[01077066]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

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(photosyntheticallyactiveradiation，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。该方法可为植物整型修剪、株型设计提供辅助定量分析工具。