面向未来的中国智慧林业:观测仪器体系的演进与发展趋势

森林观测信息的生产是支持智慧林业工作开展的基础和先导。本文以森林观测仪器技术体系的构建历史、现状和未来为切入点,以基础性公共技术的发展脉络为支撑,深入分析森林观测仪器与森林观测需求的耦合程度。传统森林观测仪器体系在时效性和准确性上已经无法满足日益发展的林业调查的需要,观测仪器存在孤立性高、难以集成、操作繁琐、效率低等问题。这主要是由于当前针对森林观测研究偏重对成熟仪器使用和数据分析,观测仪器的研发偏重算法补偿和集成第三方元件,轻物理结构设计等因素造成。面对基本测量原理鲜有更新、森林观测标准制定滞后于新型技术发展等问题,本文从对观测仪器现在和未来的联合模式进行阐述,从逻辑架构到物理技术层面上分析森林观测仪器联合模式可能在未来出现的发展状况与应用前景。最后,基于当前基础性技术发展的趋势,对可能出现的几种新形态的森林观测仪器进行推测,并以此展望在近未来可能在中国实现的一种智能森林观测体系的雏形。

基于虚拟现实的森林灭火指挥训练系统研究

森林消防队伍日常训练和考评主要以森林灭火应急预案进行实装演练,针对训练中成本高、环境受限、内容不足等问题,迫切需要采用虚拟现实、人工智能等先进技术实现森林灭火指挥训练与考评系统。本文自主研发了一套基于定制化的Unity3D渲染引擎的虚拟仿真训练教学考评系统。对比国外主流虚拟仿真软件,本系统中场景细节更逼真,能进行实景虚拟仿真训练,更加贴近灭火实战;同时系统具有自主可控性、可扩展性,为用户提供简单编辑方式,支持火环境设计制作等森林消防专业应用逻辑。本文研究结果对于探索建立规范化、信息化森林灭火指挥员训练考评体系具有重要的现实意义。

虚拟现实技术在森林防火培训系统的应用探索

研究介绍了将虚拟现实技术应用于森林防火培训的优势,分析了影响森林火灾的因素,详细介绍了虚拟现实技术在森林防火培训系统设计、实现和应用等方面的作用。旨在利用虚拟现实技术构建人机交互体系,实现沉浸式体验、漫游虚拟仿真展示、数据挖掘等系统功能,培养学生防灭火理论知识和实践技能,提升培训效果和应对能力,从而有助于提高学员的应对能力。

The Regional Climate Effects of Replacing Farmland and Re-greening the Desertification Lands with Forest or Grass in West China

The West Development Policy being implemented in China causes significant land use and land cover (LULC) changes in West China, of which the two most important types of LULC change are replacing farmland and re-greening the desertification land with forest or grass. This paper modifies the prevailing regional climate model (RCM) by updating its lower boundary conditions with the up-to-date satellite database of the Global Land Cover Characteristics Database (GLCCD) created by the United States Geological Survey and the University of Nebraska-Lincoln. The modified RCM is used to simulate the possible regional climate changes due to the LULC variations. The preliminary results can be summarized as that the two main types of LULC variation, replacing farmland and greening the desertification lands with forest or grass in west China, will affect the regional climate mostly in northwest and north China, where the surface temperature will decrease and the precipitation will increase. The regional climate adjustments in South, Southwest China and on the Tibet Plateau are uncertain.

模块化决策森林的区块链交易欺诈检测模型

区块链技术广泛应用于数字资产和电子交易等行业,因此出现很多欺诈行为。为了有效控制比特币交易欺诈损失,现有欺诈检测方式主要有学习模型预测和规则匹配等,但该方式存在预测精确率不够高和欺诈者容易绕过规则的问题。针对上述问题,采用改进的去噪稀疏自编码器,以降低虚拟货币交易数据特征维度,继而结合“分而治之”的方法,提出模块化决策森林模型。模块化决策森林是基于峰值密度快速模糊聚类将数据分解为多组小数据,每组数据都将由一个决策树学习。根据隶属度确定模糊边界,边界模糊样本将添加一组决策树进行学习。对于分类难度仍较大的样本采用多次划分的策略,由父决策树与多个子决策树共同学习。在实验验证部分,分别采用数字图像数据集Optdigits、虚拟货币交易数据集Elliptic和Ethereum,验证模块化决策森林模型的性能,并与图神经网络、逻辑回归、随机森林等模型进行对比。实验结果表明,该模块化决策森林模型在精确率、召回率、F1-score均有大幅度提升。

