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可编辑的根系建模与生长模拟方法

计算机辅助设计与图形学学报 2024年第1期36卷 73-80页

作者：杨猛肖成北京林业大学信息学院北京100083 国家林业草原林业智能信息处理工程技术研究中心北京100083

针对植物根系种类繁多,形态呈现出高度多样性问题,提出一种可编辑的建模方法来模拟根系生长.首先拓展了传统的L系统,以一种具有语义特征的规则描述根系结构与拓扑关系;然后加入根茎半径与单根长度的连续方程,生成符合自然规律的生长;再... 详细信息

针对植物根系种类繁多,形态呈现出高度多样性问题,提出一种可编辑的建模方法来模拟根系生长.首先拓展了传统的L系统,以一种具有语义特征的规则描述根系结构与拓扑关系;然后加入根茎半径与单根长度的连续方程,生成符合自然规律的生长;再通过指导向量控制根系的全局形态;最后提供多种编辑根茎局部形状的手段,如根茎骨架、曲面造型、不规则表面等,生成具有自然观感的根茎模型.对自然界中的6种植物进行仿真实验,包括直根系、须根系、储藏根系和板根4种不同类型,结果表明,根系的模拟结果与真实图片的平均相似度达到79.16%,所提方法具有构建多种类型根系的建模能力,可以通过设置形状指导曲线或者调节部分参数,构建出具有特殊形态的真实感根系模型.

关键词：根系建模生长模拟可编辑模型指导生长

基于响应面法与MOGA算法的竹集成材榫接合椅子节点力学分析及优化

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林业工程学报 2024年第1期9卷 184-191页

作者：杨越淳王雨凡杨洋张蕾张仲凤中南林业科技大学国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心湖南省绿色家居工程技术研究中心长沙410004 东阳市家具研究院东阳322100

竹集成材是符合“双碳”目标的可持续发展绿色材料,具有“以竹代木”的巨大潜力。本研究借助竹集成材优良材料性能,基于榫卯结构特性,以竹集成材榫接合椅子为例,运用有限元法(FEM)进行椅子静载荷及耐久性分析,探究竹集成材榫接合椅子及... 详细信息

竹集成材是符合“双碳”目标的可持续发展绿色材料,具有“以竹代木”的巨大潜力。本研究借助竹集成材优良材料性能,基于榫卯结构特性,以竹集成材榫接合椅子为例,运用有限元法(FEM)进行椅子静载荷及耐久性分析,探究竹集成材榫接合椅子及榫接合节点力学特性,搭建响应面模型求解竹集成材T型椭圆榫接合节点榫卯尺寸与其最大等效应力、总形变和最小安全系数的关系,并运用MOGA多目标遗传算法以形变最小化、安全系数最大化为优化目标,进行榫卯尺寸优化。结果表明:竹集成材榫接合椅子静载荷分析所得椅子最大等效应力为6.818 MPa,位于座面大边与椅后腿榫接合节点;最大等效应变值为4.245×10^(-3),位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点;椅子发生的最大形变为4.433 mm,分布在椅子靠背位置。椅子耐久性分析所得最大等效应力及最大等效应变均位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点,分别为4.999 MPa和3.113×10^(-3);椅子整体发生的最大形变为3.251 mm,位于椅子靠背上端。由竹集成材T型榫接合节点响应面分析可知,椭圆榫接合节点的最大等效应力及最大形变随着榫头厚度a及榫头长度l的增大而减小,安全系数随之增大,榫卯尺寸对T型榫接合节点力学强度的影响以榫头厚度a和榫头长度l为主,榫头宽度b影响不显著。运用MOGA算法优化竹集成材椭圆榫尺寸,优化结果与实际试验结果的相对误差为3.93%,相对误差较小,证明优化方法及结果有效。本研究为竹集成材椭圆榫的加工生产提供参考,并为竹集成材榫接合椅子的榫卯尺寸设计提供科学优化方法。

关键词：竹集成材椅子榫接合节点响应面分析 MOGA算法有限元法(FEM)

