基于生理生態(tài)模型的杉木形態(tài)結(jié)構(gòu)變化可視化模擬研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，樹木的三維可視化模擬正受到越來越多的學(xué)者關(guān)注，近年來更是取得了長足的發(fā)展。樹木三維可視化模擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究樹木的有效手段，在展示樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)以及樹木生長變化過程等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為深入研究樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)變化機(jī)制以及生長過程開辟了新的技術(shù)途徑，其最終目的是構(gòu)建外在形態(tài)結(jié)構(gòu)和內(nèi)在功能都與真實(shí)樹木相一致的模型，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)手段以可視化的方式呈現(xiàn)最終的模擬結(jié)果。樹木的生命活動(dòng)在某種程度上表現(xiàn)為樹木形態(tài)

2、結(jié)構(gòu)、生理生態(tài)過程和環(huán)境之間的交互作用結(jié)果。實(shí)現(xiàn)對(duì)樹木三維形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的并行模擬成為當(dāng)前樹木模擬的主要發(fā)展方向。
　　杉木作為我國特有的用材樹種，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。本研究以杉木為研究對(duì)象，綜合考慮環(huán)境因素對(duì)杉木生長的影響，選取對(duì)杉木生長影響較大的環(huán)境因子做為驅(qū)動(dòng)變量，利用光合作用產(chǎn)物的生產(chǎn)以及在杉木根、主干、莖以及葉子上的分配來建立杉木的生理生態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)杉木生長的定量化模擬；通過建立杉木的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型以及

3、與生理生態(tài)模型的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過控制環(huán)境變量來影響杉木生物量的生產(chǎn)與分配，并通過生物量來控制杉木形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的過程。通過宏觀層面的環(huán)境—生物量—結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，簡(jiǎn)化了研究的難度，也為研究環(huán)境因素對(duì)樹木生長的影響提供了新的技術(shù)方法。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　（1）從杉木光合作用、呼吸作用以及光合產(chǎn)物生產(chǎn)與分配、水分平衡、環(huán)境響應(yīng)等方面建立了杉木的生理生態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境條件下杉木不同組分生物量的變化情況，為定量化模擬杉木

4、的生長情況提供了依據(jù)。
　　（2）以植物構(gòu)筑型理論為依據(jù)，分析了杉木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，得出杉木的總體分枝率和逐級(jí)分枝率隨著年齡的變化逐漸增大；杉木一、二級(jí)枝分枝角度符合正態(tài)分布，分別集中于50?~80?和50?~100?之間；杉木一級(jí)枝方位角符合均勻分布，二級(jí)枝方位角多分布在水平方向上。
　?。?）以杉木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，應(yīng)用IFS方法建立了杉木的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)樹冠的生長空間，應(yīng)用冪函數(shù)以樹高、枝下高、冠幅和冠高為自變

5、量建立了冠形曲線函數(shù)，并通過生長曲線函數(shù)控制變量的取值范圍。應(yīng)用不同年份的杉木冠形形狀結(jié)合IFS方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)杉木的動(dòng)態(tài)生長模擬并建立了相應(yīng)的控制模塊。所采用的方法能夠建立常見的樹種冠形，對(duì)于模擬其他樹種的形態(tài)提供了參考。
　?。?）在得出杉木不同組分生物量和形態(tài)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立生物量和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。通過樹干的異速生長方程建立樹干體積與樹干生物量的關(guān)系得出了樹干形狀的參數(shù)，為模擬樹干提供了依據(jù)；通過調(diào)查數(shù)據(jù)分析了杉木生長中分

6、枝的變化情況，主要有分枝輪數(shù)、分枝位置以及每年死亡的分枝數(shù)量，應(yīng)用分枝生物量和冠形確定了杉木分枝的情況；通過葉生物量和葉之間的關(guān)系確定了葉量，并對(duì)葉子的分布情況進(jìn)行了討論。
　?。?）在前文介紹的相關(guān)理論和方法的基礎(chǔ)之上，通過計(jì)算機(jī)編程語言和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)完成了杉木形態(tài)結(jié)構(gòu)與生長的三維可視化模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)杉木形態(tài)結(jié)構(gòu)與生長的三維可視化模擬，輸出了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境條件下的模擬結(jié)果。
　　樹木可視化模

7、擬技術(shù)的應(yīng)用為林業(yè)信息化建設(shè)提供形象、直觀地觀測(cè)平臺(tái)和快速便捷的工具，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，使林業(yè)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐從費(fèi)時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)轉(zhuǎn)移到方便、直觀、逼真的三維可視化模擬環(huán)境，促進(jìn)了林業(yè)管理和科學(xué)研究。已有的研究中關(guān)于樹木的模擬多注重視覺意義上的像，而忽略了樹木本身的特征，在實(shí)際的應(yīng)用中有其局限性，缺少理論支撐。本文從影響杉木生長的環(huán)境條件出發(fā)來建立杉木對(duì)環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，并以計(jì)算機(jī)可視化的方式展現(xiàn)了影響結(jié)果，具有非常好的發(fā)展空間。在今