TreeSim：开源森林动态模拟器和可视化工具

软件X 20（2022）101221原始软件出版物TreeSim：Python中面向对象的单树模拟器和3D可视化工具放大图片作者：AbbasNabhani，Hanne K.舍利挪威内陆应用科学大学应用生态学、农业科学和生物技术学院林业和野生动物管理系，P.O.Box，2480，Koppang，挪威ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年7月8日收到收到修订版，2022年9月5日接受，2022年保留字：大尺度模拟森林动态生态系统服务森林碳a b st ra ctTreeSim是一个开源的，用户可扩展的框架，为用户提供了新的机会来建模，模拟，可视化和动画森林的动态。它提供了一个通用环境供建模者实施和评价森林增长模型。在本文中，我们介绍了我们提出的模拟器的面向对象的体系结构，并检查其性能模型和模拟森林的生长，管理和动态。模拟器使用各种模型来预测森林的动态和属性（例如，再生、增量、死亡率、生物多样性、生物量、碳、枯木）。最后，TreeSim可以集成到一个仿真优化框架中，©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v0.1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00188可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/8889864/tree合法代码许可证Apache许可证2.0使用git的代码版本控制系统软件代码语言，工具和服务使用Python，vtk，matplotlib编译要求、操作环境和依赖关系Python v3.4.x及更高版本，vtk，django，django-utils，tqdm，vtk，movie，shutil，xlrd，海运如果可用，请链接到开发人员文档/手册https://github.com/AbbasNabhani/TreeSim/tree/master/docs问题支持电子邮件forsim@inn.no1. 动机和意义森林生态系统是动态实体，其属性和特点在时间和空间上有很大差异。这些生态系统的主要组成部分，树木，可能会受到人类的影响，最常见的关键目标是木材供应。这种管理与自然干扰一起导致生态系统特征的变化树的动态缩略语：FGS，森林生长模拟器; ITS，单株树模拟器; VTK，可视化工具包;DBH，胸高直径; FMA，森林管理替代方案*通讯作者。电子邮件地址：abbas. inn.no（Abbas Nabhani）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101221再生、生长和死亡率以及管理是复杂的，要了解森林未来的发展需要模拟模型。森林生长模拟器（FGS）已被广泛应用，以支持可持续森林管理决策[2，3]，以及减缓全球变暖[4]和评估影响森林政策[5]。除了生长和物种相互作用、死亡率和再生等基本动态外，FGS还可能包括木材和非木材产品的收获、枯木分解、碳动态、生物量、水平衡以及由管理实践和/或干扰引起的生物多样性保护等在其最简单的形式中，FGS由一组模型组成，如用于向内生长、直径和高度生长以及死亡率的函数，其被实现并集成到计算机程序/工具中。2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxAbbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012212FGS可分为林分级模拟器和单株模拟器（ITS）。虽然林分水平模拟器已被广泛应用且速度快[6]，但它们受到以下事实的限制，即它们将平均树投影到管理单元（林分）中，因此忽略了林分内年龄和大小的变化。虽然这一假设可能适用于主要为木材管理的单一林分，但树木变异和粗木质残体对于生物多样性等非木材生态系统服务至关重要[7]。现行法规规定了增加林分复杂性的措施，如保留树木以支持生物多样性[8]。例如，在挪威，超过40%的生产性森林面积是尚未被砍伐的天然林[9]，因此需要相当大的林分内变化，这要求国际热带系统做出更准确的预测。[10][11][12][13][ 14 ][15][16][17][18][19][16][17 ][18 ][19][19]虽然生长和产量预测是所有这些平台和工具的核心，但它们在森林动态的结构和模拟能力方面各不相同（经验、基于过程、与距离无关的树级、与距离相关的例如，可以通过基于插补/Copula的方法[19]和基于距离的个体模型[11]来预测个体树木的生长和产量。