基于CAPSIS平臺(tái)開發(fā)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型1)

馬 武 沈琛琛 雷相東 Samuel Dufour Fran?ois de Coligny

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京，100091) (法國(guó)農(nóng)科院AMAP實(shí)驗(yàn)室)

由于林業(yè)的長(zhǎng)周期性，為了有效地經(jīng)營(yíng)森林，林業(yè)工作者需要用模型來預(yù)測(cè)林分生長(zhǎng)并制定經(jīng)營(yíng)決策。許多生長(zhǎng)模型已經(jīng)用來模擬不同尺度下的林分生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)［1］。然而，這些單獨(dú)開發(fā)的具體模型由于它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)解決方案有很大的差異，有時(shí)候很難被其他人使用，也很難相互交流。為了在各種情況下都可以重復(fù)地使用一些工具，一些團(tuán)隊(duì)選擇建立一個(gè)更通用的模擬器來實(shí)現(xiàn)模型。這些模擬器使用共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一些功能(如生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)、環(huán)境經(jīng)營(yíng)等)，可以用于多個(gè)樹種或森林類型。目前只有少數(shù)軟件如 LMS［2］、MUSE［3］、Symfor、CAPSIS 等提出了一個(gè)更加通用的方法，允許使用、比較和建立不同的生長(zhǎng)模型。其中，法國(guó)農(nóng)科院研究人員開發(fā)的CAPSIS最具有代表性［4-8］。本文基于CAPSIS平臺(tái)開發(fā)了落葉松云冷杉林徑階生長(zhǎng)模型，以預(yù)測(cè)和模擬自然生長(zhǎng)及采伐對(duì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)目標(biāo)的影響，為利用通用模擬器實(shí)現(xiàn)具體的生長(zhǎng)模型提供了方法和參考。

1 CAPSIS共享森林建模平臺(tái)簡(jiǎn)介

CAPSIS是一個(gè)共享的森林模擬器，開發(fā)于1994年［10］。該項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一個(gè)長(zhǎng)期、開放和共享的建模平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)：①促進(jìn)模型的發(fā)展及評(píng)價(jià);②共享工具和方法;③比較不同模型得出的結(jié)果;④將模型傳授給森林經(jīng)營(yíng)管理人員并作為教材進(jìn)行培訓(xùn)。目前最新版本為CAPSIS4，已經(jīng)包括了50個(gè)不同的模型，如單木、徑階和林分生長(zhǎng)模型，木材質(zhì)量模型，種子擴(kuò)散模型等，它提供的森林經(jīng)營(yíng)管理工具可以設(shè)計(jì)和比較不同的森林經(jīng)營(yíng)方案。

CAPSIS圍繞內(nèi)核建立并提供公共服務(wù)和通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(圖1)。它有一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)核和一些應(yīng)用技術(shù)庫(kù)，可以接受具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模擬步長(zhǎng)和模擬算法的生長(zhǎng)模型。通常，生長(zhǎng)模型作為一個(gè)模塊集成到CAPSIS中，這些模塊包含的算法可以應(yīng)用到隨時(shí)間變化的模型預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)中。CAPSIS也提供了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)庫(kù)和每個(gè)建模者都能使用的處理工具。這種結(jié)構(gòu)最容易受面向?qū)ο缶幊谈拍畹挠绊懀绕涫穷惱^承。因此，通用模式可以被模塊中描述子類的內(nèi)核超類來描述，而且后者(子類)可以繼承前者(父類)的屬性(變量和函數(shù))并進(jìn)行修改和添加。CAPSIS中包含了許多這樣的父類，建立模型時(shí)可以大量繼承父類中的已有屬性(變量和函數(shù))。

圖1 CAPSIS原型結(jié)構(gòu)

為了最大限度地節(jié)省人力和提高效率，CAPSIS采用了共同開發(fā)(Co-development)的策略。由于采用JAVA語(yǔ)言，很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)整和改進(jìn)。通過約定加入CAPSIS組織后，首先對(duì)建模人員進(jìn)行培訓(xùn)，然后由開發(fā)人員和建模人員共同進(jìn)行設(shè)計(jì)。建模人員通過遠(yuǎn)程共享所有代碼，并和開發(fā)人員交流得到軟件開發(fā)需要的幫助。

