[发明专利]一种基于最小空间结构单元的林分空间结构自相似可视化模拟方法

说明书

技术领域

本项发明属于林分空间结构可视化模型模拟和林分自相似算法模拟等两个技术领域，具体涉及一种基于最小空间结构单元的林分空间结构自相似可视化模拟方法。

背景技术

林分空间位置模拟的传统模拟方法通常是根据林木间的株行距以及林木的栽植方式以及林分（样地）的具体形状结构、林木株树等属性进行模拟。传统模拟方法，存在以下几个问题：1）传统算法在实际模拟时通常一种栽植方式要设计一种算法相对应，算法之间不能通用，通用性较差；2）传统算法对于人工林规则分布的井型、菱形分布的模拟表现出较好的模拟效果，但由于现实林分往往不会呈现完整规则分布因此传统算法的模拟效果与实际分布效果差异较大；3）传统算法在模拟随机分布、团状分布方面与林分真实分布之间的差异较大，目前还没有一种方法能达到60%以上的模拟精度；4）传统方法需要设置大量样地参数以及栽植方式相关的参数，因此模拟结果比较单一。

本发明是一种在林分空间结构模拟方面的模拟方法，主要包括对人工林林分、混交林林分以及天然林林分空间格局的模拟，以上3种林分的空间格局主要表现为规则分布、均匀分布、随机分布、聚集分布四类。该方法严格按照以上分布的位置特征，模拟林分中每株林木在林分中的相对位置，并表现林木在空间位置上的相关关系。

本发明通过设置对象木与竞争木的距离与角度实现林分内最小结构单元的设置，并通过林分内最小结构单元之间的自相似迭代实现对林分空间结构的模拟；该方法解决传统模拟方法中一种栽植方式对应一个算法的问题，同时对于人工林规则分布，天然林聚集分布或随机分布都有很好的模拟效果，且模拟结果可通过可视化的方式进行调整，所见即所得。

发明内容

本发明根据林分结构模拟传统方法存在的参数多、繁琐且模拟结果不准确的问题，提出了一种模拟林分结构的新方法，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，根据林分空间结构单元与林分整体结构之间的自相似性并以此结构单元经平移、旋转等处理后复制迭代到整个林分范围内，从而实现林分空间格局的模拟。

本发明以林木最小空间结构单元为研究对象，林木最小空间结构单元由一株对象木及与之距离最近的四株竞争木组成，根据林木最小结构单元与林分整体在空间结构组成上的自相似性，按照自相似迭代规则将最小结构单元旋转、变形等处理后复制平移到整个林分范围内，直至整个林分空间按照林分空间格局布满单木，从而实现林分空间格局的模拟。具体流程如图1所示。

1、根据林分整体信息计算林分样地边界坐标、林木株数并根据林木株数确定林木最小结构单元个数及其分布规则。

林分整体信息包括:林分空间结构分布规则、林分面积、林分密度等因子。

1）根据林分整体信息确定林分面积（S，单位：m²），林分及缓冲区边界坐标；

假定林分/样地形状为正方形，通过林分面积信息S（单位：m²）计算林分边长为（单位：m），林分初始坐标为（0，0），因此林分边界四个点坐标为（5，5），（单位：m），缓冲区边界的四个点坐标为（0，0），（单位：m）。

2）根据林分密度，确定林木株树以及林木最小空间结构单元个数；

根据林分密度A（单位：株/m²）以及林分面积S（单位：m²），可求出林木株数N＝AS（单位：株）。根据林木最小结构单元分布规则看出每株单木都对应一个林木结构单元，即每株单木周围都有4株竞争木，因此林分中最小结构单元个数与林木株树的数量一致，最小结构单元个数N＝AS。

3）根据林分整体信息确定最小结构单元分布规则；

林分空间结构分为林木最小结构单元和林分整体结构。林木最小结构单元由一株对象木和与之距离最近的四株竞争木所共同构成。林分整体结构是林分整体呈现的空间结构信息，它是由林木最小结构单元组成。

林分整体空间结构由林分中的每个最小结构单元的角尺度（主要包括绝对均匀、均匀、随机、不均匀、团状五种分布方式）的平均值所决定，反映在空间分布上即为绝对均匀、均匀、随机、不均匀、团状中的某一种分布。如表1所示。

表1林木最小结构单元的结构分布信息汇总

表1分别列出林木最小结构单元处于不同分布状态时，对应的角度范围及函数值。其中标准角，是竞争木之间的夹角。惠刚盈指出式1.1可以描述林木最小结构单元分布情况。