此外，一些FGS受益于可视化技术来描述模拟结果[10，15]。为了实现比解释语言更快的模拟，ITS大多使用编译语言如C、C++、Fortran或Java（后者既进行编译又进行解释）或使用这些语言的组合来开发但是，它们需要额外的内存和时间来运行可执行文件。最近，跨平台，开源框架SiTree [16]已经使用R编程开发，其优势是R被林业科学家广泛使用。从我们的角度来看，R作为一个特定领域的语言是不健壮的，适用于大规模的仿真和三维可视化。尽管现有的森林全球系统数量很多，但大多数并不容易在各国之间进行转移，因为增长模型和国家森林清单数据通常是针对具体国家此外，大多数FGS都不是开源的。为了解决这些缺点，我们提出了一个新的FGS，TreeSim，用Python编写的解释型高级编程语言。Python [20]被称为通用语言，广泛应用于包括林业在内的多个领域，由非程序员和研究人员使用。该模拟器可用于较小的森林区域（如财产或市政当局）或同样用于较大的区域（如地区或国家），并提供所需的初始森林资源调查数据。TreeSim是一个纯Python ITS，使用面向对象的设计，其中为每个plot和tree分别定义了plot和tree的通用类的实例。通过应用模型，我们模拟地块和树木对象来模仿森林的动态，并获得复杂自然环境的连贯动态表示。与大多数其他ITS不同，这些ITS专注于模拟生长，死亡率，再生和管理，TreeSim模拟所有以下特征：高度和胸径（DBH）的生长，正在生长的股票（活树）的木材体积，枯木和收获，所有物种，以及活树生物量，枯木碳，土壤碳和生物多样性的地上和地下碳储存。至少，它模拟了挪威目前使用的一系列最常见的森林管理方法。另一个重要功能是使用可视化工具包（VTK）[21]实现模拟结果的可视化和最先进的3D计算机图形算法的实现，可视化工具包是一个开源且功能强大的图形库，具有广泛的复杂可视化算法。虽然代码是原创的，但有些想法来自[22]。TreeSim使用编程范例来生成图级表并实现管理。本文的安排如下。在第2节中，我们描述了框架的组件及其实现细节，在第3节中，我们提供了一些代码来说明框架的示例。2. 软件描述建议的模拟器是一个面向对象的模拟器，完全用Python编写。为了使代码面向函数，模拟器被分解为一组相互作用的Python模块。在TreeSim中运行模拟所需的数据集是树级数据、图级数据和气象数据。为了将数据集转换为有意义的状态并将变量存储在树和图对象中，模拟器在模拟步骤中处理和操纵数据该仿真器采用模块化和面向对象的形式设计TreeSim根据用户在Main和模拟模块中指定的一组站点索引执行模拟。这使用户能够在仿真中应用串行或并行计算。采用并行计算需要将模拟器拆分成独立的问题，这样可以最大限度地提高CPU利用率，减少模拟时间。 图 1描述了在TreeSim中应用串行和并行计算时模拟器的操作。在这里，我们提供的信息TreeSim2.1. 软件构架TreeSim包括六个核心模块（Main、simulation、Tree_Models、Plot_Models、yasso和titles_tree）和三个可视化模块（animation、graph_animator、timer_animator）。TreeSim v0.1.0的UML类图如图所示。 二、2.1.1. TreeSim核心模块TreeSim的核心模块如下：Main：该模块包括站点索引设置、场景设置、树和地块对象的初始化.模拟：该模块包含五个类：Class Data，用于在两个类中读取和存储库存数据; tree类，用于将树级数据存储到称为tree的单个对象中; plot类，用于将plot级数据存储到称为plots的单个对象中。管理处方类用于指定森林管理处方，模拟器类用于模拟基于单木生长模型的林分Tree_models：它包含所有预测所需的模型（直径增量、高度增量、死亡率、再生、管理备选方案、生物多样性、碳和生物量、枯木等）。这个模块完成所有繁重的计算。Plot_models：该模块计算地块级变量（生长量、土壤碳、断面积等）。yasso：土壤碳模型的实现yasso [23] titles_tree：它为树级输出文件animation、graph_animator和timer_animator提供了一种格式：使用VTK库创建数据可视化的过程（见图1）。第三章·······Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012213Fig. 1. 串行处理：所有模块都按顺序为每个站点索引执行。