基于随机森林算法的虚拟仿真实验室仪器故障预警方法

针对仪器故障频率的预估能力较低,影响预警时效的问题,基于随机森林算法,设计虚拟仿真实验室仪器故障预警方法。以集成神经网络对应仪器故障特征,对较弱置信度的信号作加强处理;应用随机森林算法,构建仪器故障预警模型,以信息熵和信息增益定位不同类型故障信号,以递归形式组建分类树,确定故障特征与设备之间关系,发出故障预警提示,完成虚拟仿真实验室仪器故障预警。测试结果表明,在余弦信号分别为246.12、425.87和648.03 Hz时,对故障信号的产生频率进行预估,估计误差可以控制在0.0025 Hz以下;当对故障信号加入噪声后,频率最大预估误差只有0.0801 Hz,能够对故障信号进行准确判断,及时做出故障预警。

基于机器学习的信号扰动自动识别系统

为及时检测交流信号的扰动和故障,避免扰动给负载电路带来损害,在虚拟仪器平台上,基于机器学习方法实现了信号扰动自动识别系统。系统以随机森林算法构建分类器,对原始信号进行频谱分析实现了信号扰动自动识别。功能验证表明,系统对常见的信号中断、幅值升高、幅值降低扰动可以达到98%以上的识别率,可以用于实际电路保护和辅助调试。

林内空间结构特征对视觉感知与偏好的影响--基于树木排列方式、分枝特性和枝下高特征分析

针对植物景观林内视觉偏好中关于空间结构特征的争议点与空白点,以林内空间水平结构中的树木排列方式、垂直结构中的枝下高,顶面结构中的分枝特性3个特征因子进行L9(33)正交试验,通过仿真建模和虚拟现实技术进行控制变量研究。结果表明:1)排列方式中均匀分布的评分低于随机与团状分布,分枝特性中合轴分枝的评分低于单轴分枝与混合分枝,枝下高等级变化对视觉偏好没有影响,2)评分最优的林内空间为水平结构上团状分布,分枝特性为单轴分枝,枝下高为中等,评分最劣的林内空间为水平结构上均匀分布,分枝特性为合轴分枝,枝下高为较高,3)3个结构特征对林内空间视觉偏好的影响大小为分枝特性>排列方式>枝下高,4)排列方式是影响眼动水平距离最大的因素,分枝特性是对垂直距离、眼跳与注视次数影响最大的因素。因此,在营建景观林内空间时,应注重树种分枝特性的选择,优先考虑单轴分枝的植物,并尽量避免均匀分布。

基于虚拟仿真的森林火灾风险评估实验教学模式研究

随着虚拟仿真技术的发展与应用,森林防火技术正向数字化、网络化、智能化的方向发展与更新。为更好地适应智慧消防趋势与“产学研”高校教学发展新模式,本文以森林火灾虚拟仿真综合试验平台研究为教学支撑,以森林火灾发生条件、影响因素、控制技术、火灾预防等为教学出发点,通过小组演示、操作、讲解、研判等课程设计直观研究森林火灾发生发展趋势,探索森林火灾风险评估虚拟仿真实验教学新模式。在教学实施过程中,该模式能够实现学生对森林火灾动态、直观、全局的体验和把控,并且推动了教师与学生对相关研究的合作与发展。通过建立实验教学过程考核,将学生学习各阶段的成效量化,综合考虑与分析学生的学习过程后,能够精准把控学生学习进展和问题,并进行针对性的辅导与强化教学。本研究最终在促进学校林火虚拟仿真与风险评估实验平台建设与发展的同时,能够显著提升教师科研与教学水平以及学生的学习积极性与综合业务能力。

虚拟森林景观中林火蔓延模型及三维可视化表达

传统上的林火模拟通常只选用一种林火模型,用一个简单的椭圆预测林火蔓延时火场各个位置的情况,与现实中火灾蔓延状况相差甚远,而且以往的林火蔓延是基于二维可视化表达,表达信息有限.本系统采用现今运用最广泛的Rothermel模型,利用Huygen原理,并以改进的粒子系统方法三维模拟在不同的风速、坡度下林火在火场不同位置的扩散行为.采用该方法模拟林火扩散行为,不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大小,且能给人以真实感.并将该方法成功地应用于福建漳浦林区.

虚拟森林场景的构建

解决了构建符合林分结构规律的虚拟森林场景的两个关键问题 :①森林空间数据的分析与仿真 ,主要研究林分中树木各特征因子如树高、胸径在林分空间位置上的分布状况 ;②在森林空间数据给定的情况下 ,采用交互式参数建模方法构建三维几何树模型 。

基于HLA的森林灭火仿真系统的研究

针对虚拟森林灭火仿真需要支持多种不同要素可同时参与灭火仿真的功能需求,提出了一种基于HLA的可扩展的分布式森林灭火仿真体系结构,基于这种结构,仿真用户可以通过目标系统重组的方式构建具体的联邦应用系统,并就系统设计、开发过程中的关键技术,如FOM/SOM设计、联邦成员框架结构设计,仿真运行机制,时间策略设置等分别作了深入研究,在此基础上完成了森林灭火仿真原型系统的设计与开发。

