1引言
进人21世纪以来,党中央、国务院做出了全面贯彻科学发展观、构造社会主义和谐社会、建设社会主义新农村等一系列重大战略决策，为林业发展提出了新的更高要求，赋予了林业新的重大使命。
林业，顾名思义是培育、保护、管理和利用森林的事业。一般认为，林业是大农业的组成部分，与农业中的种植业相似，区别在于其种植对象是木本植物。这种认识在20世纪以前的传统林业概念还是具有代表性的，但随着人类文明的进步和社会经济的发展，林业的内涵和范畴已经发生了巨大的变化。古代的林业主要是开发利用原始林，以取得燃料、木材及其他林产品。中世纪以后，随着人口增加及森林资源逐渐减少，局部地区出现缺林少材现象，人们开始关心森林的恢复和培育，保护森林和人工种植森林逐渐成为林业的经营内容。近代的林业认识到森林资源，特别是木材的永续利用和必要性，要使开发利用森林和培育保护森林相对的均衡，开始把林业经营放在比较科学的基础之上。现代的林业则正在逐渐摆脱单纯生产和经营木材的传统观念，重视森林的生态和社会效益，以多目的综合经营森林和高效率深度利用森林资源为其特征(肖忠优，2009)。
1.1研究目的及意义
自然界中树木生长发育是一个复杂的过程，而且生长周期较长，受到各种内因和外因的影响效果明显，并在空间和时间上表现出一定的随机性和突变性。内因主要有遗传基因、光合作用、呼吸作用、矿物营养、水分代谢、营养生长、生殖生长等;外因包括光照分布及强度、水分条件、温度条件等环境因素和随机因素以及人为作用等。因此研究树木的生长并对其进行改进是一个漫长而复杂的过程。随着现代科技的进步与计算机技术的快速发展，虚拟植物这一研究方法逐渐展现出它的优势并受到科学家们的重视，利用虚拟植物技术可以大大简化树木生长发育的研究及改进，提高效率。
虚拟植物(Virtual Plants，亦称为植物可视化)就是利用虚拟现实(Virtual Reality)技术，以植物的个体为研究中心，以植物的形态结构为研究重点，所建立的模型能反映植物的形态结构规律，生成具有真实感的植株个体或群体(郭众，2001)。虚拟植物的形态模拟技术已经比较成熟，并广泛应用于娱乐、虚拟场景等领域。以植物在三维空间中结构发育和生长过程为主要研究目标的虚拟植物生长模拟逐渐成为研究的重点。
植物生长的可视化模拟主要解决如何把现实中异常复杂的植物信息以可视化的方式在计算机上实现，为科研工作者提供一种易操作、易控制，便于交互的平台来研究植物学的各种问题，对于农业和林业研究方面非常重要。一方面虚拟植物改变了传统研究者的研究方法和手段，能够提供精确的植物生长空间规律，对过去不能直接进行实验验证的假说，可以使用虚拟植物进行虚拟实验来检验;另一方面，利用虚拟植物的可视化特征，更好地认识和理解植物生长过程中的基本规律和量化关系，可以开发树木培育系统，通过在计算机上实施不同培育方案，计算机模拟其效果，对生长系统的动态行为和最终产量进行预测，提高树木的产量与品质;还可以利用虚拟植物、虚拟农田等模型建立虚拟农场，可以在计算机上种植虚拟植物并进行虚拟农场管理。此外，虚拟植物在工程设计领域、小流域水土流失治理方案的确定、生态脆弱带(如沙化地区)种植方案的确定等方面，也有重要的指导意义(陈敏智，2007)。
另外，植物生长的可视化模拟在娱乐、商业、教育等行业中显示了巨大的潜在市场。例如:在人工生命领域，生物学家希望借助虚拟植物更方便地研究植物的生长规律;在建筑环境的整体规划、园林的景物布局设计、虚拟环境中的自然景物生成以及艺术造型等领域，虚拟植物也充分体现出它的优势(崔敏梅，2007)。
1.2国内外研究现状及发展趋势
虚拟现实(Virtual Reality)是1989年由美国的J.Lanier最早提出的。在不同的应用领域，它所表示的含义略有不同，就其本质来说，它是一种高度逼真地模拟人在现实世界中视、听、动等行为的人机界面。它用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉一体化的虚拟感觉世界，用户可以从自己的视点出发，借助必要的设备，以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实技术事融合了计算机图形学、图像处理技术、多媒体技术、传感器技术、网络技术、仿真技术、人工智能技术等多种学科，自20世纪90年代初发展至今己广泛应用于科研、教育培训、工程设计、商业、军事、医学、影视等众多领域，被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一(周淑秋，2008)。虚拟植物是虚拟现实技术在农林业应用中的一个方面。目前对虚拟植物的研究有两个方向，一个是农业中作物的模拟，另一个是林业是树木的模拟。因为研究目的不同，所以在方法上也会有所不同。
3.3.4 水分对树木生长............. 31
3.4 林窗模型 ............. 31-33
3.5 本章小结............. 33-35
4 基于人工智能方法............. 35-45
4.1 支持向量机............. 35-36
4.2 遗传算法............. 36-39
4.3 树木高度生长过程............. 39-43
4.3.1 核的选取............. 40
4.3.2 参数遗传算法优化............. 40-41
4.3.3 SVR生长模型............. 41-43
4.4 本章小结............. 43-45
5 基于L-系统的树木生长仿真............. 45-61
5.1 仿真工具介绍............. 45-46
5.2 L-系统算法的计算机............. 46-47
5.3 二维树木仿真平台............. 47-51
5.3.1 上下文无关二维............. 47-50
5.3.2 随机L-系统............. 50
5.3.3 二维树木仿真............. 50-51
5.4 三维树木仿真平台............. 51-61
5.4.1 上下文无关三维............. 51-54
5.4.1.1 三维L-............. 51-53
5.4.1.2 三维上下文无关L-............. 53-54
5.4.2 参数L-系统............. 54-61
5.4.2.1 L-系统表示............. 54
5.4.2.2 环境参数树木............. 54-58
5.4.2.3 参数L-系统树木............. 58-61
总结
虚拟树木的研究对人类日常生活及农林业的发展意义重大。课题针对当前树木形态研究的现状，将树木生长过程中生物量的变化添加到模型中，使模型实现树木生长的部分过程。在研究过程中，查阅多方文献及进行多方调查后，确定了以L一系统为基本的框架结构，建立三维模型;引入参数控制，将年龄和树高作为L一系统迭代替换的判断条件;添加随机变量，一方面使用随机L一系统，另一方面在树木分枝时增加一定的随机性;采用支持向量机对树木高度随年龄的变化过程进行数学建模，并用遗传算法对支持向量机的参数优化，提高支持向量机的计算精度;算法过程在MATLAB中实现;采用Visual C于结合OpenGL模拟树木模型，并建立仿真平台。
论文中的树木模型具有以下特点:
(1)采用改进的L一系统，建立的三维模型可视性更好;引用的时间等参数将模型由离散状态的叠加转化为连续的模型;随机变量使模型更接近自然中由不确定因素造成的树木形态各异;L一系统中将树干和树枝等用不同的字符表示，使得树木结构能灵活控制。与使用其它方法建立的树木相比，论文中的模型具有很好的可视性和可控性，能更好地应用于其它实验中。