并行处理：所有模块同时执行多个站点索引。图二. TreeSim组件及其关联的UML类图。每个块表示一个类，该类是用于创建对象和标题的代码模板（输出和动画模块除外），表示类名。Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012214图三. 三维图形树绘制。带有红色树冠和红色树ID的树表示移除的树或站立的死树。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本见图4。 可视化管道架构。2.1.2. VTK简介VTK是一个广泛使用的开源、跨平台的C++库，也是一个免费的可视化软件数据[21，24，25]。VTK具有面向对象的设计，具有包括Python在内的几种解释性语言包装器。然而，VTK内部完全是用C++编写的VTK基于可视化管道，该管道将从源（生成数据或从文件读取）获得的几何数据转换为在屏幕上呈现的图像（图形数据）。VTK流水线架构可以在图中看到。4其分为两个主要阶段：可视化处理和图形处理。VTK管道的主要组件是：Source/Reader：提供从文件输入的数据或生成数据。过滤器：可以修改来自源的数据（例如，reduc- tion，merging，interpolation，etc.）映射器：数据被映射到可以由VTK渲染的对象上。这一步是从数据处理到渲染的过渡层。···Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012215=-角色：它代表场景中的一个对象（几何体加上显示属性）。在这一步中，程序员可以调整可视属性（不透明度，颜色映射，阴影等）.渲染器窗口：几何数据传输到图像数据交互器：它允许用户旋转/缩放/平移相机，选择和操纵演员等。2.2. 软件功能如上所述，TreeSim提供了一个面向对象的框架，用于模拟森林的动态。下面将详细介绍TreeSim核心模块及其代码示例。2.2.1. 模块：主模块该模块提供了模拟绘图的功能，并使用户能够生成多个场景。为了执行这些任务并模拟每个图和每个场景，importlib.reload重新加载以前导入的模块（simulation、Tree_Models和Plot_Models）。重新加载以前导入的模块的示例代码在主模块和模拟模块中处理了森林资源清查数据中没有记录树木的模拟样地（如果树木水平数据不可用）。如果在周期0（初始状态）的地块中没有树，则模拟器将在周期0的地块中自动再生一棵树以开始模拟，从而确保生长模型的功能。2.2.2. 模块：模拟仿真模块通过从位于输入文件夹中的文件加载数据输入并将它们存储在树和绘图对象中来准备数据对象。该模块使用utmTo-LatLong（）、tree_biomass（）等方法为树木和地块的初始状态构造一些新变量。该模块能够检测输入数据不足，并在地块没有树木的初始状态时生成树级数据。类Simulator的对象的实现是模拟的核心，它首先为每个情节循环，然后为每个场景循环。2.2.3. 模块：Tree_models所有基于个体的模型（如增量等）和FMA都在Tree_models模块中实现。该模块依赖于字典对象，使用类方法来存储和更新每个周期的结构化（键：值）对中的值。Tree_models模块可灵活扩展，允许高级用户添加功能并使框架适应他们的特定需求。2.2.4. 模块：Plot_modelPlot_models模块开发绘图表预测，其中包括按物种组（默认为六组）、每公顷断面积、树木数量、地上和地下生物量、土壤有机碳、枯木、碳储量和生物多样性指标划分的蓄积量。我们通过为以下每一项分配0到100之间的分数来预测FMA对生物多样性的地块级影响：物种丰富度、香农指数、枯枝落叶蓄积量、落叶大树蓄积量和每公顷大树数5个指标。接下来，我们计算这五个分数的算术平均值，以获得每个地块的生物多样性水平2.2.5. 模块：yassoTreeSim的土壤碳分解和动态基于Yasso土壤模型，并在Yasso模块中实施，以预测土壤有机碳随时间的变化[23]。2.2.6. 模块：animation、graph_animator和timer_animator为了在3D中可视化模拟输出，在以下六个步骤中使用了开源li-texture VTK。(1)将模拟树数据转换为JSON文件并导入树对象。(2)通过过滤器馈送数据（例如，几何体过滤器、变换过滤器和变换多边形数据过滤器）。(3)将数据映射到对象上进行渲染。(4)将数据打包到Cone和Cylinder Actor中。(5)演员被添加到渲染器，渲染器被添加到渲染窗口。(6)交互器被引入并连接到渲染窗口。3. 