贝塞尔曲线在虚拟森林景观单树几何模型构建中的应用

虚拟景观模型的生成，需要对实际景观进行抽象和简化。树几何模型和数字高程模型(DEM)是构成虚拟森林景观的两大要素。而树几何模型的构建又是林业 GIS 三维可视化的基础。在树几何建模中，树干及树枝形状的可视化表达具有突出意义。由于实际树种的复杂性，在计算机中建树模型，通常采用基于过程建模的方式，而这将面临用户如何对模型进行交互式控制的问题：参数太少，不足以描述树形态特征，而参数太多，则模型难以生成和理解。为了解决这个问题，我们引进贝塞尔(Bezier)曲线这种基于控制点的自由曲线来描述树木中的树干以及树枝形状，利用对曲线控制点的变动来控制曲线的形状，进而生成形态各异的树形状，对此，我们基于 ActiveX 技术生成 Bezier 曲线控件。结果表明，该方法能够表示多种形状的树干与树枝，具有操作简捷、计算速度快，可视化效果良好的优点。

基于OpenGL的三维虚拟林相建立

以OpenGL为工具,在VisualC++程序设计语言为平台上建立一个三维虚拟林相模型。通过坐标系设定、DEM加载、地形纹理设置、树木模型建立、天空建立等过程,说明虚拟林相建立的理论、方法和过程。最终实现了三维虚拟林相的显示、放大缩小和漫游功能。实践证明,所述的原理和方法能所实现的显示效果与ERDAS虚拟现实模块的效果基本相同,可以为林业规划显示系统的开发提供模块和技术支持。

虚拟森林环境构建研究

在分析不同尺度的森林可视化建模内容和技术特点的基础上,从单棵树的建模、林分结构规律,森林场景的绘制技术等几个方面展开论述。在此基础上建立了一个虚拟森林环境系统原型,系统采用几何与图像混合绘制的方法实现森林环境建模,场景采用八叉树空间分割方法,实现了虚拟森林三维场景模拟、小班信息查询等功能,为森林资源和经营可视化提供了虚拟环境。

三维虚拟林相的制作技术研究

The concept Virtual Forest(VF) is brought up in this paper, whose four basic properties is: the accuracy about the simulated forest, the visual expression of all forest information, to large area, containing the whole information of forest may. The VF of Shangganling Forestry Bureau is very well completed with the surport of Shangganling Forestry Bureau and Forestry Inventory and Planning Institute in Heilongjiang Province, which is the combination of advanced imagine process and GIS, on which the forest characteristics of Shangganling Forestry Bureau is analyzed.

林木虚拟生长建模方法及建模工具研究综述和展望

林木的形态结构受到树种或林木个体的遗传因素(激素信号、养分竞争等)和立地条件、经营措施以及林木的竞争状态(光照分布、温湿度、农艺措施等)的影响,因此,掌握各种因子影响林木生长过程的机制对于林业生产和精准林业研究与实践非常重要,但如果实时地对实际林木进行生长过程影响因子研究,则存在很大的时空局限性和很高的测试成本,因而采用虚拟技术开展林木生长过程研究引起国内外的高度关注。系统地综述了国内外开展林木虚拟生长研究的7种建模方法和10种建模工具,然后提出基于林木虚拟动态生长模拟的"林木云"研究展望和基于计算机视觉系统的林木三维建模方法及相关建模工具的研究建议,并分析了林木4D虚拟动态生长模型等,从而促进林木虚拟动态生长技术研究。

森林景观的计算机建模与可视化研究进展

从单棵树的建模、森林场景的绘制技术、森林生长模型分类与特点以及典型的虚拟森林景观系统等几个方面,对森林景观生态的计算机建模和图形可视化研究现状与发展趋势进行综述,就该领域的发展趋势和未来需要解决的关键问题进行总结。

帽儿山虚拟林相的构建

应用帽儿山林场 1 999年的遥感调查结果建立了DEM(DigitalElevationModel)、优势树种的分布图以及虚拟林相。其目的在于建立一种信息载体 ,将森林资源信息更形象、直观、动态地反映给使用者 ,使其既有亲临其境的感觉又能方便、快捷地查询各种信息。帽儿山虚拟林相建立的结果表明 。

国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是高校本科实践教学的发展方向。本文从森林生物学虚拟仿真实验教学中心建设的必要性出发,就建设模式、建设目标、实验模块及实验项目建设、实验教学平台建设、教学管理平台建设、运行机制、青年教师培养、实施成效以及今后的建设重点等方面,详细介绍了西北农林科技大学国家级森林生物学虚拟仿真实验教学中心的建设经验,以期能为相关虚拟仿真实验教学中心建设提供参考。