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刺梨SOD基因家族鉴定与表达模式分析

生物技术通报 2024年第5期40卷 153-166页

作者：文洁杜元欣吴安波杨广容鲁敏安华明南红贵州大学农学院国家林业和草原局刺梨工程技术研究中心贵阳550025

【目的】超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内氧自由基的天然清除剂,对于保护植物免受环境胁迫起着关键作用,了解其在刺梨响应干旱胁迫中的作用,为深入研究刺梨SOD基因家族的功能提供基础。【方法】通过生物信息学对刺梨SOD基因家族进行系统... 详细信息

【目的】超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内氧自由基的天然清除剂,对于保护植物免受环境胁迫起着关键作用,了解其在刺梨响应干旱胁迫中的作用,为深入研究刺梨SOD基因家族的功能提供基础。【方法】通过生物信息学对刺梨SOD基因家族进行系统鉴定和分析,对其理化性质、染色体位置、基因结构、亚家族进化、顺式作用元件和WGCNA进行全面分析,并利用RT-qPCR分析刺梨SOD基因家族在干旱胁迫下的表达模式。【结果】刺梨SOD基因家族有9个成员,包括4个Cu/ZnSOD基因、3个MnSOD基因和2个FeSOD基因,分布在5条染色体上。基因结构显示,同一亚家族成员的基序组成较为相似,但内含子/外显子排列和数量差异较大。亚家族进化分析发现,MnSOD亚家族较原始,其在所有蛋白质位置都表现出高度保守性,其次是FeSOD和Cu/ZnSOD,Cu/ZnSOD亚家族各序列之间差异较大,又可以分为3个亚类。顺式作用元件分析显示,该家族基因参与多种植物激素、生长发育以及胁迫响应,特别是RrCSD2启动子区含有类黄酮生物合成元件(MBSI)。进一步通过转录组和WGCNA分析发现,RrCSD2所在模块的基因显著富集到黄酮和黄酮醇生物合成、类黄酮生物合成和花生四烯酸代谢等途径,表明RrCSD2可能参与类黄酮代谢过程。RT-qPCR结果显示,在干旱胁迫下,除RrMSD1和RrMSD2的表达水平显著下降外,其余7个基因的表达水平总体呈现上升趋势,特别是RrCSD2和RrCSD3的表达水平显著上调。【结论】刺梨SOD基因在干旱胁迫中起到重要作用。

关键词：刺梨 SOD基因亚家族进化 WGCNA分析干旱胁迫

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虚拟环境中面向灭火指挥的火场信息可视分析

系统仿真学报 2024年第4期36卷 1001-1016页

作者：张本润曹卫群北京林业大学信息学院北京100083 国家林业和草原局林业智能信息处理工程技术研究中心北京100083

针对森林火灾现场指挥的需求,综合分析地理环境、气象条件、森林资源和林火行为等灭火指挥所需信息,设计实现了在虚拟林火环境中的数据可视化可视分析方法。使用王正非-3D混合元胞自动机模型模拟林火蔓延过程;采取差时方法预测林火蔓延... 详细信息

针对森林火灾现场指挥的需求,综合分析地理环境、气象条件、森林资源和林火行为等灭火指挥所需信息,设计实现了在虚拟林火环境中的数据可视化可视分析方法。使用王正非-3D混合元胞自动机模型模拟林火蔓延过程;采取差时方法预测林火蔓延行为;实时捕捉不同兴趣域内环境数据的变化,结合多视图面板及图层叠加的方法,构建火场信息可视分析模块。通过调整虚拟林场的环境参数,对不同场景下的林火蔓延过程进行模拟仿真,并对火场信息进行可视化可视分析。实验结果表明:该方法能够在一定条件下较准确地预测林火蔓延行为,还可以较全面地描述火场信息。

关键词：三维虚拟环境林火蔓延模型可视化可视分析林火仿真

基于YOLOv7的红外相机野生动物图像筛选

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北京林业大学学报 2024年第2期46卷 143-154页

作者：齐建东马鐘添郑尚姿北京林业大学信息学院北京100083 国家林业和草原局林业智能信息处理工程技术研究中心北京100083

【目的】野外环境通常植被繁茂、树木杂乱,且受环境、天气、光照等因素影响,红外相机易误触发拍摄,从而捕获大量废片,需要耗费大量人力进行筛选。为解决此类问题,本研究以YOLOv7模型为基础,对其进行轻量化改进,以实现对废片的自动筛选... 详细信息