说明性实例我们创建了一个输入数据，由14个具有立地指数H40 11和H4020的样地组成，代表挪威森林（11）和高产立地（20）中最常见的生产力水平。我们使用这个数据集来演示TreeSim的功能和组件。为了加快执行时间，我们使用并行处理，同时分解和运行模拟任务。通过将模拟任务并行化，本案例研究的执行时间显著缩短。在两个不同的计算机系统上使用串行和并行处理的模拟器的总计算时间如表1所示。表1两种不同方法和计算机系统的计算时间比较。计算机信息串行处理并行处理运行模拟的示例代码TreeSim还使用户能够模拟多个管理（例如，种植、间伐、施肥、皆伐、种子树伐）。MacBook Pro，Intel Core i5 CPUat 2.9 GHz，RAM 8 GB，64-bitWindows 10（操作系统）MacBook Pro，M1 Max 10核CPU，RAM 64 GB，Mac OS3216被定义为森林管理替代方案的一块地或一组树木的不同发展阶段。默认情况下，没有管理始终是一个选项。在任何给定的FMA中，在模拟和Tree_models模块中都实现了许多标准。绘制了5个样本地块（共14个）的结果 图 5a显示了200年（40个时期）无管理的关键结果，包括样地中优势树木的平均高度（m）、每公顷树木数量（茎/公顷）、样地总断面积（m2/公顷）、总蓄积量（m3/公顷）、总活树碳···Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012216（t C/ha）、总枯木碳（t C/ha）、土壤有机碳（t C/ha）和生物多样性水平（指数）。此外，还计划开发一个具有管理功能的样地（图1）。5b，表2）。4. 影响TreeSim开发的目的是成为一个高效和灵活的FGS，可供非程序员使用，图5a. 五个样本地块的地块级模拟结果。图5b.不 同 管 理 场 景 下 的样地ID A94962的 模 拟 结 果 （场景定义请参见TreeSim工具文档）。Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012217表2图中 管理场景的 定 义 。 5b.致谢场景最小最终收获年龄收获法天然更新物种/密度薄这项工作由挪威内陆应用科学大学资助。引用[1] 森林管理如何影响生态系统服务，包括木材生产和经济回报：协同作用和权衡。17.第17章. http://dx.doi.org/10.5751/ES-05066-170450网站。[2][10]张文辉，张文辉. SIMREG，一个树级距离独立模型，从国家森林清查数据模拟森林动态和管理。202 1 年，http://dx.doi。独立或与其他模型/优化框架组合。预计将产生以下主要影响这个强大的开源工具可以很容易地扩展或修改; TreeSim提供了一个森林动态建模的框架，并提供了可供学术界，公司，政策制定者或任何受益于TreeSim开源可用性，灵活性和鲁棒性的人使用的高级可视化功能。这节省了编码和数据操作所需的时间。由于森林等自然环境的建模是非常复杂，可视化可以提供对这一复杂过程的更好理解。TreeSim包含有良好记录的模型，可以驱动森林动态，可以用其他模型替代。TreeSim利用最有效的技术，如并行计算，在可接受的时间内运行模拟TreeSim具有由多个Python模块组成的面向对象的结构，这些模块允许通过继承更容易地调试我们提出的模拟器是完全灵活的大小和数量的情节。TreeSim的一个主要优势是其输出包括各种经济和生态指标以及林分结构。TreeSim输出可以很容易地作为优化模型的输入，以找到给定木材价格和其他考虑因素的最佳管理[26，27]。此外，它还可用于林业和木材工业的森林部门模型，以分析木材市场、政策和森林管理之间的相互作用[28，29]。5. 结论本文介绍了TreeSim，一个新的FGS，有效地提供支持的森林生态系统服务的复杂性研究和可持续森林经营的决策。TreeSim开发背后的总体目标是通过代码和模型优化获得高效灵活的FGS;这是开源的，任何人都可以使用和进一步开发。该模拟器是基于面向对象的结构，并提供了一个框架，建模者实施和评估他们的模型，它还可视化和动画森林动态。我们的模拟器在开发过程中经过了广泛的测试和验证，并已应用于案例研究。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作org/10.1016/j.ecolmodel.2020.109382。[3]Crookston NL，Dixon GE. 森林植被模拟器：其结构，内容和应用的评论。