一種基于最小空間結(jié)構(gòu)單元的林分空間結(jié)構(gòu)自相似可視化模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于最小空間結(jié)構(gòu)單元的林分空間結(jié)構(gòu)自相似可視化模擬方法，所述步驟如下步驟一根據(jù)林分整體信息計算林分樣地邊界坐標(biāo)、林木株數(shù)并根據(jù)林木株數(shù)確定林木最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)及其分布規(guī)則；步驟二根據(jù)角尺度規(guī)則，對最小空間結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變形等，最后復(fù)制、平移到林分范圍內(nèi)；步驟三相交樹的處理，即小于最小距離。
【專利說明】一種基于最小空間結(jié)構(gòu)單元的林分空間結(jié)構(gòu)自相似可視化模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項發(fā)明屬于林分空間結(jié)構(gòu)可視化模型模擬和林分自相似算法模擬等兩個【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于最小空間結(jié)構(gòu)單元的林分空間結(jié)構(gòu)自相似可視化模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]林分空間位置模擬的傳統(tǒng)模擬方法通常是根據(jù)林木間的株行距以及林木的栽植方式以及林分(樣地)的具體形狀結(jié)構(gòu)、林木株樹等屬性進(jìn)行模擬。傳統(tǒng)模擬方法，存在以下幾個問題:1)傳統(tǒng)算法在實際模擬時通常一種栽植方式要設(shè)計一種算法相對應(yīng)，算法之間不能通用，通用性較差；2)傳統(tǒng)算法對于人工林規(guī)則分布的井型、菱形分布的模擬表現(xiàn)出較好的模擬效果，但由于現(xiàn)實林分往往不會呈現(xiàn)完整規(guī)則分布因此傳統(tǒng)算法的模擬效果與實際分布效果差異較大；3)傳統(tǒng)算法在模擬隨機(jī)分布、團(tuán)狀分布方面與林分真實分布之間的差異較大，目前還沒有一種方法能達(dá)到60%以上的模擬精度；4)傳統(tǒng)方法需要設(shè)置大量樣地參數(shù)以及栽植方式相關(guān)的參數(shù)，因此模擬結(jié)果比較單一。
[0003]本發(fā)明是一種在林分空間結(jié)構(gòu)模擬方面的模擬方法，主要包括對人工林林分、混交林林分以及天然林林分空間格局的模擬，以上3種林分的空間格局主要表現(xiàn)為規(guī)則分布、均勻分布、隨機(jī)分布、聚集分布四類。該方法嚴(yán)格按照以上分布的位置特征，模擬林分中每株林木在林分中的相對位置，并表現(xiàn)林木在空間位置上的相關(guān)關(guān)系。
[0004]本發(fā)明通過設(shè)置對象木與競爭木的距離與角度實現(xiàn)林分內(nèi)最小結(jié)構(gòu)單元的設(shè)置，并通過林分內(nèi)最小結(jié)構(gòu)單元之間的自相似迭代實現(xiàn)對林分空間結(jié)構(gòu)的模擬；該方法解決傳統(tǒng)模擬方法中一種栽植方式對應(yīng)一個算法的問題，同時對于人工林規(guī)則分布，天然林聚集分布或隨機(jī)分布都有很好的模擬效果，且模擬結(jié)果可通過可視化的方式進(jìn)行調(diào)整，所見即所得。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明根據(jù)林分結(jié)構(gòu)模擬傳統(tǒng)方法存在的參數(shù)多、繁瑣且模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，提出了一種模擬林分結(jié)構(gòu)的新方法，以一株對象木與距離最近的四株競爭木為一個空間結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)單元與林分整體結(jié)構(gòu)之間的自相似性并以此結(jié)構(gòu)單元經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)等處理后復(fù)制迭代到整個林分范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)林分空間格局的模擬。
