基于生理生态模型的杉木形态结构变化可视化模拟研究

摘要

随着计算机技术和信息技术的不断进步，树木的三维可视化模拟正受到越来越多的学者关注，近年来更是取得了长足的发展。树木三维可视化模拟技术已经成为当前研究树木的有效手段，在展示树木形态结构以及树木生长变化过程等方面有其独特的优势，为深入研究树木形态结构变化机制以及生长过程开辟了新的技术途径，其最终目的是构建外在形态结构和内在功能都与真实树木相一致的模型，并应用计算机手段以可视化的方式呈现最终的模拟结果。树木的生命活动在某种程度上表现为树木形态结构、生理生态过程和环境之间的交互作用结果。实现对树木三维形态结构和生理功能的并行模拟成为当前树木模拟的主要发展方向。
　　杉木作为我国特有的用材树种，在国民经济建设中发挥着重要的作用。本研究以杉木为研究对象，综合考虑环境因素对杉木生长的影响，选取对杉木生长影响较大的环境因子做为驱动变量，利用光合作用产物的生产以及在杉木根、主干、茎以及叶子上的分配来建立杉木的生理生态模型，实现对杉木生长的定量化模拟；通过建立杉木的形态结构模型以及与生理生态模型的关系，实现了通过控制环境变量来影响杉木生物量的生产与分配，并通过生物量来控制杉木形态结构变化的过程。通过宏观层面的环境—生物量—结构之间的关系，简化了研究的难度，也为研究环境因素对树木生长的影响提供了新的技术方法。本研究的主要内容和结论如下：
　　（1）从杉木光合作用、呼吸作用以及光合产物生产与分配、水分平衡、环境响应等方面建立了杉木的生理生态模型，实现了不同环境条件下杉木不同组分生物量的变化情况，为定量化模拟杉木的生长情况提供了依据。
　　（2）以植物构筑型理论为依据，分析了杉木的形态结构特征，得出杉木的总体分枝率和逐级分枝率随着年龄的变化逐渐增大；杉木一、二级枝分枝角度符合正态分布，分别集中于50?~80?和50?~100?之间；杉木一级枝方位角符合均匀分布，二级枝方位角多分布在水平方向上。
　　（3）以杉木的形态结构特征为基础，应用IFS方法建立了杉木的形态结构模型。根据树冠的生长空间，应用幂函数以树高、枝下高、冠幅和冠高为自变量建立了冠形曲线函数，并通过生长曲线函数控制变量的取值范围。应用不同年份的杉木冠形形状结合IFS方法实现了对杉木的动态生长模拟并建立了相应的控制模块。所采用的方法能够建立常见的树种冠形，对于模拟其他树种的形态提供了参考。
　　（4）在得出杉木不同组分生物量和形态结构模型的基础上，建立生物量和结构之间的关系。通过树干的异速生长方程建立树干体积与树干生物量的关系得出了树干形状的参数，为模拟树干提供了依据；通过调查数据分析了杉木生长中分枝的变化情况，主要有分枝轮数、分枝位置以及每年死亡的分枝数量，应用分枝生物量和冠形确定了杉木分枝的情况；通过叶生物量和叶之间的关系确定了叶量，并对叶子的分布情况进行了讨论。
　　（5）在前文介绍的相关理论和方法的基础之上，通过计算机编程语言和计算机图形学的相关知识完成了杉木形态结构与生长的三维可视化模拟系统的开发工作，实现了对杉木形态结构与生长的三维可视化模拟，输出了不同形态结构参数和环境条件下的模拟结果。
　　树木可视化模拟技术的应用为林业信息化建设提供形象、直观地观测平台和快速便捷的工具，具有广泛的实用价值，使林业科学研究和生产实践从费时费力的现场观测转移到方便、直观、逼真的三维可视化模拟环境，促进了林业管理和科学研究。已有的研究中关于树木的模拟多注重视觉意义上的像，而忽略了树木本身的特征，在实际的应用中有其局限性，缺少理论支撑。本文从影响杉木生长的环境条件出发来建立杉木对环境的响应机制，并以计算机可视化的方式展现了影响结果，具有非常好的发展空间。在今后的研究中，需要对生理生态模型进行不断完善，深入考虑杉木的内在生长机制与环境的交互反馈作用，加强模型理论与实际的结合，对模型参数进行优化，积累调查数据对模型进行可靠性的验证，同时也为研究杉木和林业生产提供有力的支撑工具。

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表目录

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 相关领域的研究现状

1.3 研究问题的提出

1.4 研究内容

1.5 研究技术路线

1.6 论文组织结构

第二章 研究材料概述

2.1 研究区概况

2.2 杉木的生物学特性

2.3 杉木数据调查方法

2.4 研究数据获取

2.5 本章小结

第三章 杉木生理生态模型的构建

3.1 杉木生理生态模型

3.2 环境因素的影响

3.3 环境影响建模

3.4 水分平衡模型

3.5 模型参数获取

3.6 本章小结

第四章 杉木形态结构变化建模

4.1 杉木形态结构分析

4.2 基于IFS方法的杉木形态结构描述

4.3 树木冠形结构的建立

4.4 杉木形态结构变化建模

4.5 杉木形态结构参数汇总

4.6 本章小结

第五章 生理生态模型和杉木形态结构模型耦合研究

5.1 主干生物量和树干形状

5.2 分枝生物量和分枝结构

5.3 叶生物量与叶量

5.4 根生物量和根系

5.5 本章小结

第六章 杉木形态结构与生长可视化模拟系统的设计开发

6.1 系统需求分析

6.2 系统建设架构设计

6.3 杉木形态结构与生长可视化模拟系统的实现

6.4 系统模拟结果

6.5 本章小结

第七章 结论与讨论

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 讨论

参考文献

在读期间的学术研究

致谢