一种基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法

摘要

本发明涉及一种基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法，包括如下步骤：步骤一以林分经营模式为主导，参考森林经营方案，结合林分经营实践，确定林分经营措施可视化的技术指标；步骤二以C

说明书

技术领域

本发明属于森林经营管理与林分经营可视化模拟两个技术领域，具体涉及 一种基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法。

背景技术

现有林分经营过程均以单一且各自独立的具体经营措施开展活动，由于林 分经营措施现场实施复杂，具有不可回复性，实施过程需要大量的实际经验， 实施经营措施后需要很长的周期才能看到其结果，很大程度上阻碍了林分经营 效率和水平。缺乏一种基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法，以直观的 可视化模拟手段将各种经营措施以工作流的形式提供给林分经营管理者，提高 林分经营过程的操作性、灵活性、可视性与交互性模拟的准确性，从而大大提 供林分经营水平。

本发明以林分经营模式为主导，参考森林经营方案，结合林分经营实践， 进行林分经营措施参数化定义；确定林分经营措施技术指标；以C#为开发语 言，利用WF技术的自定义活动方法，采用人机交互方式，构建自定义林分经 营措施活动，实现林分经营措施技术指标的属性化封装及林分经营措施的图形 化表达；采用工作流建模方法，结合DDI+与MOGRE技术，实现林分经营过 程可视化模拟。

该发明的主要创新点为：（1）林分经营措施技术指标参数化定义：根据流 程式林分经营过程的特点，抽象表达林分经营过程，抽取经营过程的技术指标 参数，实现林分经营措施技术指标的参数化定义。（2）林分经营措施可视化模 型构建方法：利用WF技术，通过研究林分经营措施采伐木决策方法，以自定 义经营措施活动的方法构建了采伐木决策可视化模型，结合林分经营措施技术 指标接口设计，实现了林分经营措施的图形化表达。（3）林分经营过程可视化 模拟方法：结合WF技术，通过建立面向经营者的可视化工作流设计器、自定 义经营措施活动、添加自定义活动跟踪服务与定义工作流引擎，利用自由拖拽 创建的方法，构建了林分经营过程可视化模型，采用GDI+绘图技术与MOGRE 渲染引擎技术，实现了林分结构、林分二维状态与林分三维场景的可视化模拟， 综合以上方法，实现了林分经营过程可视化模拟。以上三种方法突破了传统林 分经营过程的难以模拟，可视化程度低等难点，对于实现林分经营过程可视化 模拟具有很强的操作性、灵活性、可视性与交互性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于工作流的林分经 营过程可视化模拟方法，对于实现林分经营过程可视化模拟具有很强的操作 性、灵活性、可视性与交互性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

WF工作流研发框架，其架构如图2所示。

一种基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法，包括如下步骤：

步骤一以林分经营模式为主导，参考森林经营方案，抽象与表达林分经 营措施，结合林分经营实践，确定林分经营措施可视化的技术指标；

步骤二以C^#语言为开发语言，利用WF技术的自定义活动方法，采用人 机交互方式，构建自定义林分经营措施方法，实现林分经营措施技术指标的属 性化封装及林分经营措施的图形化表达；

步骤三采用工作流建模方法，结合DDI+与MOGRE技术，实现林分经营 过程可视化模拟。

其中，林分经营措施可视化的构建方法为利用WF技术，通过研究林分经 营措施采伐木决策方法，以自定义经营措施活动的方法构建采伐木决策可视化 模型，结合林分经营措施技术指标接口设计，实现林分经营措施的图形化表达； 所述林分经营过程可视化模拟的方法为结合WF技术，通过建立面向经营者的 可视化工作流设计器、自定义经营措施活动、添加自定义活动跟踪服务与定义 工作流引擎，利用自由拖拽创建的方法，构建林分经营过程可视化模型，采用 GDI+绘图技术与MOGRE渲染引擎技术，实现林分结构、林分二维状态与林 分三维场景的可视化模拟，最终实现林分经营过程可视化模拟。

