森林生态系统是一个复杂的巨系统,生长周期长,使得造林设计的成果需要十几年或几十年才能显示出来,这些特点给林业研究、森林经营管理带来很大复杂性和挑战性。随着计算机技术、人工智能、可视化等技术的发展及多学科的交叉融合,在林业领域产生了虚拟森林环境等新兴研究方向。虚拟森林环境经过多年的发展,已经被认为是一种潜在的适用于森林生长分析、管理、决策的辅助工具。本文基于造林规划设计原理及森林的近自然经营管理理论,结合三维可视化、地理信息系统、决策支持系统、虚拟植物等技术,研发造林方案设计的三维辅助分析系统,实现造林方案的智能化推荐和交互式设计,并在虚拟地理环境中对设计的造林方案进行三维可视化表达,以直观的方式展现小班的造林效果。利用林分的空间结构指数及郁闭度对构建的虚拟森林进行空间结构合理性分析,为辅助造林方案的调整及林分的近自然经营管理提供决策支持。主要研究工作及成果如下:(1)造林规则集和案例集的构建。收集并总结了福建省主要造林树种的适生立地条件(如地貌、海拔、坡度、坡向等)和造林模式(如主栽树种、初植密度、株行距、营造模式、伴生树种等),建立110个主要造林树种的造林规则。以2010年福建省漳平市五一国有林场森林资源二类小班调查数据为数据源,建立2117条造林案例。(2)造林知识的形式化表达与推理。利用产生式知识表达方法对造林规则或案例知识进行形式化表达,根据正向规则推理和案例推理的原理,开发知识推理引擎,实现造林方案的智能化推荐。(3)造林方案的三维可视化表达。根据设计的造林方案,运用可视化技术、虚拟植物技术在虚拟地理环境中构建森林场景,实现造林方案的三维可视化表达,为探察造林方案的合理性提供基础。(4)基于Voronoi图的角尺度空间分布格局分析方法。以林分空间结构理论为基础,通过模拟不同空间分布类型的林分,得出适用于Voronoi图方法的随机分布角尺度置信区间[0.2111,0.2219],为实现造林方案的空间合理性分析及林分的近自然经营管理提供技术支持。(5)林分郁闭度值估算方法。结合三维可视化中的阴影图理论,提出了虚拟三维环境下林分郁闭度值的估算方法,为合理控制林分择伐强度提供了科学依据。(6)造林方案的对比与分析。以促进林分的近自然改造为目标,通过对比分析不同造林方案及择伐强度条件下杉木马尾松混交林的林分空间结构和郁闭度变化,得出两者较适宜采用的造林方案。