【目的】野外环境通常植被繁茂、树木杂乱,且受环境、天气、光照等因素影响,红外相机易误触发拍摄,从而捕获大量废片,需要耗费大量人力进行筛选。为解决此类问题,本研究以YOLOv7模型为基础,对其进行轻量化改进,以实现对废片的自动筛选。【方法】本研究构建了北京密云雾灵山自然保护区2014—2015年期间采集到的2172张野生动物图像数据集,并对图像中出现的动物进行位置标记。对YOLOv7网络使用不同方式进行改进:引入MicroBlock替换YOLOv7的主干网络,使用轻量化SPPCSPC结构降低模型参数量。采用SIoU损失、LNDown下采样、BiFPN提升模型检测动物的能力。使用YOLOv5-m、YOLOv5-l、Ghost-YOLOv5-l、YOLOv6、YOLOX-M、YOLOR-CSP模型,在含有1万张图像的Snapshot Serengeti相机陷阱图像子数据集上进行训练和验证,对比本文模型对野生动物图像的筛选效果。利用迁移学习训练自建野生动物数据集,测试冻结不同层数的训练效果。【结果】基于YOLOv7的改进模型推理时间降低了14.3%,每秒浮点运算次数FLOPS降低了33.5%,参数量减少了17.8%,误检测方面也优于YOLOv7模型。与其他模型进行对比,改进后的YOLOv7虽未在所有指标中均达到最优,但在检测时间与精度上达到了更好的平衡。在自建数据集中使用未冻结权重方式微调效果最优,平均精度比未使用迁移学习模型提高了12.6%。【结论】本研究为密云地区野生动物监测网络提供了更快速、准确的筛选方案。

关键词：野生动物图像图像筛选深度学习目标检测

长白山阔叶红松林林层群落结构与生产力的关系

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林业科学 2024年第3期60卷 57-64页

作者：肖欢叶尔江·拜克吐尔汗张春雨赵秀海北京林业大学国家林业和草原局森林经营工程技术研究中心北京100089 新疆干旱区林业生态与产业技术重点实验室乌鲁木齐830052

【目的】探究长白山阔叶红松林不同林层群落结构与林分生产力的关系,分析林分生产力的影响因素,为温带森林的恢复与可持续经营提供科学依据。【方法】基于长白山自然保护区阔叶红松林40 hm^(2)固定监测样地2年(2014和2019年)植被调查数... 详细信息

【目的】探究长白山阔叶红松林不同林层群落结构与林分生产力的关系,分析林分生产力的影响因素,为温带森林的恢复与可持续经营提供科学依据。【方法】基于长白山自然保护区阔叶红松林40 hm^(2)固定监测样地2年(2014和2019年)植被调查数据,以样地内胸径(DBH)≥5 cm的木本植物为对象,根据胸径将阔叶红松林群落划分为优势木层、亚优势木层、中等木层和被压木层,运用R4.0.3软件计算各林层物种多样性、结构多样性和林分密度,与生产力进行相关性分析并构建结构方程模型,探讨不同林层物种多样性、结构多样性和林分密度对生产力的影响。【结果】1)林分密度与生产力显著正相关(P<0.05),且相关关系随林层上升而下降。2)Pearson相关性分析结果显示,生产力与代表物种组成α多样性的香农威纳指数显著正相关(P<0.05),且随林层上升相关关系减弱;反之,代表物种组成β多样性的香农熵指数与生产力存在显著负相关(P<0.05),但该相关关系在中等木层和亚优势木层不显著。此外,物种均匀度指数与生产力显著负相关(P<0.05),相关系数随林层上升先增大后减小;胸高断面积基尼系数和胸径均匀度指数与生产力显著负相关(P<0.05),且该相关关系随林层上移而减弱,在优势木层与生产力无显著相关性。胸径香农威纳指数与生产力呈显著正相关(P<0.05),且随林层上移相关关系降低,相关系数由0.44降至0.31。3)不同林层林分密度对生产力均有显著影响(P<0.001),且随林层上升其作用强度逐渐降低,路径系数由0.59降至0.27;物种多样性在被压木层和中等木层对生产力有显著正向作用(P<0.05),在优势木层和亚优势木层对生产力无显著影响;结构多样性在被压木层和中等木层通过作用于物种多样性和林分密度间接影响林分生产力,在优势木层和亚优势木层则直接作用于林分生产力。【结论】各林层林分密度对生产力均有显著影响(P<0.05),且随林层上升对生产力的作用强度逐渐降低,群落物种多样性和结构多样性对生产力的作用方向和强弱在不同林层表现各异。深入探讨不同林层物种多样性和结构多样性以及其如何影响森林生产力,在现代森林经营管理中尤为重要。