2 利用CAPSIS平臺(tái)開發(fā)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型

2.1 落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型

矩陣生長(zhǎng)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)容易獲得、易校檢和檢驗(yàn)、易與優(yōu)化模型相結(jié)合，已得到廣泛應(yīng)用，并用以模擬不同經(jīng)營(yíng)方案的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效果。矩陣生長(zhǎng)模型的關(guān)鍵是生長(zhǎng)、進(jìn)界和枯損3個(gè)子模型及保留轉(zhuǎn)移概率的確定。落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型(LSFMGM)以我國(guó)東北過伐林區(qū)吉林省汪清林業(yè)局近天然落葉松云冷杉為對(duì)象，利用20塊樣地4次的調(diào)查數(shù)據(jù)(每次調(diào)查間隔5 a)，建立的落葉松、紅松云冷杉(紅松、云杉、冷杉)、慢闊(色木、水曲柳、椴樹和楓樺)和中闊(白樺、榆樹和雜木)的非線性矩陣生長(zhǎng)模型，可以模擬自然生長(zhǎng)和采伐對(duì)木材產(chǎn)量、樹種和大小多樣性、樹木地上碳貯量等多個(gè)目標(biāo)的影響。本文僅側(cè)重于用CAPSIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型的運(yùn)行及結(jié)果輸出。

2.2 模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)

CAPSIS模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以確保不同種類模型的整合。建模者可以自由地選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)公式或處理流程、模擬步長(zhǎng)、詳細(xì)程度和尺度。建模者還可以整合模型，這種模型既可為林分計(jì)算全局變量，也可以描述單木，并可以考慮局部競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

2.2.1 模型實(shí)現(xiàn)的基本原理

CAPSIS模型是對(duì)一系列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，它的處理過程相互關(guān)聯(lián)，主要依賴于內(nèi)核描述。模型中兩個(gè)主要元素為林分類和模塊類。后者涵蓋功能模擬和預(yù)測(cè)，可以模擬林分的連續(xù)狀態(tài)，并且可以在新一輪的擬合過程將其添加到項(xiàng)目中。生長(zhǎng)模型作為獨(dú)立的模塊集成，這些模塊包含它們自身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是從內(nèi)核中選擇得出的一些模塊的延伸。它們還包含了林分預(yù)測(cè)模型中的算法，在模塊中可以自行設(shè)計(jì)經(jīng)營(yíng)管理方案或在外部平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的擴(kuò)展，如：間伐、修枝等。每個(gè)模擬過程擁有初始步驟，該步驟與初始林分相對(duì)應(yīng)。該模擬主要用于處理連續(xù)生長(zhǎng)的林分，通過模塊來預(yù)測(cè)各個(gè)生長(zhǎng)階段及其擴(kuò)展中的各項(xiàng)處理措施。

將落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型結(jié)合到CAPSIS平臺(tái)上，主要是通過計(jì)算機(jī)語(yǔ)言java來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型的參數(shù)特點(diǎn)及各種算法，利用java語(yǔ)言將這些參數(shù)和算法均轉(zhuǎn)移到CAPSIS平臺(tái)上，結(jié)合CAPSIS本身具有的各種適用于單木或林分的模塊屬性，最后可以精確地將落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型建立在CAPSIS平臺(tái)上，并實(shí)現(xiàn)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型的各項(xiàng)原有功能和新增的功能。

2.2.2 模型實(shí)現(xiàn)的基本流程

在對(duì)模型分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，在每個(gè)模塊中充分利用CAPSIS提供的類進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。模型實(shí)現(xiàn)的基本流程如圖2所示。

圖2 利用CAPSIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)落葉松云冷杉林徑階生長(zhǎng)模型的流程

2.2.3 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言java將落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型結(jié)合到CAPSIS平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了初始化、預(yù)測(cè)和輸出3個(gè)模塊。

①初始化模塊。運(yùn)行CAPSIS并初始化LSFMGM工程，首先得到的是初始化模塊，初始化模塊主要是提供需要輸入的初始變量，包括：起測(cè)徑階(Minimum diameter)、徑階寬度(Diameter class width)、采伐周期(Calibration time step)、坡度(Slope angle)、海拔(Elevation)、坡向(Aspect)，以及初始直徑分布數(shù)據(jù)(Diameter distribution file)和選擇是否分樹種(By species)進(jìn)行模擬(圖3)。另外，也可以增加和減少樹種名，修改對(duì)應(yīng)的枯損率模型(Mortality model)、進(jìn)階率模型(Upgrowth model)、進(jìn)界率模型(Ingrowth model)，以及生物量(Biomass model)和材積方程(Volume model)(圖4)。Capsis module classes的stand class為結(jié)合的模型提供了初始化模塊，初始化模塊可以根據(jù)模型的需要添加變量。完成以上操作后，點(diǎn)擊確定進(jìn)入預(yù)測(cè)模塊。