[0006]本發(fā)明以林木最小空間結(jié)構(gòu)單元為研究對象，林木最小空間結(jié)構(gòu)單元由一株對象木及與之距離最近的四株競爭木組成，根據(jù)林木最小結(jié)構(gòu)單元與林分整體在空間結(jié)構(gòu)組成上的自相似性，按照自相似迭代規(guī)則將最小結(jié)構(gòu)單元旋轉(zhuǎn)、變形等處理后復(fù)制平移到整個林分范圍內(nèi)，直至整個林分空間按照林分空間格局布滿單木，從而實現(xiàn)林分空間格局的模擬。具體流程如圖1所示。
[0007]1、根據(jù)林分整體信息計算林分樣地邊界坐標(biāo)、林木株數(shù)并根據(jù)林木株數(shù)確定林木最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)及其分布規(guī)則。[0008]林分整體信息包括:林分空間結(jié)構(gòu)分布規(guī)則、林分面積、林分密度等因子。
[0009]I)根據(jù)林分整體信息確定林分面積(S，單位:m2)，林分及緩沖區(qū)邊界坐標(biāo)；
[0010]假定林分/樣地形狀為正方形，通過林分面積信息S (單位:m2)計算林分邊長為(單位:m),林分初始坐標(biāo)為(0,0),因此林分邊界四個點坐標(biāo)為(5,5),
(5，返+5 )，( JS+5，5)，(忑+5，忑+5 )(單位:m)，緩沖區(qū)邊界的四個點坐標(biāo)為(0，0)，(O,在)，(為，0)，(忐，忑)(單位:m)。
[0011]2)根據(jù)林分密度，確定林木株樹以及林木最小空間結(jié)構(gòu)單元個數(shù)；
[0012]根據(jù)林分密度A (單位:株/m2)以及林分面積S (單位:m2)，可求出林木株數(shù)N =AS (單位:株)。根據(jù)林木最小結(jié)構(gòu)單元分布規(guī)則看出每株單木都對應(yīng)一個林木結(jié)構(gòu)單元，即每株單木周圍都有4株競爭木，因此林分中最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)與林木株樹的數(shù)量一致，最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)N = AS。
[0013]3)根據(jù)林分整體信息確定最小結(jié)構(gòu)單元分布規(guī)則；
[0014]林分空間結(jié)構(gòu)分為林木最小結(jié)構(gòu)單元和林分整體結(jié)構(gòu)。林木最小結(jié)構(gòu)單元由一株對象木和與之距離最近的四株競爭木所共同構(gòu)成。林分整體結(jié)構(gòu)是林分整體呈現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)信息，它是由林木最小結(jié)構(gòu)單元組成。
[0015]林分整體空間結(jié)構(gòu)由林分中的每個最小結(jié)構(gòu)單元的角尺度(主要包括絕對均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、團(tuán)狀五種分布方式)的平均值所決定，反映在空間分布上即為絕對均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、團(tuán)狀中的某一種分布。如表1所示。
[0016]表1林木最小結(jié)構(gòu)單元 的結(jié)構(gòu)分布信息匯總
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種基于最小空間結(jié)構(gòu)單元的林分空間結(jié)構(gòu)自相似可視化模擬方法，其特征在于，所述步驟如下: 步驟一根據(jù)林分整體信息計算林分樣地邊界坐標(biāo)、林木株數(shù)并根據(jù)林木株數(shù)確定林木最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)及其分布規(guī)則； 步驟二根據(jù)角尺度規(guī)則，對最小空間結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變形等，最后復(fù)制、平移到林分范圍內(nèi)； 