关键词：阔叶红松林不同林层生产力群落结构物种多样性

基于移位试验模拟增温对杉木凋落叶和宿存叶分解过程中养分释放的影响

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生态学报 2024年

作者：吴小健李江飞江宇孙麟钧吴鹏飞马祥庆福建农林大学林学院国家林业和草原局杉木工程技术研究中心

凋落物分解是森林生态系统养分循环的重要组成部分，为探究气温变化对杉木枯死叶片分解的影响，本文以杉木人工林的凋落叶和宿存叶为研究对象，采用分解网袋法，利用武夷山气温垂直分布特征，选择了620 m、1003 m、1410 m和1948 m四个... 详细信息

凋落物分解是森林生态系统养分循环的重要组成部分，为探究气温变化对杉木枯死叶片分解的影响，本文以杉木人工林的凋落叶和宿存叶为研究对象，采用分解网袋法，利用武夷山气温垂直分布特征，选择了620 m、1003 m、1410 m和1948 m四个海拔气温梯度，采用异地移位试验模拟增温对杉木凋落叶和宿存叶分解速率及分解过程中N、P、Mg、Ca元素释放的影响。结果表明：（1）凋落叶和宿存叶的干重残留率随分解时间的延长呈下降趋势，且在不同海拔气温下存在显著差异（PK1003>K1410>K1948，宿存叶则表现为K1003>K620>K1410>K1948。增温缩短了凋落叶和宿存叶的半衰期和周转期。（2）增温显著影响凋落叶和宿存叶的N、P、Mg、Ca残留率（P研究结果为全面了解杉木枯死叶片分解过程中养分释放对气候变暖的响应机制提供科学依据。

关键词：增温杉木凋落叶宿存叶干重残留养分释放

氮添加和铵硝态氮配比对杉木幼苗光合特性及叶绿素荧光参数的影响

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植物生态学报 2024年

作者：全小强王燕茹李小玉梁海燕王立冬闫小莉福建农林大学林学院国家林业和草原局杉木工程技术研究中心

研究不同氮添加水平和铵硝态氮配比对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗叶片光合特性和叶绿素荧光参数的影响,从光合生理生态的角度探讨杉木幼苗对N素逆境的短期响应,可以为杉木栽培中氮肥的经营管理提供理论依据。该研究以一年生杉苗... 详细信息