计算机电子农业2005;49（1）：60-80.http://dx.doi.org/10.1016/j.compag.2005.02.003网站。[4] Seppälä J等人，《增加木材采伐和利用对木质产品和燃料所需温室气体置换 因 子 的 影响 》 。 JEnvironManag2019;247 ：580-7.http://dx.doi.org/10.1016/j的网站。jenvman.2019.06.031网站。[5]秦红，董丽，黄永.评估碳价格对森林空间采伐调度问题中碳和木材管理目标之间 权 衡 的 影 响 ： 以 中 国 东 北 地 区 为 例 。 森 林 2017;8 （ 2 ） ： 2.http://dx.doi.org/10.3390/f8020043网站。[6] Eriksson LO，Bergh J.长期森林 工具站瑞典的森 林。森林2022;13（6）：6。http://dx.doi.org/10.3390/f13060816.[7]Rosenvald R，Linghmus A，Kraut A，Remm L.半北方古老森林中的鸟类群落：食物供应、林分结构和立地类型的作用。Ecol Manag 2011;262（8）：1541-50。http://dx.doi.org/10.1016/j.foreco的网站。2011.07.002。[8]PEFC 。 挪 威 PEFCskogstandard.2022 年 ， https://pefc.no/vare-standarder/norsk-pefc-skogstandard[7月5日访问。2022年]。[9]Storaunet KO ， Rolstad J. Naturskog i norge.en arenegregning basertPestandsalder I landsskogtakseringens takstodrev fra 1990 til 2016. NIBIO;2020，[在线].可用：https://nibio.brage.unit.no/nibio-xmlui/handle/11250/2650496[访问日期：2022年7月5日]。[10]Dixon GE，Dixon GE.基本FVS：森林植被模拟器用户指南。内部报告，柯林斯堡，CO：美国农业部，林业局，森林管理服务中心; 2002年，第189页，2002年。[11]张文辉，张文辉，张文辉.的单个基于树站SILVA模拟器：构造、应用与评价Ecol Manag 2002;162（1）：3-21. http：//dx.doi.org/10.1016/S0378-1127（02）00047-6.[12] 杜福-科瓦尔斯基S，Courbaud B，Dreyfus P，Meredieu C，de Coligny F.Capsis ： 森 林 生 长 建 模 的 开 放 软 件 框 架 和 社 区 。 Ann for Sci 2012;69（2）：221-33. http://dx.doi.org/10.1007/s13595-011-0140-9.[13] Nagel J，Nagel J. TreeGrOSS：树木生长开源软件-树木生长模型组件。哥廷根。在：德国：niedersächsischen forstlichenversuchsanstalt，Abteilungwaldwachstum。2003,2003. URLhttp://treegrosssourceforge.net/treegross.pdfhttps://docplayer.org/10289037-Treegross-tree-growth-open-source-software-a-tree-growth-model-component-treegross-jar-data-generation-basic-stand-analysis-harvest.html[2022年6月12日访问]。[14][10]张文辉，张文辉，张文辉.化。在：空间分解和负载平衡的单树级森林动态模拟器，第2卷。2010年。[15]作者：Harja D.空间明确的个人为基础的森林模拟器（sexi-FS）：农业森林管理。In：CIFOR-ICRAF. 2013年，https：//www.cifor-icraf.org/knowledge/publication/ 35262/[2022年6月12日访问]。[16]Wikström P ， et al. The heureka forestry decision support system ：Anoverview. Math Comput Nat-Resour Sci MCFNS 2011;3（2）：87[17]Fagerberg N，Lohmander P，Eriksson O，Olsson J-O，Poudel BC，Bergh J.