所述WF技术是一个关于工作流的研发框架，WF包含活动模块、工作流 设计器和工作流运行时模块，其中活动模块是WF的核心，活动模块的构建方 式有两种:一是通过选择WF提供的现成的活动，通过编写代码方法来实现活 动的特定功能；二是自定义新的活动，对WF提供的活动进行扩展或者利用 WF提供的活动组成复合的活动；所述工作流设计器是Microsoft Visual Studio 2005及后续版本提供的可视化工作流设计器，用于工作流的定义和设计；所述 工作流运行时模块是一个轻量级、可扩展的引擎执行环境，它能够使用任意的 程序作为它的宿主程序，在开发工作流项目时，用户在宿主中先创建工作流运 行时模块，然后在工作流运行时模块上加载各种所需要的服务，最后通过工作 流运行时模块启动指定的工作流并生成工作流实例，在一个宿主程序中可以有 多个工作流运行时模块，一个工作流运行时模块中也可以有多个工作流实例。 以上组件可为建立工作流可视化模型提供了充足的技术条件，但不能完全满足 本项目研究的需求，需进行针对性开发。本项目将以.NET Framework3.5提供 的WF技术为基础，通过建立面向经营者的可视化工作流设计器、自定义林分 经营措施活动、定义工作流跟踪服务以及工作流引擎，实现了林分经营过程可 视化模拟。

所述林分经营措施为林分经营过程中的主要经营措施，包括抚育间伐、择 伐、渐伐、皆伐、更新采伐，其主要技术指标如表1所示。

表1主要经营措施及其主要技术指标

经营措施 主要技术指标 抚育间伐 间伐开始期、强度、间隔期、采伐木确定等 择伐 采伐强度、采伐木确定等 渐伐 采伐强度、采伐木确定、郁闭度等 皆伐 采伐时间确定等 更新采伐 采伐强度、采伐衰老的过熟林木及病虫害或受损林木等

各经营措施技术指标确定方法如下，参考森林经营方案中的林分经营措施 实施方法，确定抚育间伐开始期、间隔期与皆伐开始期；设计林分经营措施强 度接口，实现采伐强度的自定义；结合林分结构分析，实现林分结构参数影响 下的采伐木选择，具体参数定义如下：

胸径与树高指数

定义的胸径与树高指数分别为式（1）、式（2）所示，其各自取值均在0-1 之间，值越大，表明该林木的胸径和树高相对较小，

$D_i=1-\frac{d_i}{d_{\max }}---\left(1\right)$

$H_i=1-\frac{h_i}{h_{\max }}---\left(2\right)$

式中：d_i与h_i为第i株林木的胸径与树高；d_max与h_max为林分内林木胸径与 树高的最大值；D_i与H_i分别为第i株林木的胸径与树高指数；

角尺度

将任意两株最近相邻木较小的夹角定义为α角，并将标准角α₀=72°大于α角 的个数占参照木最近4株相邻木4个夹角的比例定义为角尺度，由式（3）表 示，角尺度有5种取值结果：0、0.25、0.5、0.75、1，分别对应很均匀、均匀、 随机、不均匀以及很不均匀分布这5种不同的林木空间分布格局，

$w_i=\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{4}{\Sigma }}{z}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

式中：当标准角大于第j个α角时z_ij为1，否则z_ij为0；w_i为林木角尺度；

大小比数

若以胸径大小为比较指标，大小比数即为大于参照木胸径的相邻木的个数 占参照木最近4株相邻木的比例，由式（4）所示，大小比数同样有5种取值 结果：0、0.25、0.5、0.75、1，分别对应优势、亚优势、中庸、劣态、绝对劣 态地位这5种不同的林木个体生长优势程度，以此来反映林木间的竞争态势，

$u_i=\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{4}{\Sigma }}{k}_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$

式中：当参照木比相邻木j小时，k_ij为1，否则k_ij为0；u_i为林木大小比数；

生存面积指数（APA）

泰森多边形图是以诸多地理空间实体作为生长目标，按距离每一目标最近 原则，将整个连续空间剖分为若干个泰森多边形，每个泰森多边形只包含一个 生长目标，生存面积指数就是以树木为离散点所生成的泰森多边形的面积来表 示目标树可利用的生存空间的大小，泰森图如图3所示；

空间密度指数

空间密度指数用以反映结构单元内林木的拥挤程度，由式（5）所示，空 间密度指数取值在0-1之间，其值越大，表明包含参照木与其4株相邻木在内 的结构单元的空间分布密度越大，

$R_i=1-\frac{r_i}{r_{\max }}---\left(5\right)$

式中：r_i为参照木i包含4株最近相邻木时的最小半径；r_max为林分内所有r_i的 最大半径，r_max＝max{r_i,i＝1,2,3,4,……}；R_i为空间密度指数；

健康状况指数

健康状况指数A_i取值范围为0-1，其中A_i=0，代表林木处于绝对健康状态； A_i=0.25，代表林木处于相对健康状态；A_i=0.5，代表林木处于健康状态；A_i=0.75， 代表林木处于不健康状态；A_i=1，代表林木处于绝对不健康状态。