②預(yù)測(cè)模塊：Capsis module classes中的model class在預(yù)測(cè)模塊中為與capsis結(jié)合后的模型提供了預(yù)測(cè)功能，模塊類包含了功能模擬(function simulation)和預(yù)測(cè)(evolution with a loop)，可以計(jì)算林分的連續(xù)狀態(tài)，也可以計(jì)算林分模型中的轉(zhuǎn)移概率。因此，在預(yù)測(cè)模塊中可以添加特定的采伐方案和進(jìn)行轉(zhuǎn)移概率計(jì)算。根據(jù)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型中的采伐方案，在預(yù)測(cè)模塊中需要添加的變量包括：模擬期(Evolution duration)、采伐周期(Cutting frequency)、采伐強(qiáng)度(Total percentage)、最小采伐徑階(Minimun cut diameter class)，以及可選參數(shù)是否分樹種(selectSpeciesMethod)、采伐類型(Cutting type)、采伐方法(Cut Tree selection method)(圖5～圖7)。按要求完成以上操作后，點(diǎn)擊確定進(jìn)入輸出模塊，在該過程中根據(jù)初始化模塊中輸入的枯損率模型(Mortality model)、進(jìn)階率模型(Upgrowth model)、進(jìn)界率模型(Ingrowth model)、生物量(Biomass model)和材積方程(Volume model)，同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)移概率計(jì)算。

圖3 初始化模塊窗口

圖4 各樹種的轉(zhuǎn)移概率模型及生物量和材積式窗口

圖5 預(yù)測(cè)模塊窗口1

③輸出模塊：CAPSIS提供的林分瀏覽器和數(shù)據(jù)提取器(Stand viewers and data extractors)可以以曲線圖、柱狀圖和表格等形式輸出模擬結(jié)果，并允許瀏覽模擬結(jié)果。根據(jù)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型的輸出要求，結(jié)合輸出模塊可以輸出落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型中的各項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間、樹種、徑階變化的曲線或柱狀圖(圖8)。

圖6 預(yù)測(cè)模塊窗口2

圖7 預(yù)測(cè)模塊窗口3

圖8 模型輸出模塊

3個(gè)模塊設(shè)計(jì)好之后，在每個(gè)模塊中充分利用CAPSIS提供的類進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。首先在計(jì)算機(jī)D盤上安裝capsis，然后建立一個(gè)工程lsfmgm，在D：capsis4inlsfmgm新建model包，在model包中建立8個(gè)類，分別為：LSFMInitialParameters、LSFMEvolutionParameters、LSFMFormula、LSFMMethodProvider、LSFMModel、LSFMSpecies、LSFMStand、LSFMStandLSFMSpeciesTransitionProba，這些類的功能屬性如表1所示。

通過以上3個(gè)模塊的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，可以方便地模擬不同經(jīng)營(yíng)方案的經(jīng)營(yíng)效果，如模擬40 a內(nèi)4種不同采伐方案下的生物量的變化(圖9)。方案a：不采伐;方案b：不分樹種，按株數(shù)從大到小采伐，采伐周期5 a，采伐強(qiáng)度30%，最小采伐徑階20 cm;方案c：不分樹種，按蓄積成比例采伐，采伐周期10a，采伐強(qiáng)度20%，最小采伐徑階15 cm;方案d：分樹種，按斷面積隨機(jī)采伐，采伐周期10 a，采伐強(qiáng)度20%，最小采伐徑階15 cm。

表1 利用CAPSIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)落葉松云冷杉林徑階生長(zhǎng)模型建立的類

圖9 4種不同方案40 a林分生物量的變化

2.3 與可視化的連接

CAPSIS可以通過與其他模擬器(如SVS-Stand Visualization System)的連接，輸出林分的三維可視化較低，可使研究人員能以更直觀的方式發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的科學(xué)規(guī)律。圖10為利用Capsis模擬林分生長(zhǎng)的可視化結(jié)果。通過對(duì)林分生長(zhǎng)的模擬結(jié)果可視化，可很大程度地方便研究人員檢驗(yàn)、觀察模擬結(jié)果。

圖10 基于CAPSIS的林分可視化

3 結(jié)論與討論

基于CAPSIS共享森林建模平臺(tái)開發(fā)了一個(gè)落葉松云冷杉林矩陣生長(zhǎng)模型，為利用通用模擬器實(shí)現(xiàn)具體的生長(zhǎng)模型提供了方法和實(shí)例。一方面提高了開發(fā)效率，另外可以擴(kuò)大模型的影響和應(yīng)用，為模型的比較檢驗(yàn)提供了好的媒介。建議將來的生長(zhǎng)模型選擇類似CAPSIS通用的模擬器來實(shí)現(xiàn)，以避免重復(fù)開發(fā)和擴(kuò)大模型的應(yīng)用。