基于瑞典南部不均匀大小林分案例研究的欧洲云杉单木生长模型评估。Scand Jfor Res 2022;37（1）：45-58. http://dx.doi.org/10.1080/02827581.2022.2037700网站。[18] Antón-Fernández C ， Astrup R. Sitree ： 一 个 实 现 单 树 模 拟 器 的 框 架 .SoftwareX2022;18 ： 100925.http://dx.doi.org/10.1016/j 的 网 站 。softx.2021.100925。[19] 放大图片作者：Kristan J，Kristan M，McGarrigle E.混合种阿卡迪亚森林的基于插补/Copula的随机单株树生长模型：使用新斯科舍永久样地网络的案 例 研 究 。 对 于 Ecosyst 2017;4.http://dx.doi.org/10.1186/s40663-017-0102-2.[20]VanRossum G，Drake FL.Python参考手册。CWI; 2009年。[21]Hanwell MD ， Martin KM ， Chaudhary A ， Avila LS. 可 视 化 工 具 包（ VTK ） ： 为 现 代 图 形 卡 重 写 渲 染 代 码 。 SoftwareX 2015;1-2 ： 9- 1 - 2.http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2015.04.001网站。······2180种木采伐松木/1800没有22100种木采伐松木/1800没有23120种木采伐松木/1800没有4180种木采伐松木/1200没有42100种木采伐松木/1200没有43120种木采伐松木/1200没有131–没有一-/0没有·Abbas Nabhani和Hanne K.舍利软件X 20（2022）1012218[22]González JM ， Ulises Diéguez A. 模 拟 - forpylib 文 档 。 2022 年 ，https://forpylib.readthedocs.io/_modules/forpylib/simulation。html[2022年6月13日访问]。[23]Liski J，Palosuo T，Peltoniemi M，Sievänen R.森林土壤的碳和分解模型Yasso 。 生 态 模 型 2005;189 （ 1 ） ： 168-82 。 得 双 曲 正 切 值 .doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.03.005网站。[24]放大图片作者：John W.可视化工具包。在：一个面向对象的 方法来3D图形。2006年。[25]严瑞，郭翔，徐春.人体胃肠道的重建与可视化。Int J Biomed Sci IJBS 2012;8（1）：22[26]Raymer AK，Gobakken T，Solberg B，Hoen HF，Bergseng E.包括碳流的森林优化模型：在挪威森林中的应用。Ecol Manag 2009;258（5）：579-89。http://dx.doi.org/10.1016/j的网站。foreco.2009.04.036网站。[27]Bergseng E，Ask JA，Framstad E，Gobakken T，Solberg B，Hoen HF.北方森林长期经营中的生物多样性保护和经济性-评估保护措施的详细案例。政策 经 济 学 2012;15 ： 12-21 。 http://dx.doi.org/10.1016/j.forpol.2011.11.002 网站。[28]Sjølie HK，Latta GS，Solberg B.将回溯与森林部门预测模型相结合，为未来的生物经济提供途径。ScandJ2016;31：1-28.http://dx.doi.org/10.1080/02827581.2016.1186218网站。[29] Sjølie HK，Latta GS，Solberg B.挪威森林部门减缓气候变化的潜力和成本-政策的选择冰冷的物质？2013，https://cdnsciencepub.com/doi/abs/10.1139/cjfr-2012-0457[2022年7月5日