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

1、隨著計算機技術和信息技術的不斷進步，樹木的三維可視化模擬正受到越來越多的學者關注，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已經(jīng)成為當前研究樹木的有效手段，在展示樹木形態(tài)結構以及樹木生長變化過程等方面有其獨特的優(yōu)勢，為深入研究樹木形態(tài)結構變化機制以及生長過程開辟了新的技術途徑，其最終目的是構建外在形態(tài)結構和內在功能都與真實樹木相一致的模型，并應用計算機手段以可視化的方式呈現(xiàn)最終的模擬結果。樹木的生命活動在某種程度上表現(xiàn)為樹木形態(tài)

2、結構、生理生態(tài)過程和環(huán)境之間的交互作用結果。實現(xiàn)對樹木三維形態(tài)結構和生理功能的并行模擬成為當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)濟建設中發(fā)揮著重要的作用。本研究以杉木為研究對象，綜合考慮環(huán)境因素對杉木生長的影響，選取對杉木生長影響較大的環(huán)境因子做為驅動變量，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，實現(xiàn)對杉木生長的定量化模擬；通過建立杉木的形態(tài)結構模型以及

3、與生理生態(tài)模型的關系，實現(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)結構變化的過程。通過宏觀層面的環(huán)境—生物量—結構之間的關系，簡化了研究的難度，也為研究環(huán)境因素對樹木生長的影響提供了新的技術方法。本研究的主要內容和結論如下：
　?。?）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)境響應等方面建立了杉木的生理生態(tài)模型，實現(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）以植物構筑型理論為依據(jù)，分析了杉木的形態(tài)結構特征，得出杉木的總體分枝率和逐級分枝率隨著年齡的變化逐漸增大；杉木一、二級枝分枝角度符合正態(tài)分布，分別集中于50?~80?和50?~100?之間；杉木一級枝方位角符合均勻分布，二級枝方位角多分布在水平方向上。
　?。?）以杉木的形態(tài)結構特征為基礎，應用IFS方法建立了杉木的形態(tài)結構模型。根據(jù)樹冠的生長空間，應用冪函數(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。應用不同年份的杉木冠形形狀結合IFS方法實現(xiàn)了對杉木的動態(tài)生長模擬并建立了相應的控制模塊。所采用的方法能夠建立常見的樹種冠形，對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)結構模型的基礎上，建立生物量和結構之間的關系。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系確定了葉量，并對葉子的分布情況進行了討論。
　?。?）在前文介紹的相關理論和方法的基礎之上，通過計算機編程語言和計算機圖形學的相關知識完成了杉木形態(tài)結構與生長的三維可視化模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作，實現(xiàn)了對杉木形態(tài)結構與生長的三維可視化模擬，輸出了不同形態(tài)結構參數(shù)和環(huán)境條件下的模擬結果。
　　樹木可視化模

7、擬技術的應用為林業(yè)信息化建設提供形象、直觀地觀測平臺和快速便捷的工具，具有廣泛的實用價值，使林業(yè)科學研究和生產(chǎn)實踐從費時費力的現(xiàn)場觀測轉移到方便、直觀、逼真的三維可視化模擬環(huán)境，促進了林業(yè)管理和科學研究。已有的研究中關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，在實際的應用中有其局限性，缺少理論支撐。本文從影響杉木生長的環(huán)境條件出發(fā)來建立杉木對環(huán)境的響應機制，并以計算機可視化的方式展現(xiàn)了影響結果，具有非常好的發(fā)展空間。在今