林分是一个复杂的生物系统,具有独立的空间结构、分布规律、内部机理以及外部环境因子等。科学合理的对林分结构与生长进行分析和预测,对于指导林业生产和科学研究具有重要的意义。同时,由于森林生态系统变化缓慢,更新周期长,并具有不可逆转性等特点,常规的试验方法研究森林生长规律和经营管理效果,不仅试验周期长,而且耗费大量的人力、财力。随着林业信息化技术的发展,可视化模拟方法在计算机终端实现森林结构、生长进行的模拟预测为这一常规试验提供新的思路。通过林分结构和生长的可视化模拟,将更直观、更形象、更真实的反映现实林分的生长状况、空间结构以及预测林分未来的发展趋势,突破了林业研究时间跨度大和空间尺度大两个限制因素。本研究选取湖南攸县黄丰桥林场作为试验区,以杉木人工林为试验对象。通过研究构建林分结构自适应模拟算法模拟林分结构;并以林分结构为基础构建反映林木综合竞争的综合竞争模型,然后结合综合竞争模型、林木枯损模型研究林分总体生物量向个体分配的分配机制,以模拟已知林分整体生长量状态下的单木生长;最后构建林分结构与生长可视化模拟系统。主要包括以下四个研究内容:1)针对林分位置特点研究基于不同地形不同林分分布规则的支导线测量法,实现了基于不同地形的样地布设方法以及林分内导线布设方法,获取林分内任意林木的位置信息。测量数据分布与林木实际分布保持一致。结果表明,支导线控制测量法是一种有效的测量林木位置的方法。该测量指标与方法可推广应用于任何树种的调查测量。2)基于自相似理论的林分空间分布格局模拟算法以及林分属性结构模拟方法。林分空间分布格局模拟算法是利用林分级别各单木组成的最小空间结构单元之间的相似性结合并改进IFS分形算法与角尺度模型的一种模拟林分的空间分布格局的算法。该算法采用从个体到整体的思想,首先确保每个最小空间结构单元都符合真实的林分分布格局从而保证整个模拟林分也符合真实的林分分布格局。3)林木竞争是影响林木生长的一个重要因素,竞争的主要机理是植物间在空间上的相互作用。目前竞争被广泛应用在林分生长模拟研究方面,不仅需要一个综合竞争指标同时还需要将林分整体生长量分配到林木个体的生长量分配模型。但是大部分竞争模型都需要对树木进行大量的实地调查,测量指标复杂,获取难度较大;同时林木竞争往往只考虑单方面的竞争,如只考虑邻体竞争或者只考虑光资源竞争。因此在基于竞争模型的林分生长量分配方法要求竞争模型从功能上要既能表现林分整体生长还要能表现单木个体生长,从范围上不仅要能表现林木对资源的竞争也要能表现林木个体之间的竞争。基于以上需求,以湖南省攸县黄丰桥林场杉木林分2008年至2011年每木检尺调查结果为数据源,开展对开阔比数模型fO,简单竞争因子模型fH和竞争压力指数模型fCSI的研究,提出一个新的林木综合竞争因子即综合竞争模型fCi=1/(afOi+bf Hi+cf CSIi),并以综合竞争模型为依据将林分总体生长量分配到林木个体,构建林分生长量分配模型?( )′==n1iciciffTotaliGG。用回归分析法求得a=5.416081713,b=1.037485025,c=0.157524494,该模型标准误差为0.17912842,相关系数为0.966704535,可以满足本研究的精度要求。分别就湖南攸县黄丰桥林场10块样地为例进行分析,发现该模型对于杉木人工纯林生长分配的拟合度较高,马褂木人工纯林拟合度次之,混交林拟合度较差。结果表明该模型是适合于人工纯林的林分生长量分配模型。4)研究结构、生长模型的人机交互与可视化以及林木可视化模型,建立林木-林分高效LOD模型,实现林分在不同结构下的生长可视化模拟。采用Direct X 3D技术,开发自主产权的集林分结构自适应模型、基于过程的林分生长模型、GIS数据等为一体的交互式林分结构与生长三维可视化软件平台。以黄丰桥林场杉木林为例,模拟不同龄级林分结构与生长过程,为森林经营决策提供参考。通过以上研究,主要有以下几个创新点:1)针对林分位置特点研究基于不同地形不同林分分布规则的支导线测量法,提出了不需布设闭合导线的支导线自由测站法。2)通过研究林分空间结构的自相似性规律,结合并改进角尺度模型与IFS迭代函数,提出以一株对象木与距离最近的四株竞争木为一个空间结构单元,根据林分空间结构的自相似性并以此结构单元经平移、旋转等处理后复制到林分范围内,从而实现林分空间格局的模拟。3)针对林分条件下林木竞争的特点研究林木综合竞争效应模型,综合竞争模型主要考虑光资源竞争与邻体竞争,分别引用并改进对开阔比数模型与简单竞争因子、竞争压力指数。在影响圈范围内,通过参数表现光资源与邻体竞争之间的权重关系,最后生成综合竞争模型用于描述林木综合竞争效应,是竞争模型的一种新的表现形式。综上所述,通过自适应算法模拟林分结构,通过综合竞争模型及生长量分配模型模拟林分竞争与生长能较好的表现林分结构与生长,是较为合理的研究方法。通过该研究为林分信息化技术提供了较好的模型与方法。