由于经营管理水平不高，人工林的质量较低，造林合格率低，最终蓄积量低等问题越来越严重。传统的森林经营方法是通过森林资源调查，对调查数据统计分析得出一些文字、图表或简单的二维表格，再进行参考决策，这种辅助决策的准确性受到了置疑(吴浩等，2005)。此外，随着森林经营集约程度的不断提高，希望准确监测和预测森林资源的动态变化(Uusitalo et al., 2001)。森林经营管理迫切需要引入能够对林业信息进行准确、可靠、生动地描述、表现和分析的技术，对森林进行模拟是林学家和生态学家的梦想(郝小琴，2001；罗传文，2003；Deussen et al., 1998; 2002; karjalainen et al., 2002; Uusitalo et al., 2001)。

因此，基于虚拟地理环境技术、数据库、地理信息系统等国内外前沿信息技术，采用三层C/S体系结构，选择VC.NET和ArcObjects、OpenGL为开发环境，建立基于多维可视化分析、虚拟环境的平台，具备森林资源管理和经营管理功能的虚拟森林经营管理系统(virtual forest management system，VFMS)，将为林业建设提供一个功能丰富且形象化的信息处理环境和支撑工具，为林业的经营管理者和专家提供全新的林业决策平台。

1 系统的分析与设计 1.1 系统功能

见图 1。

1) 资源调查数据管理  森林资源管理的研究单元可以分为林场、林班、小班。通常以林场为经营单位，以林班、小班为具体操作单位。属性表结构的定义；小班的属性数据的增加、删除、修改、查询；林班的属性数据的增加、删除、修改、查询。基于现有的林场、林班、小班的用途和现状分布，圈定图斑范围并赋予一定的属性。对属性数据进行统计分析与统计报告，同时还可以通过GIS打印输出。

2) 图层管理和图层显示  通过数据库的连接，在地图中加载或卸载矢量图层、栅格图层，通过放大、缩小、平移、鹰眼图等功能来反映试验区域森林的分布情况及其与森林密切相关的如道路、水系等要素的分布情况。通过单一、分类、分级、点密度、统计等符号的设置，分析立地条件、林分、树种、龄级、林种、蓄积等因子的空间分布；还可以图形输出。

3) 图层编辑  提供一系列专用的图层编辑工具，包括：画点、线、面图形要素；图形要素节点的添加、坐标输入、坐标值编辑、删除、移动；图形的移动和缩放；此外可以进行图形要素的合并、分割、旋转、拓扑生成等特殊编辑功能。以此生成林业区划图、造林规划图、调查样地分布图、土地利用图等。

4) 空间查询和空间分析  实现按相交、包含、被包含、共享边线、共享公共顶点、边界相交等空间位置的查询和SQL查询；通过组合查询完成图形查属性、属性查图形、图形查图形的功能；空间数据与属性数据的有机联结实现了双向查询；提供缓冲、叠加、裁剪、合并等分析功能完成树龄分布、优势树种分布、材积分布、地类分布、林分结构分布、多样性、适地适树分析等空间分析；并实现二维图形与属性数据、三维森林环境实时漫游的切换与互动。

5) 虚拟森林决策  虚拟森林经营管理是以生态、经济需求为导向，采取不同经营方案后，预测森林生长的状况，多方比较各经营方案的可视化效果，实现与二维图形、属性数据的切换与互动，从而促进森林经营优化决策。

本系统提供抚育间伐、更新造林、景观规划3种森林经营措施。抚育间伐是根据林分发育、自然稀疏规律及森林培育目的，适时伐除部分林木、调整树种组成和密度、改善环境条件、促进保留木生长的一种营林措施。系统提供了间伐对象、间伐起始和终止时间或时间间隔、间伐强度等参数的设置，分析不同间伐方式对林分生长的影响，进行定制抚育间伐具体措施。更新造林是森林采伐后及时更新、达到森林伐植平衡的营林措施。系统提供了更新方式、造林树种、初植密度等参数的设置，以林木竞争规律和自然稀疏规律为模型基础，进行森林生长的预测模拟；景观规划旨在保护生物多样性、确定伐区配置与改善水质等需求，并考虑管理活动的优先权确定和空间时间背景与社会背景，是宏观营林措施。系统提供了伐区配置的确定、树种的更替、生物多样性的分析等功能，对景观规划提供辅助决策的作用。虚拟森林决策就是从三维可视化角度，选择最优化的营林设计方案的平台。

1.2 体系结构

本系统拟运行在林业管理部门内部局域网上，且要存储大容量的数据和完成复杂的实时业务处理，则采用三层架构的C/S模式，如图 2所示。

客户端实现人机交互，并完成一些简单的二维林业GIS业务处理，如数据库连接、数据管理、图层显示、查询与分析等。

服务器端使用了一个应用服务器，响应客户端的用户请求，执行任务并从数据服务层提取数据，然后将必要的数据传送给客户端，从而实现用户界面层与数据服务器之间的交互。该应用服务器包含了三维地形的生成、动态树模型的生成、场景的绘制等复杂运算的组件。

