虚拟森林环境中森林-环境要素之间交互行为的建模与仿真

森林与环境要素间的动态交互行为是影响和控制森林生态系统发展演化的一个关键因素。本项目以南方主要树种-杉木为例，以环境因子光与树木的交互行为为研究主线，通过对树木生理生态过程与环境要素作用-反馈机制的数值模拟，探讨树木生长发育与环境要素之间的定量关系。应用虚拟现实技术，建立树木形态结构的三维模型，利用光线跟踪算法模拟光在虚拟树木冠层内的光合有效辐射过程，计算冠层内光合有效辐射强度的空间分布，并结合光合作用模型和同化物分配模型，以可视化的方式动态模拟树木的生长发育与环境的交互行为。在此基础上，通过简化方法，进一步模拟林分尺度的森林与环境光之间的作用-反馈耦合行为。开发单树和林分两个尺度的森林-环境要素间交互行为的建模与仿真系统。研究成果可为树木的环境适应性研究提供一定理论基础，为森林-环境要素之间动态交互行为的建模与仿真提供定量的、富有真实感的新方法，为森林生态环境演化模拟提供支撑技术。

项目主要以杉木为例，模拟了虚拟树木冠层内的光合有效辐射（photosynthetically active radiation,PAR）过程，结合光合作用和同化物分配模型，以可视化的方式动态模拟树木的生长发育与环境的交互行为。研究成果为森林-环境之间动态交互行为研究提供定量的、富有真实感的新方法和技术支撑。以该项目为背景，发表论文26篇，EI论文9篇（另有1篇EI源）；申请专利2项，授权1项，公开1项；申请软件著作权登记2个；培养博士1名、硕士9名。主要研究内容和成果如下：.（1）基于L-系统的单树建模软件LSTD和交互式单树建模软件Easytree的升级改进，形成相应的LSTree和ParaTree软件。提出了由器官尺度上升单株木尺度的L-系统文法规则组合拼接方法，它有利于L-系统树木形态规则的重用。.（2）将领域知识和实地调查相结合，获取杉木的形态结构特征参数和生长发育规律，定义其L-系统规则。根据叶片沿枝干分布的密度、倾角和方位角，建立了不同年龄杉木冠层的三维精细模型。在单株木模型的基础上，采用实例化技术，形成林分场景。.（3）以精细三维杉木冠层模型为基础，采用光线跟踪算法和龟壳（turtle）算法分别模拟了单株木和林分尺度上太阳直射PAR和天空散射PAR在虚拟冠层内的空间分布，以三维直观可视化形式表达。从机理上解释了植物冠层内光的传输和受截获过程。.（4）以幼龄杉木为例，定义了其生长的基本单元，耦合L-系统和生理生态模型，形成了基于L-系统的杉木结构-功能模型。以福州3-4年生杉木的生长盛期为例，计算不同时刻净光合速率和各生长阶段的生物量，再把其分配到各器官，树木形态结构发生变化，通过迭代，实现生物量驱动下的树木动态生长模拟。净光合速率估算结果与已有相关研究对比，比较合理。.（5）以竹柏为例，根据光源位置、光照强度、光照持续时间、向光性弯曲生长拟合曲线及特性参数，模拟了光在环境中的传播过程，计算枝条芽尖处光辐射量和枝条的偏转角度，动态地模拟树木向光性生长的过程。.（6）以桃树为例，采用ParaTree建立5种常见桃树精细三维模型；利用上述冠层内PAR模拟方法，计算不同树形模型对太阳直射PAR和天空散射PAR的截获情况和净光合速率。从模拟结果得出，考虑通风透光条件，自然开心形与Y字形冠形更理想。本方法可为植物整型修剪、株型设计提供辅助定量分析工具。