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虚拟森林环境为我们提供了从三个维度对森林环境进行模拟与分析的工具，还能完成现实中难以实现的森林实验，辅助人们理解和研究复杂的森林规律、现象，达到模拟、预测的目的，从而在根本上改变传统研究中的方法、手段和思维方式。
论文以虚拟森林环境为背景，旨在从三个维度对森林中的空间实体与过程进行模拟与计算，是对局部环境中的空间问题分析与计算的一种探索和尝试。论文研究以实测样地中的单木和局部群体为对象，在建立树木三维模型的基础上进行扩展，描述了局部三维群体模型；并对模型与森林环境进行空间化处理、分析和参数计算；模拟复杂的辐射传输过程，获得冠层光合有效辐射分布结果以及其他重要的参数，为林业研究提供参考数据。
本文的主要研究内容如下：
(1)树木模型与建模方法
总结树木的主要构件与基本参数，提出面向对象的矢栅混合树木模型。在树木模型的基础上提出骨架拓扑模型，并详细描述了主干、枝段、枝条和树叶之间的五组拓扑关系，为树木生理生态过程的模拟与计算奠定基础。
结合L-systems和三维几何结构方法的优势，提出基于规则的三维树木建模方法。在树木形态结构分析的基础上，将分枝策略和叶片空间分布特征转化为规则，利用L-systems实现。
(2)林木群体空间结构模型的建立
在单木模型的基础上，采用基于个体的方法建立林木群体模型，描述林木群体在水平和垂直方向上的空间结构，强调树与树之间的空间关系与整体性，为森林局部环境的分析与模拟提供方便。
(3)森林环境的空间化处理
利用八叉树模型对树木的局部空间环境进行剖分。在构建八叉树过程中，以结点中包含的叶片面积作为其分解定义的精度评价指标，并且设定阈值；提出了林木冠层八叉树的剖分算法，并且在剖分过程中利用紧凑八叉树模型为每一个叶结点中的叶片集合建立最小包围盒。
针对太阳辐射自身的特点及辐射分布计算的特殊需求，在集成太阳位置参数的基础上，提出了太阳辐射空间化模型。基于“离散化”的思想将局部环境中的太阳辐射定义为光线模型和光束模型两种，并进行了光线分布规则、密度计算和能量分配的预处理。
(4)模型生物物理准参数值计算
通过树木模型进行生物物理准参数值计算的研究，提出了准参数值的概念与意义。研究分为两部分：一是基本形态结构参数计算，二是基于三维模型的生物物理参数计算。
(5)树木模型校正
通过野外实测数据对已经建立的树木模型进行约束实现校正。约束的主要内容包括树木结构约束、单叶尺寸约束、叶面积指数约束、随机性的约束四个方面，约束的数据值来源于野外实测数据。最后详细讲解了校正实现的三种方法，主要包括阈值校正、模型调整校正、随机取值校正。
(6)林木冠层光合有效辐射分布模拟
介绍了冠层辐射分布的常用研究方法，针对树木模型提出基于正向光线跟踪的辐射传输模型。详细阐述了模型假设与冠层辐射传输的过程，在叶片光学特征分析的基础上，将该模型应用于林木冠层PAR分布模拟中，同时还可以得到冠层的反射率、透射率和吸收率等重要参数。