步驟三相交樹的處理，即小于最小距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟一中林分整體信息包括林分空間結(jié)構(gòu)分布規(guī)則、林分面積和林分密度；其中根據(jù)林分整體信息確定林分面積，林分及緩沖區(qū)邊界坐標(biāo)； 假定林分/樣地形狀為正方形，通過林分面積信息S計算林分邊長，林分初始坐標(biāo)為(0,0),因此林分邊界四個點坐標(biāo)為(5,5), ( 5，Js+5 )，( Js+5，5 ),(返+5,為+5)，緩沖區(qū)邊界的四個點坐標(biāo)為(0，0)，(0, fs ), (Vs，O), ( ^，Λ)根據(jù)林分密度，確定林木株樹以及林木最小空間結(jié)構(gòu)單元個數(shù)；根據(jù)林分密度A以及林分面積S，求出林木株數(shù)N=AS ;根據(jù)林木最小結(jié)構(gòu)單元分布規(guī)則看出每株單木都對應(yīng)一個林木結(jié)構(gòu)單元，即每株單木周圍都有4株競爭木，因此林分中最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)與林木株樹的數(shù)量一致，最小結(jié)構(gòu)單元個數(shù)；根據(jù)林分整體信息確定最小結(jié)構(gòu)單元分布規(guī)則；林分空間結(jié)構(gòu)分為林木最小結(jié)構(gòu)單元和林分整體結(jié)構(gòu)，林木最小結(jié)構(gòu)單元由一株對象木和與之距離最近的四株競爭木所共同構(gòu)成，林分整體結(jié)構(gòu)是林分整體呈現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu)信息，它是由林木最小結(jié)構(gòu)單元組成；其中，林分整體空間結(jié)構(gòu)由林分中的每個最小結(jié)構(gòu)單元的角尺度，主要包括絕對均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、團(tuán)狀五種分布方式，的平均值所決定，反映在空間分布上即為絕對均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、團(tuán)狀中的某一種分布，其中標(biāo)準(zhǔn)角δ。=72°，&是競爭木之間的夾角，式 1.1可以描述林木最小結(jié)構(gòu)單元分布情況，
Vz z Jl,當(dāng)?shù)趈個β角小于標(biāo)準(zhǔn)角 (50 =72。) (11)；
nj^J lj —Ιο,當(dāng)?shù)趈個a角大于或等于標(biāo)準(zhǔn)角d0 林木最小結(jié)構(gòu)單元的變形規(guī)則及計算機(jī)模擬算法，從式1.1可以看出，林木最小結(jié)構(gòu)單元由競爭木之間的角度Ai以及對象木與競爭木之間的距離Si決定，因此，在以北方向為Y軸，與X軸夾角0-72 °間任意方向為O方向，并在該方向S1即0-3.5m處布設(shè)競爭木I，根據(jù)林木點格局特征依次在合適的角度合適的距離S2即0-3.5m布設(shè)競爭木2，以此類推競爭木3、競爭木4，根據(jù)林木最小結(jié)構(gòu)單元的自相似性發(fā)現(xiàn)對象木與競爭木之間在角尺度的構(gòu)造上具有自相似性，但是自相似不是指在結(jié)構(gòu)上的完全相同而是指構(gòu)成最小結(jié)構(gòu)單元的競爭木之間的角度A與距離S即0-3.5m都可以在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，因此角度A和距離S都在一定范圍內(nèi)具有隨機(jī)性；當(dāng)林木最小結(jié)構(gòu)單元分布規(guī)則確定后，每個最小結(jié)構(gòu)單元的角度A與距離S的范圍就確定了，因此在規(guī)定范圍內(nèi)的調(diào)整就是林木最小結(jié)構(gòu)單元的變形；對于林木最小結(jié)構(gòu)單元的變形包括兩種算法，一種是采用隨機(jī)函數(shù)法隨機(jī)生成角度A與距離S ;第二種方法是根據(jù)蒙特卡洛插值法，生成角度A與距離S，蒙特卡洛插值法的優(yōu)點是生成優(yōu)良的隨機(jī)數(shù)避免出現(xiàn)無序的隨機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述蒙特卡洛插值法分為5步完成， A、對每一項活動，輸入最小、最大和最可能估計數(shù)據(jù)，并為其選擇一種合適的先驗分布模型； B、計算機(jī)根據(jù)上述輸入，利用給定的某種規(guī)則，快速實施充分大量的隨機(jī)抽樣； C、對隨機(jī)抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)計算，求出結(jié)果； D、對求出的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，求出最小值、最大值以及數(shù)學(xué)期望值和單位標(biāo)準(zhǔn)偏差; E、根據(jù)求出的統(tǒng)計學(xué)處理數(shù)據(jù)，讓計算機(jī)自動生成概率分布曲線和累積概率曲線，通常是基于正態(tài)分布的概率累積S曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟二中，根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)的發(fā)散性及自相似性存儲數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，以“ I ”為第一對象木，2，3，4，5為I的競爭木，根據(jù)角尺度法則，認(rèn)為2，3，4，5是與I距離最近的4株數(shù)，因此，當(dāng)以2為對象木時，I為第一競爭木，6，，7,8為其他順序競爭木，同理，當(dāng)以3為對象木時，I為第一競爭木，9，10，11為其他順序競爭木；當(dāng)以4為對象木時，I為第一競爭木，12，13，14為其他順序競爭木，當(dāng)競爭木的株樹排列到N，林木株樹為N，即林木點格局個數(shù)為I (N-2) /3 I時則停止林木點格局的復(fù)制與迭代，之后林木點格局中的對象木在已有的樹木中以與之距離最近的四株樹作為競爭木，以此類推，直至樹木按照相應(yīng)的分布規(guī)則布滿林分整個面積范圍，此時，每個吸引子均符合分布規(guī)貝U，因此林分整體也服從相應(yīng)的分布規(guī)則；平移以圖3為例，設(shè)樹木I坐標(biāo)為(XI，Y1)，樹木，2(X2，Y2)，樹木3 (Χ3，Υ3)，樹木4 (Χ4，Υ4)，樹木5 (Χ5，Υ5)，因此，第一林木空間點格局坐標(biāo)如(1.2)所示，

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟三中當(dāng)根據(jù)自相似原則進(jìn)行林木點格局復(fù)制，假定與每株對象木競爭的4株競爭木互相之間不相交，兩株數(shù)中心點之間的距離小于0.2米，或相交面積>40%，即嚴(yán)格按照規(guī)律分布，但是隨著樹木株樹的增加與A對象木形成競爭關(guān)系的競爭木也能與B對象木有競爭關(guān)系，即每株單木有4次機(jī)會成為其他單木的競爭木，邊緣木除外，因此當(dāng)進(jìn)行林木點格局迭代時，會出現(xiàn)以下4種情況: (O新的競爭木與已經(jīng)存在的樹的位置之間的距離小于最小距離或相交，當(dāng)新生成的競爭木與已經(jīng)存在的樹的位置之間的距離小于最小距離或相交時以已存在的樹木序號為準(zhǔn)，然后判斷之前的樹是否有多的競爭木如果有則去掉距離最遠(yuǎn)的競爭木以及不符合點格局分布的競爭木；需以已存在的樹木序號為準(zhǔn)，然后判斷之前的樹是否有多的競爭木如果有則去掉距離最遠(yuǎn)的競爭木以及不符合點格局分布的競爭木；(2)合并相交樹后，競爭木的株數(shù)減少，合并相交樹后，競爭木的株數(shù)減少則從停止迭代的序號開始繼續(xù)往下迭代；(3)根據(jù)林分邊界，設(shè)置緩沖區(qū)，處理邊緣木，迭代過程中判斷林木位置是否超出林分邊界，如果超出則該方向停止迭代，否則繼續(xù)迭代，若林木株數(shù)N減少，則在邊界內(nèi)繼續(xù)迭代直到林木株數(shù)為N ； (4)如果劃定邊界后緩沖區(qū)內(nèi)株數(shù)減少則從最后一株樹開始迭代直至滿足株數(shù)要求。
【文檔編號】G06F17/50GK103473432SQ201310449460
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】蔣嫻, 張懷清, 劉閩, 李凡 申請人:中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所