此外，服务器端还采用了一个专门的数据库服务器，用SQL Server关系数据库存放林业遥感数据、林相图、森林资源调查数据、地形数据、树木形态测量数据、树木纹理库、三维几何树模型库等数据；全球最大GIS厂商ESRI推出的空间数据库引擎ArcSDE是一种处于GIS应用程序和数据库管理系统之间的开放且基于标准的中间件技术(张书亮等，2001)。客户端和服务器之间的通讯是通过TCP/IP网络协议进行的，SDE管理空间数据并为访问这些数据的软件提供接口，实现数据源互操作处理；服务器在本地执行所有的空间搜索和数据提取工作，它将仅满足搜索条件的数据在服务器端缓冲存放并发回到客户端。

1.3 开发平台

1) 操作系统  服务器端和客户端都选用Microsoft Windows XP系统。2) GIS软件平台  组件技术、空间关系数据库技术是利用C/S模式在局域网上开发虚拟森林经营管理系统的关键技术。在VFMS中，选用ESRI公司的组件GIS平台软件ArcObjects实现数据的连接与通信、空间分析、空间查询、统计、图形编辑功能等；另外，同时采用ESRI公司的空间数据库引擎ARCSDE 9.0对空间数据进行访问和存贮。3)数据库软件平台  数据库软件平台选用Microsoft SQL Server 2000。4)开发环境  VC.NET是微软新一代的Visual C++，不仅提供许多专业级功能，而且不管所用的是哪种操作系统、设备，都允许应用程序通过Internet进行通信和数据共享。鉴于本系统未来的协同式森林经营管理决策功能的升级，开发环境拟采用VC.NET。由于开放性图形库OpenGL在三维真实感图形制作中所具有的跨平台可移植性、高质量的图形效果以及在交互式三维图形建模与编程方面具有的优越性，本系统采用OpenGL来实现虚拟森林可视化的功能。

2 主要实现技术

本系统需要实现的功能有资源调查数据管理、图层管理和图层显示、图层编辑、空间查询和空间分析、虚拟森林决策。其中对空间数据库访问技术、图层编辑、虚拟森林场景的构建是该系统实现的关键技术。

2.1 数据库访问

在数据库服务器端安装ArcSDE for SQL Server，就可以通过数据库引擎SDE完成数据库的访问。数据库访问是要建立客户端与数据库服务器的连接。因此，连接时要提供服务器名称、数据库名称、用户名和口令等参数。ArcObjects提供了强大的空间数据库管理组件库esriGeoDatabase。数据库访问的具体实现是主要使用了ArcObjects的IworkspaceFactory、Iworkspace和IPropertySet 3个接口。IWorkspaceFactory用于生成IWorkspace接口，通过事先指定的连接属性连接一个工作区，Iworkspace是一个存放空间数据和非空间数据的容器，而IPropertySet用于设置数据库的连接属性。整个实现过程包括设置数据库连接属性、创建数据库连接2个步骤。程序中自定义了一个SDEConnect函数完成数据库的连接，函数返回一个IWorkspace接口指针。其连接的属性server是数据库服务器的机器名称，instance是安装SDE的实例名称，user是登录的用户名称，passwd是用户密码，database是数据库名称。通过设置以上属性，并将值传到SDEConnect函数对应的参数即可实现数据库的访问。

2.2 图层编辑

ArcObjects提供了一个与要素对应的接口Ifeature，封装了获得图形的方法；IfeatureClass接口提供要素的基本属性和对要素操作的基本方法，例如设置和创建要素、获得要素和更新要素等。一个要素就是一个图形对象，其图形对象的类型有Point点、Polyline线、Polygon面。

节点的添加和删除由ArcObjects提供的集合类IGeometryCollection、ISegmentCollection、IProximityOperator来完成。添加节点关键在于确定节点序号，而ISegmentCollection和IProximityOperator接口可以解决节点序号的问题。

本系统的面合并是通过指定目标面要素和参与合并的面要素，返回两者的并集结果。面分割是通过在目标面要素上指定一条切割曲线，返回面要素被切割曲线后的左右两部分。合并、分割的实现，需要分别使用ITopologicalOperator接口的constructunion方法、cut方法。利用此ITopologicalOperator接口可根据现存的几何图形之间的拓扑关系创建一个新的几何图形。程序中分别自定义了ShapeUnion、ShapeSplit函数完成合并、分割。下面列出合并的代码：

2.3 虚拟森场景的构建

虚拟森林场景应符合林分生长规律才能得到实际的应用。因此虚拟森林场景的构建主要解决3个问题：一是森林空间数据的分析与仿真，研究林分中林木各特征因子如树高、胸径在森林空间位置上的分布状况；二是森林空间数据的时变性分析与仿真，随着时间的流逝空间数据发生的变化；三是在森林空间数据给定的情况下，结合计算机图形学技术与林业知识，表现树木及绘制森林，并实现交互。

1) 森林空间数据的现时性分析与仿真  利用现有的森林资源二类调查的林分平均信息和林相图等整体信息和少量野外采样的数据，采取基于林分结构规律的整体到个体的仿真方法反演到个体，即获得森林空间数据。