經(jīng)過多年的實(shí)踐，CAPSIS項(xiàng)目的成功證實(shí)了這個(gè)共享森林建模平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。首先，該共享森林建模平臺(tái)為形成一個(gè)林業(yè)建模團(tuán)體提供了很好的機(jī)會(huì)。CAPSIS項(xiàng)目匯集了法國(guó)與森林建模有關(guān)的主要研究機(jī)構(gòu)，并建立了70多個(gè)合作伙伴關(guān)系，可以促進(jìn)建模者和林業(yè)工作人員的規(guī)范并進(jìn)行調(diào)整。目前該項(xiàng)目也對(duì)其他國(guó)家的同行進(jìn)行開放。其次，這樣一個(gè)共享森林建模平臺(tái)能夠共享工具和模型。在CAPSIS項(xiàng)目?jī)?nèi)，定期組織培訓(xùn)班用來促進(jìn)科學(xué)家之間相互交流，優(yōu)化CAPSIS的內(nèi)核和解決CAPSIS中常見的技術(shù)問題，其中建模者主要負(fù)責(zé)模型的結(jié)合。由于CAPSIS是一個(gè)免費(fèi)的軟件(通用公共許可證)，它很容易再次使用CAPSIS單元內(nèi)的模塊或內(nèi)核中的子模型。例如，不少模型通過簡(jiǎn)單修改相同類型的已存在模型的演化規(guī)律，可以很容易地在新模塊中集成。庫(kù)也為再次使用建模工具提供了很好的機(jī)會(huì)。例如，本文建立的LSFMGM模型可為將來類似的徑階生長(zhǎng)模型的建立提供了工具。第三，共同森林建模平臺(tái)是一個(gè)非常實(shí)用的工具，可以用來比較不同的模型和造林方案，不同的模型可以整合到一個(gè)單一平臺(tái)上，并且數(shù)據(jù)(如初始狀態(tài))是兼容的。因此，在相同的初始狀態(tài)下很容易比較兩個(gè)模型的模擬結(jié)果，或在相同的模型中比較多種不同的方案。這些對(duì)評(píng)價(jià)模型有很大的作用。最后，這些優(yōu)勢(shì)確實(shí)改變了建模者的設(shè)計(jì)習(xí)慣，并建議擴(kuò)大這種共享森林建模平臺(tái)的作用。

［1］Pretzsch H，Biber P，ˇDurskyJ，et al.Recommendations for standardized documentation and further development of forest growth simulators［J］.Forstwissenschaftliches Centralblatt，2002，121(3)：138-151.

［2］McCarter J B，Wilson J S，Baker P J，et al.Landscape management through integration of existing tools and emerging technologies［J］.Journal of Forestry，1998，96(6)：17-23.

［3］Gignoux J，Menaut JC，Noble I R，et al.A spatial model of savanna function and dynamics：model description and preliminary results［C/OL］.Newbery D M，Prins H H T，Brown N D.Dynamics of tropical communities：the 37th symposium of the British Ecological Society，Cambridge University，1996，1998.361-383.［2010-12-10］.http：//www.cabdirect.org/abstracts/19980612809.html?freeview=true#).

［4］de Coligny F，Ancelin P，Cornu G，et al.CAPSIS：Computer-aided projection for strategies in silviculture：advantages of a shared forest-modelling platform：Reality，models and parameter estimation-the forestry scenario 2-5 June 2002［C］.Sesimbra，Portugal：［s.n.］，2002：1-4.

［5］de Coligny F，Ancelin P，Cornu G，et al.CAPSIS：Computer-aided projection for strategies in silviculture：Open architecture for a shared forest-modelling platform：Fourth Workshop IUFRO S5.01.04，British Columbia，Canada-Septeber 8-15，2002［C］.Columbia，Canada：Harrison Hot Springs，2002：371-380.

［6］de Coligny F.Efficient building of forestry modelling software with the capsis methodology［C］//Fourcaud T，Zhang X P.Proceedings of the second international symposium on plant growth modelling，simulation，visualization and applications，PMA06，13-17/11/2006，Beijing.Los Alamitos：IEEE Computer Society，2007：216-222.

［7］Courbaud B，Goreaud F，Dreyfus Ph，et al.Evaluating thinning strategies using a tree distance dependent growth model：some examples based on the CAPSIS software“uneven-aged spruce forests”module［J］.Forest Ecology and Management，2001，145(1/2)：15-28.

［8］Cucchi V，Meredieu C，Stokes A，et al.Modelling the windthrow risk for simulated forest stands of Maritime pine(Pinuspinaster Ait.)［J］.Forest Ecology and Management，2005，213(1/3)：184-196.