林业科学

作者：张沛东1,马天天1,闫飞1,*,张晓媛2,王智灏3,刘牧4

单位：1. 北京林业大学林学院　北京 1000832. 北京化工大学材料科学与工程学院　北京 1000293. 加利福尼亚大学戴维斯分校国土、空气和水资源系　戴维斯 95616-86274. 江西农业大学园林与艺术学院　南昌 330045

关键词：计算虚拟测量,虚拟样地,光照条件,冠层遮荫,三维建模

基金：国家重点研发计划项目（2023YFF1304305）。

目的: 利用计算虚拟测量（CVM）方法，通过虚拟森林样地仿真测量虚拟树木个体，以获取现实中难以测量的生物参数。结合虚拟样地（VSP）构建、树木建模与光照模拟技术，定量分析相邻树木冠层遮荫对目标树木的光照影响，探讨叶片在光照模拟中的作用，以优化虚拟样地技术并提高光照分析精度。方法: 构建集成化的多尺度建模技术体系，综合运用Context Capture Center点云重建技术、定量结构模型与体素建模方法，实现从单木器官到群落冠层的跨尺度三维重建。引入基于物理原理的动态光传输模型，并将其与数字地面模型和太阳轨迹模拟算法耦合，构建逼真的虚拟光环境。设计“全日照”与“邻域遮荫”双对比场景，系统分析在邻近树木冠层动态遮荫作用下目标树木光能截获的时空变化规律，有效分离遮荫导致的纯能量损失。结果: 邻木遮荫导致目标树木的太阳辐射损失达35.80%~45.72%，表明本研究提出方法具有较高的可靠性。模型结构对模拟结果影响显著，包含叶片的模型表现出更强的光衰减效应，样木T26的能量损失率依次为CCC模型（45.72%）> Voxel模型（39.26%）> QSM模型（35.80%），证实几何完整性是评估遮荫效应的关键。冠层结构特征同样主导能量损失差异，冠层稀疏的成年欧洲白桦T27（35.80%）损失显著低于冠层密集的幼龄云杉T26 （45.72%），说明幼树更易受遮荫压制。经数据校正后，明确各模型在不同光照梯度下的响应特征，反映出光环境异质性对模拟结果的影响。结论: 本研究集成VSP-CVM方法，可实现以往方法难以实现的对森林邻木遮荫效应的精准量化评估，证实虚拟样地技术能够精准重建林分三维结构并支持毫米级光能分布模拟。该方法不仅可克服传统实测方法的局限性，还能为林分光竞争研究提供新的技术手段。未来，可拓展至多气候带与林分类型验证其普适性，并将光合作用过程模型整合进气象模型框架中，提升对光能利用过程的模拟，为森林精准经营与结构优化提供科学依据。

来源：2025年第12期

《林业科学》期刊编辑部

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