一種林分生長與經營交互可視化模擬方法

2023-05-04 08:57:06

一種林分生長與經營交互可視化模擬方法
【專利摘要】本發明涉及一種林分生長與經營交互可視化模擬方法，包括如下步驟：步驟一建立全林分生長模型、徑階生長模型、單木生長模型和測樹因子間估計模型所需的變量；步驟二構建自定義林分生長模型解析器；步驟三林分現狀與生長變化後各變量的自動動態存儲與提取計算；步驟四構建基於自定義林分生長模型的林木個體可視化模型參數計算法，實現自定義生長模型下的交互式林分生長可視化模擬；步驟五採用GDI與繪圖技術以及MOGRE渲染引擎技術，對林分經營前後的林分結構、林分二維狀態及三維場景進行可視化模擬，實現林分生長與經營交互可視化模擬。
【專利說明】一種林分生長與經營交互可視化模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於林分生長可視化模擬與林業經營管理可視化模擬兩個【技術領域】，具體涉及一種林分生長與經營交互可視化模擬方法。
【背景技術】
[0002]現有林分生長與林分經營模擬，均以單一的生長模型為模擬對象，不能適應不同林分生長特點的需求，同時林分生長與林分經營之間缺乏有效的交互，可視化模擬程度低等缺點，缺乏一種既能滿足不同林分生長特點，又能直觀反映林分生長與經營交互的可視化模擬方法，以提高林分經營管理效率和水平。
[0003]本發明綜合全林分生長模型、徑階分布模型與單木生長模型所需的變量，利用編譯原理中的詞法、語法及語義分析等理論，構建自定義林分生長模型解析器；結合資料庫技術，建立林分現狀與生長變化後各變量的自動動態存儲與提取算法，參考林分(林木)各調查因子間、林木個體可視化模型參數間關係模型，構建基於自定義林分生長模型的林木個體可視化模型參數估計算法，實現自定義生長模型下的交互式林分生長可視化模擬；採用GDI+繪圖技術與MOGRE渲染引擎技術，對林分經營前後的林分結構、林分二維狀態及三維場景進行可視化模擬，實現林分生長與經營交互可視化模擬。

【發明內容】

[0004]針對現有技術中的不足，本發明的目的在於提供一種林分生長與經營交互可視化模擬方法，實現林 分生長與經營的交互可視化模擬。
[0005]為了實現上述目的，本發明採取的技術方案是:
[0006]一種林分生長與經營交互可視化模擬方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一建立全林分生長模型、徑階生長模型、單木生長模型和測樹因子間估計模型所需的變量；
[0008]步驟二構建自定義林分生長模型解析器；
[0009]步驟三林分現狀與生長變化後各變量的自動動態存儲與提取計算；
[0010]步驟四構建基於自定義林分生長模型的林木個體可視化模型參數計算法，實現自定義生長模型下的交互式林分生長可視化模擬；
[0011]步驟五採用⑶I與繪圖技術以及MOGRE渲染引擎技術，對林分經營前後的林分結構、林分二維狀態及三維場景進行可視化模擬，實現林分生長與經營交互可視化模擬。
[0012]所述全林分生長模型建立步驟為
[0013]建立林分斷面積生長模型
[0014]G = 26.9899S10-7686 {1-exp [-0.0006802 (SDI/100) 18675 X (t-2.6)]}04803(I)
[0015]其中，G為林分斷面積；SI為地位指數；SDI為林分密度指數；t為預估林齡；
[0016]SDI = NX (D/D0) 0(2)
[0017]其中，N和D為現實林分每公頃株數和平均胸徑，Dtl為基準平均胸徑，取DpOcm，3為最大密度線，取值為1.2248 ；
[0018]建立優勢木高預估模型
[0019]林分優勢木高的生長與林分密度關係相對較小，主要依賴於立地質量，立地質量
越聞，優勢木聞生長越快，可表達為:
[0020]
【權利要求】