研究不同氮添加水平和铵硝态氮配比对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗叶片光合特性和叶绿素荧光参数的影响,从光合生理生态的角度探讨杉木幼苗对N素逆境的短期响应,可以为杉木栽培中氮肥的经营管理提供理论依据。该研究以一年生杉苗为材料,设置3个氮添加水平:0.5 (N1)、1.0 (N2)和2.0 mmol·L–1(N3)及7个铵态氮(NH4+-N):硝态氮(NO3~–-N)的配比:10:0(P1)、8:2 (P2)、6:4 (P3)、5:5 (P4)、4:6 (P5)、2:8 (P6)和0:10 (P7)的21个实验处理组,沙培盆栽处理180天后,测定幼苗叶绿素含量、光合特性、叶绿素荧光参数、生物量等指标。结果表明:(1)在N1水平下,叶绿素a和b含量分别在P2和P6配比下最高;在N2水平下,叶绿素a和b及叶绿素(a+b)含量均为P4配比下最高;在N3水平下,叶绿素a和b含量均在P3配比下最高,整体上表现为N3和N2高于N1。(2)叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)均为较高铵态氮浓度的配比处理高于较高硝态氮浓度的配比处理;Pn在N3下为P1配比最高,但在N1和N2下为P2配比最高,整体上Pn和WUE均表现为:N3>N2> N1。(3)各处理的最大光化学效率均在0.80–0.85的正常范围内、光系统Ⅱ潜在光化学活性在P2配比下N3显著高于N1和N2;叶片快速叶绿素荧光诱导曲线在N1的P1配比下曲线偏离程度大, N2下的P1、P2和P4配比和N3下的P1、P2和P5配比在I、P相逐渐降低, J相逐渐上升; P2和P3配比下单位面积吸收、捕获和传递的光能以及热耗散和反应中心的数量随氮浓度的升高明显增大,而P6配比下单位反应中心吸收、捕获和传递的能力以及耗散掉的能量随氮浓度的升高明显降低,其他配比下差异不显著。最大光化学效率在各处理间无显著差异表明本研究模拟的低氮水平和氮形态异质性配比的环境未对杉木幼苗生长造成胁迫。(4)总生物量和地上生物量均表现为较高铵态氮浓度的配比处理大于较高硝态氮浓度的配比处理,其中N2P2处理下最高,氮添加水平间表现为N2>N3>N1。根冠比在N1和N3下均为P6配比显著高于其他处理, N2下为P7显著高于其他处理,且整体上N1的根冠比显著高于N2和N3。相对较高的氮添加水平和铵态氮浓度配比的环境能提高杉木幼苗光化学反应效率,优化光系统Ⅱ反应中心的能量利用,最终促进其光合作用和生物量的积累。

关键词：氮添加铵硝态氮配比光合特征叶绿素荧光杉木

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基于变化更新的中东欧国家森林覆盖制图

林业科学 2024年第5期60卷 116-126页

作者：王春玲史锴源庞勇蒙诗栎北京林业大学信息学院北京100083 国家林业和草原局林业智能信息处理工程技术研究中心北京100083 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091

[目的]分析中东欧国家森林资源覆盖状况,了解中东欧各国林业的现实情形和独特优势,为中国与中东欧国家加强林业合作提供基础数据。[方法]基于Google Earth Engine(GEE)平台获取中东欧国家2020年生长季无云影像,利用随机森林算法对影像... 详细信息

[目的]分析中东欧国家森林资源覆盖状况,了解中东欧各国林业的现实情形和独特优势,为中国与中东欧国家加强林业合作提供基础数据。[方法]基于Google Earth Engine(GEE)平台获取中东欧国家2020年生长季无云影像,利用随机森林算法对影像进行分类,应用连续变化检测和分类算法得到森林变化信息并更新初步分类结果,最终获得中东欧国家土地覆盖分类结果。利用欧盟统计局土地利用/覆盖区域框架调查(LUCAS)数据、目视解译数据以及联合国粮农组织统计数据(FAOSTAT)对本研究分类结果进行验证和评估,结合谷歌高分辨率影像对制图结果进行分析。[结果]本研究分类结果利用LUCAS数据和目视解译数据的森林类型用户精度分别为0.930和0.911,生产者精度分别为0.860和0.956,总体精度分别为0.810和0.881,整体上优于GlobeLand30 2020产品(森林类型用户精度分别为0.920和0.900,生产者精度分别为0.690和0.840,总体精度分别为0.700和0.832)。根据研究结果计算出中东欧国家总体森林覆盖率为39.6%,相比GlobeLand30 2020结果(34.4%),与FAOSTAT的森林覆盖率(40.0%)更接近。目视上看,本制图结果在细节刻画上比GlobeLand30 2020产品更丰富,更能准确反映森林分布特征。截至2020年,中东欧国家森林覆盖呈北部、东南地区和西南地区丰富密集,中部分布广泛且相对较少的特点,爱沙尼亚、拉脱维亚、斯洛文尼亚、黑山等国家森林分布茂密,波兰、匈牙利等国家森林分布较为稀少。[结论]针对中东欧国家森林覆盖应用需求,本研究提出基于产品变化更新的森林覆盖制图方法,生产了中东欧国家2020年森林覆盖产品。本研究方法可为大区域森林覆盖制图提供新的借鉴和参考,结果有助于宏观了解中东欧国家森林覆盖状况。

关键词：中东欧国家 Google Earth Engine 森林资源遥感监测