎上，按一定的空間分布格局把樹木種植于地形上形成的。
2.1.1 林分空間分布格局分配算法
雖然利用Weibull分布模型可以對林分的直徑分布進行擬合，但缺乏空間位置信息，難以對林分進行真實可靠的可視化模擬。本文根據森林空間分布的一般規律，即規則分布、隨機分布和聚集分布三種空間分布方法[13]，結合直徑分布，模擬不同徑階的空間分布情況。空間分布算法流程圖如圖2所示。
（1）規則分布：規則分布中，種群個體都是等距離分布的，或者個體之間保持均勻的距離。種群各處的密度相等。林木在水平空間均勻等距地分布。這種情況在自然的情況下極為罕見，人工林有一定的株行距，常呈均勻分布。每株木空間平面位置的計算流程如圖2（a）所示。
（2）隨機分布：是指每一個個體在種群各個點上的出現具有同等的機會，并且某一個個體的存在不影響其他個體的分布，個體分布是偶然的；林木以連續而均勻的概率在林地上分布。每株木空間平面位置的計算流程如圖2（b）所示。
（3）聚集分布：又稱集群分布或者核心分布。這種分布中，種群個體分布極不均勻，在各處的密度相差很大，常成簇、塊或群密集分布。其成因可能是由于環境的差異，或者植物傳播種子以母樹為中心擴散，或者種間的相互關系等。每株木空間平面位置的計算流程如圖2（c）所示。
2.1.2 林分場景的繪制
林分中地形三維可視化是基于DEM數據和遙感影像數據，采用可規模化的地景渲染工具箱osgEarth進行三維地形和紋理的加載和繪制。林分場景的可視化過程為：從二維林相圖中交互地選擇一個小班，獲取小班的優勢樹種、林木分布密度以及林木的相關幾何信息（平均胸徑、平均樹高、冠幅等）。由林分密度和林木空間分布格局分配算法確定樹木的二維分布位置，再根據DEM計算樹木的高程位置即可確定樹木的三維位置信息。最后從單樹模型庫中讀取相應樹模型，并根據當前小班的林木屬性信息以及林分結構分布模型進行樹模板參數修正，加載到場景中進行林分場景的構建。
3 應用實例
以福建省漳平市五一林場的數據為例，用戶可交互式選擇一個小班，然后小班的信息就顯示在整體信息描述中；選擇一種空間格局分布方式；系統根據小班信息和相關模型得到小班直徑、樹高分布；最后確定進行林分可視化模擬。
（1）杉木人工林林分結構信息可視化
以五一林場中一個小班為例，小班面積為124畝，小班平均胸徑為13.5 cm，每畝林木株數為136。該小班各徑階中值與其對應的林木株數、林木樹高的關系如圖3所示。
圖3直觀呈現出小班各徑階林木株數以及各徑階中值對應的杉木平均樹高的分布情況。該小班中徑階中值13 cm的林木株數最大，徑階中值25 cm的林木平均樹高最高。圖中直觀呈現出了林分直徑、樹高分布狀況，為林分其他調查因子的研究、開展林分結構分析研究以及林分經營管理，提供科學直觀的可視化表達。
（2）杉木人工林二三維一體化可視化模擬
直徑分布模型、胸徑與樹高關系模型的估算結果不僅為林分結構的可視化模擬提供了直徑和樹高分布情況，也為單株木模擬提供了必要的胸徑和樹高因子。本文采用三種分布方式分配小班內林木的種植點，采用可視化技術對林分進行模擬，結果如圖4所示。
圖4中冠幅分布圖中灰色圓的中心坐標代表林木空間位置，直徑代表林木冠幅。通過圖可清楚看到杉木人工林結構分布，為調整林分結構、改善林分生長環境提供了可視化分析工具。
4 結論
本文面向林業信息可視化，基于空間數據庫、地理信息系統、虛擬植物等技術，提出了一種結合林分結構分布規律的林分可視化模擬系統的體系結構，并開發形成系統。系統集二維數據管理、三維景觀模擬于一體，為林業研究者和用戶提供了一個更加真實的林分可視化模擬工具，可以在林分可視化的基礎上實現森林景觀尺度的可視化和相關分析功能。以漳平五一林場的數據為例，給出了系統的部分應用實例。結果表明，軟件系統能夠表達林分結構分布規律，更加真實地模擬杉木人工林。
森林可視化模擬是林業信息化建設的關鍵與核心。森林是一個長期的動態變化的系統，本文側重于林分現狀的分析，下一步將與林分生長模型結合，模擬林分生長過程。
參考文獻
[1] 唐麗玉，陳崇成，權兵.森林景觀的計算機建模與可視化研究進展[J].林業科學，2006，42（10）：109-116.
[2] 高廣磊，丁國棟，張佳音，等.林分結構可視化模型的原理及應用與展望[J].世界林業研究，2011，24（3）：42-46.
[3] SCOTT I-R. Sylview： a visualization system for forest management [D]. Columbia： University of Missouri， 2006.
[4] LIM E-M， HONJO T. Three-dimensional visualization forest of landscapes by VRML [J]. Landscape and Urban Planning， 2003：175-186.
[5] 高廣磊，丁國棟，肖萌，等.人工混交林的林分可視化研究[J].水土保持通報，2012，32（6）：158-162.
[6] 李秀全，徐有明，涂俊杰，等.可視化系統在濕地松人工林演示中的應用[J].南京林業大學學報（自然科學版），2007，31（5）：121-124.
[7] 陳崇成，唐麗玉，權兵，等.基于信息管理的一種虛擬森林景觀構建及應用探討[J].應用生態學報，2005，16（11）：2047-2052.
[8] 許文強，唐麗玉，陳崇成，等.森林景觀模擬與管理信息系統的設計與實現[J].中國農業科技導報，2009，11（5）：83-89.
[9] 權兵，唐麗玉，陳崇成，等.虛擬地理環境下的林分生長可視化研究[J].福建林學院學報，2004，24（3）：224-228.
[10] 蔣嫻，張懷清，賀姍姍，等.林分可視化模擬系統的設計[J].林業科學研究，2009，22（4）：597-602.
[11] Tang Liyu， Chen Chongcheng， Zou Jie， et al. OntoPlant： an integrated virtual plant software package for different scale applications[C]. 2011 IEEE International Couference on Spatial Data Mining and Geographical Knowledge Services（ICSDM），2011：308-314.
[12] 林定，陳崇成，唐麗玉，等.基于顏色編碼的虛擬樹木交互式修剪技術及其實現[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011，23（11）：1799-1807.
[13] 李永亮，鞠洪波，張懷清，等.基于林分特征的林木個體信息估算可視化模擬技術[J].林業科學，2013，49（7）：99-105.