2) 森林空间数据的时变性分析与仿真  在已获得现时的森林空间数据后，通过自然稀疏规律和林木竞争来分析林分生长规律，以单木竞争生长模型为基础的生长预测和林木枯死概率为标准的淘汰机制的时变性仿真的实现方法(舒娱琴等，2005)。

3) 树木的交互式参数建模技术  从树木构筑概念出发，采用主干、枝条、叶片三类参数来描述和定义树木。同时约定了树的分层分枝、枝条分段逼近、主干和枝条视为横截面直径变化的广义园柱体、简单四边形表达一组叶片的集合等建模规则从而构建三维几何树模型(舒娱琴等，2004)。

4) 虚拟森林场景的构造与绘制虚拟森林场景的构造与绘制主要采用OpenGL提供的函数库来完成，实现过程涉及到地形、三维树模型、森林空间数据等多方面，其具体流程图如图 3所示。

首先采用实时最优化适应性网格ROAM算法建立三维地形模型。

将已知的试验区域林分整体的平均信息(树种、树龄、立地质量、树木初植密度、现有密度、平均胸径、平均树高等)及其少量试验区域的实地测量数据，通过森林空间数据的现时性和时变性分析与仿真模块后得到了一个存有该试验区域的树木的几何特征信息及其在不同时段的变化过程的数据文件。

森林空间数据得到后，判断三维几何树模型库中是否包含了试验区域所有的树木几何模型，如果包含了，可以在三维几何树模型库中调度出该区域的类似树木模型，以它为参数模板动态地生成符合森林空间数据(即胸径、树高、冠幅、冠长等几何信息)的几何树木模型；如果没有包含，则通过交互式参数建模工具以森林空间数据等为输入参数去建立新的三维几何树木模型。

虚拟森林场景中各要素的综合，即在森林空间数据的指定下，将这些三维几何树模型放置在三维地形中，其中涉及到几何树木模型与地形的匹配问题。

森林的绘制，满足交互实时显示的需要。

3 系统应用

以福建省漳浦林区为示范区，在现有南方森林生长模型的基础上建立了一个虚拟森林经营管理系统。图 4为本系统的主界面，用户可以选择以小班、林班、林场为单位的区域，创建虚拟森林场景，对话框显示了选择的范围，该林分区域上的树种是马尾松(Pinus massoniana)，林分面积0.533 hm²，现有林分密度1 575株·hm²，立地质量指数12[对影响森林生产能力的所有生境因子如地形坡度、坡向、坡位、土壤厚度及气候等综合评价的一种量化指标(孟宪宁，1995；秦建华，2002)]，树龄6年，平均树高6.3 m，平均胸径9.2 cm，初植方式是2 m×2 m的矩形排列。根据这些已知林分信息，通过分析获得该区域的森林空间数据。另外通过实地测量测得马尾松的枝条和叶子的分布密度，并针对不同径阶的树木高度、冠幅、冠长率等参数，建立相应的三维几何模型。由于森林空间数据的仿真结果已将三维几何模型和具体的所在位置联系起来了，因此在虚拟森林构建时，通过森林空间数据去调用树模型并对应地放置在地形上，如图 5所示。

虚拟森林经营决策是在更新造林、抚育间伐、景观规划等措施实施后，通过森林空间数据的仿真，进行生长预测，实现对不同生长阶段的森林场景的漫游，从而提供决策平台。图 6是在某个小班上以初植密度2 m×2 m种植马尾松树木，采取更新造林的措施之后的生长预测，图 6从左至右分别是6、10、20年的生长情况。

另外，该虚拟森林的场景漫游时显示帧率25~35 Hz·s^-1。虚拟森林场景漫游提供了天空背景、雾化等环境效果的显示，为了能够从任意位置和角度较好地观察森林全貌，用户可以通过设置“pageup”、“pagedown”键来抬高、降低视点的高度位置，“+”、“－”键来加快、减慢视点运动的速度，从而实现全方位虚拟森林可视化环境的漫游功能。

4 系统特色 4.1 超越了时间和空间的限制

森林具有2个显著的特性：一是时间跨度大，二是空间尺度大。正是这2个因素使得林业研究面临着非常大的难题。虚拟森林环境的建立能使林业管理者不受时间的限制而从视觉上感受到森林生长的变化，从费时费力的现场观察到省时省力的虚拟环境的沉浸。

4.2 直观逼真的三维森林世界

与以往仅考虑零维、一维和二维的林业信息相比，用真实的三维几何树模型表达的虚拟森林环境更易于理解和分析，它能反映复杂的森林生长现象，揭示森林数据之间的关系，能明显加强人们处理森林动态变化的这种长时间大尺度因果关系问题的能力。

4.3 森林经营管理决策平台

本系统为经营管理提供了更多模式选择，如抚育间伐、更新造林、景观规划等专题功能，让林业管理者和决策者根据森林的生长状况、采伐、造林效果做出更高效的、正确的经营措施。