所述可视化工作流设计器设计方法如下

首先，实现界面设计类、工作流设计类与工作流视图类；再次，实现封装 了工作流设计器、工具箱和属性网格的工作流设计类自定义控件；最后，实现 包含了工作流设计类实例与允许与设计器交互的菜单定义的面向林分经营者 的可视化工作流设计器。其构建效果如图13所示。

该设计器支持以下功能：工作流序列化与反序列化、自由更改工作流模型 的结构、利用属性网格可更改工作流和活动属性和支持自定义活动添加到工具 箱中等实用功能。

所述自定义林分经营措施的构建为利用WF技术自由定制林分经营措施， 实现活动的图形化表达，主要涉及到的各个经营措施，包括数据文件、林分结 构、抚育间伐、择伐、渐伐、皆伐、更新采伐、查看效果、胸径、树高、健康 状况、生存面积指数、空间密度指数、大小比数、角尺度，信息如表2所示（后 7个经营措施是采伐木决策因子活动，可用于建立交互式采伐木决策可视化模 型）。继承自基类活动、复合活动与顺序活动定义的简单活动、通用复合活动 及专用复合活动，所有活动置于上节创建的面向经营者的可视化工作流设计器 中。

表2自定义经营措施信息

效果如图4所示。

由图4发现：1）可视化工作流设计器是面向林分经营用户的，具有直观、 便捷的特点；2）利用WF技术，将林分经营措施活动以图形的形式表达出来， 可极大地增强各种活动的可视化性与可操作性。

WF自有的跟踪服务用来对工作流实例及其所包含的活动的运行状态进行 跟踪，以便用户在需要时可以通过这些跟踪的信息进行查询分析。在默认情况 下，跟踪服务会对工作流的所有状态进行跟踪，如果捕获的跟踪信息比所需要 的跟踪信息要多，那么就可以过滤捕获的跟踪信息来得到自己需要的信息。其 中，起过滤作用的就是跟踪配置文件。跟踪配置文件实质上是一组跟踪点。各 跟踪点与被跟踪的事件的类型相关，为运行库提供了关于何时提取数据以及提 取哪些数据的信息。

在面向经营者的可视化工作流设计器中，可以利用人机交互的方式建立林 分经营过程工作流结构模型。WF自有的跟踪服务不可以满足数据跟踪要求， 可通过创建自定义活动跟踪服务，实现经营措施活动属性跟踪及与外部程序通 信，真正实现林分经营过程可视化模拟。

所述自定义活动跟踪服务为的具体方法为

（1）实现跟踪通道，处理跟踪数据，包括,重写方法，将跟踪信息存储到 XML文件当中以及重写各种实例方法；

（2）实现跟踪服务，与工作流运行时交互，包括，返回跟踪通道实例； 为工作流运行时提供跟踪配置，即定义跟踪自定义活动的属性；

（3）解析存有跟踪信息的XML文件，经修改林分数据表，实现林分经营 过程可视化模拟。

本项目针对每一个活动分别添加了跟踪服务，用以获取林分经营措施流程 执行中各活动的属性（技术指标）。

所述定义工作流引擎为工作流运行时模块能够实例化WF运行时，创建和 管理WF程序实例，以及管理WF运行时及运行时服务，通过创建工作流实例， 执行工作流实例，具体使用时，可以通过加载各种服务方法管理运行时服务， 通过服务来实现控制流程实例。WF提供了事务处理、持久化、跟踪等服务， 用户也可自定义服务供工作流使用。将每一个自定义活动的跟踪服务加载到工 作流中，实现对活动属性的跟踪及流程的解析与流转，并以XML文件存储跟 踪数据，作为数据中间存储介质，对林分数据表数据进行修改，实现林分经营 过程可视化模拟。

附图说明

图1基于工作流的林分经营过程可视化模拟方法流程；

图2林分经营过程工作流框架技术图；

图3泰森多边形示意图；

图4工作流设计器与自定义活动；

图5工作流式林分疏伐可视化模型；

图6林分2维3维视图（疏伐前），其中A图为林分2维视图，B图为林 分3维视图；

图7林分2维3维视图（疏伐后），其中A图为林分2维视图，B图为林 分3维视图。

具体实施方式

实施例1

1）试验样地

所选模拟试验对象为1块面积为1886m²的典型杉木人工同龄纯林，属一 般用材林，东西坡向，坡度35.2°，海拔324m，林龄11年，林木总株数309 株。对样地内每株林木进行胸径、树高、冠幅、活枝下高及冠高等林木测树因 子测定，并采用全站仪测定每株林木的相对位置坐标。将调查数据存储到 Access数据库中。

