基于生理生态模型杉木形态结构变化可视化模拟的研究

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1、学位论文基于生理生态模型的杉木形态结构变化可视化模拟研究学位论文作者卢康宁指导教师姓名鞠洪波研究员指导小组成员张怀清研究员陈永富研究员刘闽高级工程师申请学位级别博士专业名称森林经理学研究方向计算机应用论文答辩日期2012年6月中国·北京万方数据DissertationfortheDegreeTheResearchofVisualSimulationofMorphologicalStructureChangeofCunninghamiaLanceolataBasedonPhysiologicalandEcologicalModelCandidate:Ka

2、ngningLuSupervisor:HongboJuAssociateSupervisor:HuaiqingZhangYongfuChenMinLiuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorSpeciality:ForestManagementDateofDefence:2012/6Degree-Conferring-Institution:ChineseAcademyofForestry万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论

3、文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，中国林业科学研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国林业科学研究院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论

4、文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：年月日年月日学位论文作者毕业联系方式工作单位：联系电话：电子邮件：通讯地址、邮编：万方数据摘要随着计算机技术和信息技术的不断进步，树木的三维可视化模拟正受到越来越多的学者关注，近年来更是取得了长足的发展。树木三维可视化模拟技术已经成为当前研究树木的有效手段，在展示树木形态结构以及树木生长变化过程等方面有其独特的优势，为深入研究树木形态结构变化机制以及生长过程开辟了新的技术途径，其最终目的是构建外在形态结构和内在功能都与真实树木相一致的模型，并应用计算机手段以可视化的方式呈现最终的模拟结果。树木的生命活

5、动在某种程度上表现为树木形态结构、生理生态过程和环境之间的交互作用结果。实现对树木三维形态结构和生理功能的并行模拟成为当前树木模拟的主要发展方向。杉木作为我国特有的用材树种，在国民经济建设中发挥着重要的作用。本研究以杉木为研究对象，综合考虑环境因素对杉木生长的影响，选取对杉木生长影响较大的环境因子做为驱动变量，利用光合作用产物的生产以及在杉木根、主干、茎以及叶子上的分配来建立杉木的生理生态模型，实现对杉木生长的定量化模拟；通过建立杉木的形态结构模型以及与生理生态模型的关系，实现了通过控制环境变量来影响杉木生物量的生产与分配，并通过生物量来控制杉木形态结

6、构变化的过程。通过宏观层面的环境—生物量—结构之间的关系，简化了研究的难度，也为研究环境因素对树木生长的影响提供了新的技术方法。本研究的主要内容和结论如下：（1）从杉木光合作用、呼吸作用以及光合产物生产与分配、水分平衡、环境响应等方面建立了杉木的生理生态模型，实现了不同环境条件下杉木不同组分生物量的变化情况，为定量化模拟杉木的生长情况提供了依据。（2）以植物构筑型理论为依据，分析了杉木的形态结构特征，得出杉木的总体分枝率和逐级分枝率随着年龄的变化逐渐增大；杉木一、二级枝分枝角度符合正态分布，分别集中于50~80和50~100之间；杉木一级枝方位

7、角符合均匀分布，二级枝方位角多分布在水平方向上。（3）以杉木的形态结构特征为基础，应用IFS方法建立了杉木的形态结构模型。根据树冠的生长空间，应用幂函数以树高、枝下高、冠幅和冠高为自变量建立了冠形曲线I万方数据函数，并通过生长曲线函数控制变量的取值范围。应用不同年份的杉木冠形形状结合IFS方法实现了对杉木的动态生长模拟并建立了相应的控制模块。所采用的方法能够建立常见的树种冠形，对于模拟其他树种的形态提供了参考。（4）在得出杉木不同组分生物量和形态结构模型的基础上，建立生物量和结构之间的关系。通过树干的异速生长方程建立树干体积与树干生物量的关系得出了树干

8、形状的参数，为模拟树干提供了依据；通过调查数据分析了杉木生长中分枝的变化情况，主要有分枝轮数、