1.一種林分生長與經營交互可視化模擬方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一建立全林分生長模型、徑階生長模型、單木生長模型和測樹因子間估計模型所需的變量； 步驟二構建自定義林分生長模型解析器； 步驟三林分現狀與生長變化後各變量的自動動態存儲與提取計算； 步驟四構建基於自定義林分生長模型的林木個體可視化模型參數計算法，實現自定義生長模型下的交互式林分生長可視化模擬； 步驟五採用GDI+與繪圖技術以及MOGRE渲染引擎技術，對林分經營前後的林分結構、林分二維狀態及三維場景進行可視化模擬，實現林分生長與經營交互可視化模擬。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述全林分生長模型建立步驟為 建立林分斷面積生長模型G = 26.9899S10-7686 {1-exp [-0.0006802 (SDI/100) 18675 X (t_2.6)]}a 4803(I) 其中，G為林分斷面積；SI為地位指數；SDI為林分密度指數；t為預估林齡； SDI = NX (D/D0)0(2) 其中，N和D為現實林分每公頃株數和平均胸徑，Dtl為基準平均胸徑，取^=20(^, ^為最大密度線，取值為1.2248 ； 建立優勢木高預估模型 林分優勢木高的生長與林分密度關係相對較小，主要依賴於立地質量，立地質量越高，優勢木高生長越快，可表達為:H 二 a沿-e-(3)
其中，SI 為地位指數；A 為林分年齡；&1=47.784 ；a2=0.00102 ；a3=l.124 ；a4=l.077 ； 建立林分株數自稀疏模型 依賴於優勢木高和前期密度的枯損方程，表達為: N = (Na0+H!rn-H才(4) 其中，N為期末林分密度；氏為林分期末對應的優勢木高為林分初始密度即單位面積株數為林分期初對應的優勢木高；a=-0.36785 ；b=-0.0000000895 ；c=3.56889 ；建立林分平均胸徑預估模型 在未進行人為幹預的林分中，林分平均胸徑與株數、優勢木高之間存在冪函數關係，所建模型表達為: Dg=axHb'N--Hb2(5) 其中，Dg為林分平均胸徑；H為林分優勢木高；N為林分單位面積株數；&1=1.6601 ；Id1=L 6744 ；a2=0.0862 ；b2=0.4668 ； 建立人為幹預後林分平均胸徑和株數估計模型 當經營措施實施後，人為地改變了林分的生長過程，需用動態模型進行估計:
D2 = D1 + 0.3451 *?0 7153 (1- C^u3346am)"0.618 *￡^.083244( 6 )
N2 = JV1 -2782.601/邊1582(1-e—u2472uWaj)211.81 *eM322媽(7 )其中，D1為期初林分平均胸徑；D2為期末預估林分平均胸徑A1為期初林分單位面積株數；N2為期末林分單位面積株數A1為期初林分年齡；AA為預估期長度；SI為地位指數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述徑階分布模型建立步驟為 建立Weibull分布概率密度函數: bK b 1 (8) 式中，a為位置參數；b為尺度參數；c為形狀參數； Weibull分布函數的一階原點距為林分算術平均胸徑D，二階原點距為林分平均胸徑的平方Dg2，即: D = a+b r (l+1/c)(10) /.),:+ 2, t ) + 2c")r(i + 1 c)-\-cr(11 ) a可定義為林分最小直徑，根據同齡純林直徑結構規律，用林分平均胸徑的0.45倍作為a的近似估計值，在得知D和Dg的情況下，兩式反覆迭代即可求得參數b和c ; 林分算術平均胸徑和林分平均胸徑間有著密切的線性關係，表達如下: D = -0.36756+1.01301Dg(12) 利用上式即完成對林分算術平均胸徑的估計，各徑階的株數按下式求得:' V b(13) 其中，叫為第i徑階內理論株數；N為林木總株數;W為徑階距；Xi為第i徑階中值。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述單木生長模型的建立步驟為 建立胸徑連年生長量模型 基於生長量修正法建立的杉木人工林單木胸徑連年生長量模型來對中林分經營前後的林木生長狀況進行預估，表達式如下:
dD/dt = 1.56364RS0-51489RD0-02685 (0.13 2 7 8S10-88556Da 2302-0.0158SI。.73315D)(14) 式中，SI為地位指數；D為胸徑；RS為相對植距；RD為相對優勢度； 建立胸徑生長量模型 將胸徑生長量作為胸徑、年齡和競爭指數的函數，表達如下: LnZc = a0+a1D+a2A+a3CI+a4/A(15) a,=Jix 丄(16)
>=i xi lH 其中，CIi為簡單競爭指數；X1、&分別表示競爭木i和對象木j的測樹因子，Lu表示競爭木i和對象木j的的距離；ZD為胸徑生長量；D為胸徑;A為林齡； 建立對象木3年胸徑生長量模型 將胸徑3生長量作為競爭指數的函數，表達如下: Zd = 5.4137ei 3733CI(17) 其中，Zd代表林木3年胸徑生長量；CI表達式如式(23)所示，其中，n=8。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述測樹因子間估計模型的建立步驟為 對林木樹高分布估計林木胸徑和樹聞具有一定的關係，以直角坐標系中的X軸表不胸徑，y軸表不樹聞，將林分中的林木繪製到坐標圖上，並依據散點的分布繪製一條平滑曲線，這條曲線稱為樹高曲線，樹高曲線能夠明顯的反映出樹高隨著胸徑的變化規律， 常用的胸徑-樹高曲線方程有: H = ao+a*log (D)(18) H = ao+af (D) +a2*D2(19) .11 =^d"' (20) 其中，H代表樹高；D代表胸徑；％，&1，a2為參數。 依據林分調查資料，繪製H-D散點圖，根據散點圖分布選擇幾個樹高曲線進行擬合，從中挑選擬合度最優的樹高曲線方程作為研究區域的H-D樹高曲線方程；採用胸徑-樹高方程: H = 0.4921*S°-6309^D273 (r = 0.9734)(21) 對林木冠幅分布估計 冠幅的模擬採用張鐵林得出的杉木人工林胸徑冠幅關係理論公式: 大徑材: Cff = 0.83008D0-47306(22) 中徑材: Cff = 0.75387D0-49336( 23) 小徑材: Cff = 0.81540D0 46136(24) 杉木冠幅面積估計模型表達式如下: CWa = D/(2.8617-0.03498D)(25) 其中，D為胸徑；CW為誕幅；CWA為誕幅面積； 建立材積估計模型 採用農林部標準LY208-77中的杉木二元材積公式: V=0.000058777042*Dl 9699831^Ha 89646157( 26 ) 式中:D為胸徑；H為樹高；V為材積。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述自定義林分生長模型解析器包括C語言編程模塊、詞法分析模塊、語法分析模塊與語義分析模塊，其中執行過程如下 首先，通過定義模型因變量與自變量，對用戶定義的林分生長模型進行詞法分析，確保字符表達正確； 其次，執行語法分析，確保模型表達無誤； 再次，執行語義分析，實現類型審查，並將模型表達為便於執行運算的後綴表達式形式，結合動態實時獲取變量值的林分數據表，進行運算； 最後，用執行結果更新林分數據表，完成數據更新。
7.根據權利要求1所述的算法，其特徵在於:以WF技術為基礎，在構建林分生長活動、林分結構分析活動與林分經營措施活動的基礎上，通過設計林分生長活動、林分結構分析活動及林分經營措施活動與林分數據表間的接口，實現各個活動與林分數據表間的數據傳輸，以圖形化、流程化方式， 實現模擬三者間信息交互的可視化模擬，其中實現林分結構分析、林分經營措施活動、3維場景模擬需要的是林木個體信息，當林分生長模型是全林分模型或徑階模型時，在設計林分生長活動與林分數據表接口的時候，涉及到林分整體信息到林木個體信息含林木3D可視化模型構建所需參數的估計的算法，以實現任意類型生長模型下的林分數據表更新，接口設計採用資料庫技術，以實現林分生長、林分結構分析與林分經營措施所需 變量的自動動態存儲與提取。
【文檔編號】G06F19/00GK103678870SQ201310438526
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】張懷清, 鞠洪波, 李永亮, 劉閩, 蔣嫻 申請人:中國林業科學研究院資源信息研究所