2）林分疏伐措施可视化模拟

攸县黄丰桥国有林场森林经营方案（2006年-2015年，以下简称方案）指 出：杉木人工林疏伐木选择遵循“去劣留优、去小留大、去密留稀、保留均匀” 的原则；根据林场的生产实际与林分生长状况，疏伐分两次进行，第一次疏伐 年龄9-11年，强度（以株数百分比计）为25-30%；第二次疏伐年龄16-18年， 最大强度（以株数百分比计）为25%。

本试验对第一次疏伐进行可视化模拟，其疏伐开始期按方案执行。在参考 方案的前提下，通过自定义疏伐措施可视化模型，来实现疏伐强度和采伐木选 择的交互式可视化表达。

方案指出的“去小留大、去密留稀、去劣留优、保留均匀”的采伐木选择原 则在实际生产实践中也容易造成多种疏伐结果的形成。本试验将以此原则为基 础，以定量化指标替代上述各个定性指标：胸径、树高因子替代“去小留大”、 生存面积指数替代“去密留稀”、大小比数替代“去劣留优”、角尺度替代“保留均 匀”，作为采伐木选择标准，来准确选择采伐木，以避免定性选择采伐木带来 的不利因素，实现林分结构参数影响下的采伐木选择，为进一步构建林分疏伐 措施可视化模型提供基础。

定义的疏伐活动是一个通用的复合活动，支持自定义其疏伐强度属性，而 支持结合采伐木决策因子活动建立交互式采伐木决策可视化模型是其最大优 势。可将采伐木决策因子活动作为疏伐活动的子活动，通过拖放的形式，按某 种顺序将其放置到疏伐活动区域中，以构建交互式采伐木决策可视化模型。其 中，采伐木决策因子活动执行顺序将按所构建的子活动的顺序执行，来先后依 次选择采伐木。构建过程及效果如图5所示。

由图5可知：此方法具有以下特点：可按林分疏伐需求建立多种不同的采 伐木决策模型；具有很强的可视性与交互性；可为林分疏伐措施可视化模拟提 供强有力的技术支持。

3）林分疏伐过程可视化模拟

通过从工具箱拖拽自定义活动、在属性网格中定义各个活动属性的方法， 实现林分疏伐过程可视化模拟建模，如图5所示。

如图5所示，经营者可以根据经营目标，将各个活动利用拖拽创建、直接 修改、复制与移除的方法，建立模拟林分疏伐过程的可视化模型，实现林分疏 伐过程可视化流程建模。此种利用图形形式定制流程的方法，具有可视性高、 交互性强的特点。

注：疏伐中胸径、树高、APA、大小比数及角尺度等活动的含义是：满足 胸径小于10.0cm、树高小于7.0m、APA小于3.0m²、大小比数为1.0、角尺度 为1.0中的一项即可定义为疏伐木。疏伐强度设定为30%（株数百分比），此 疏伐强度为最大疏伐强度，当以上5个参数确定的疏伐强度小于此设定强度时， 可顺利执行疏伐；当其大于此设定强度时，则按胸径-树高-APA-大小比数-角尺 度顺序来确定疏伐木，达到所设定的疏伐强度即止。

按所定制的流程顺序执行，依次执行数据文件、林分结构分析活动，在执 行到查看效果活动时，工作流会暂停，根据查看效果活动的属性设置，将对未 疏伐前林分结构、林分二维、三维情况进行查看，效果分别如图6、7所示。

图6（A）中，黑色实心圆的直径代表林木胸径，空心圆直径代表林木冠 幅大小，以不同的冠幅颜色区分不同的树高级（下同）。

当工作流在暂停状态被唤醒后，执行疏伐活动，利用查看效果活动查看实 际疏伐强度为29.1%（株数百分比计）、采伐木与保留木材积对比（采伐木材 积为4.91m³、保留木材积为23.22m³）以及疏伐后林分结构、2维3维状态， 如图7所示。

可知：（1）利用可视化模型可以模拟林分疏伐过程；（2）结合GDI+与 MOGRE技术，可增强林分结构分析与林分2维状态的可视性及林分3维状态 的逼真程度。

采用上述方法，对择伐、渐伐、皆伐、更新采伐等经营措施活动的属性进 行自定义设置，即可实现经营措施的可视化模拟。同样，配合数据文件、林分 结构、查看效果等活动，利用拖拽自由创建的方式，即可创建各个经营措施的 执行过程可视化模型，实现林分经营过程可视化模拟。

最后应说明的是：显然，上述实例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例， 而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的 基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保 护范围之中。