Cổng Thông tin điện tử Bình Phước giới thiệu đến bạn đọc bài viết về phát triển ứng dụng này của Tiến sĩ Trần Quốc Hoàn (Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Bình Phước) và Phó Giáo sư, Tiến sĩ Trần Quang Bảo (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn).
ƯU ĐIỂM CỦA ỨNG DỤNG
Trong nghiên cứu cũng như thực tiễn sản xuất lâm nghiệp, việc mô hình hóa cấu trúc và sinh trưởng của rừng trồng theo thời gian luôn được xem là nhiệm vụ trọng tâm của ngành. Để minh họa trực quan, sinh động cấu trúc của rừng ở thời điểm hiện tại cũng như động thái sinh trưởng của rừng theo thời gian ở dạng không gian ba chiều, trắc diện đứng và trắc diện ngang luôn là điều mong muốn của các nhà lâm học. Tuy nhiên, theo phương pháp vẽ trực tiếp trên giấy sẽ tốn nhiều thời gian, công sức và kinh phí. Do đó, nội dung này thường không được thực hiện trong các nghiên cứu cũng như trong thực tiễn sản xuất.
Mặt khác, các chỉ tiêu sinh trưởng của rừng luôn có mối quan hệ mật thiết với chính đặc điểm cấu trúc của lô rừng đó và các yếu tố môi trường khác, là mối quan hệ tác động qua lại của nhiều yếu tố, nhưng theo những quy luật lâm học nhất định. Vì vậy, việc xây dựng được những mô hình sinh trưởng của rừng trồng bằng những phương trình toán học thường được thực hiện bởi những nhà lâm học có kinh nghiệm với những phần mềm thống kê chuyên dụng. Còn trong thực tiễn, việc xây dựng những phương trình toán học này chưa được vận dụng rộng rãi.
Ứng dụng mô hình hóa cấu trúc và sinh trưởng rừng trồng được phát triển với hy vọng góp phần khắc phục những hạn chế nêu trên và có những mục tiêu cụ thể, đó là: Đọc và nhận biết được các biến số là các trường dữ liệu đầu vào; xây dựng được các mô hình cấu trúc rừng ở dạng không gian ba chiều biến động theo thời gian; vẽ được trắc diện đứng, trắc diện ngang của rừng; vẽ được đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa các chỉ tiêu sinh trưởng với thời gian; tính được độ che phủ, tỷ lệ khép tán theo thời gian sinh trưởng; xây dựng được các phương trình hồi quy về sinh trưởng của rừng trồng một cách thuận lợi; xuất kết quả đầu ra ở dạng Excel, Word.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: PHƯƠNG PHÁP LUẬN
Sinh trưởng của rừng là một quá trình biến thiên liên tục, nhiệm vụ của các nhà lâm học là phải mô hình hóa được thực trạng và diễn biến của quá trình sinh trưởng đó, để có các biện pháp kỹ thuật điều tiết sinh trưởng của rừng nhằm đạt được kết quả mong muốn. Diễn biến này, nếu được minh họa bằng hình ảnh một các trực quan, sinh động, kịp thời, chính xác thì sẽ rất hữu ích và thuận lợi cho các nhà lâm học. Để đáp ứng được yêu cầu trên, từ những số liệu cấu trúc, sinh trưởng của lô rừng ở thời điểm hiện tại cũng như theo thời gian cần được mô hình hóa thành hình ảnh bằng các thuật toán đồ họa trong máy tính.
Các yếu tố cấu trúc rừng và điều kiện nơi sinh trưởng không những tác động trực tiếp đến sinh trưởng của rừng trồng mà giữa chúng còn tác động qua lại lẫn nhau và đồng thời tác động tổng hợp đến sinh trưởng của rừng trồng. Những tác động đó chính là những mối quan hệ giữa sinh trưởng của rừng trồng với một hoặc nhiều yếu tố cấu trúc rừng và điều kiện nơi sinh trưởng. Vì vậy, khi mô hình hóa quan hệ giữa sinh trưởng của rừng trồng với các yếu đó cần được mô hình hóa theo hai góc độ: Quan hệ trực tiếp và quan hệ tổng hợp bằng những phương trình hồi quy một biến và nhiều biến.
Trong thực tiễn, sinh trưởng của rừng trồng luôn chịu tác động tổng hợp của tất cả các yếu tố nội tại cũng như ngoại cảnh. Mối quan hệ giữa sinh trưởng của rừng trồng với tất cả những yếu tố đó được minh họa bằng một hàm sinh trưởng. Nhưng việc xây dựng hàm sinh trưởng này là rất khó vì nó quá phức tạp. Do đó, người ta thường chỉ minh họa sinh trưởng của rừng trồng với một số yếu tố nào đó có ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng của rừng trồng bằng những phương trình toán học. Những phương trình toán học này được gọi là những mô hình sinh trưởng của rừng trồng. Việc xây dựng những mô hình toán học này sẽ thuận lợi, nhanh chóng, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tiễn sản xuất bằng phương pháp lập trình xây dựng các phương trình hồi quy trong máy tính.
Để việc mô hình hóa cấu trúc rừng thành hình ảnh và xây dựng các mô hình toán học về sinh trưởng của rừng trồng được ứng dụng rộng rải, thì những chương trình máy tính nêu trên cần được thiết kế trực quan, thân thiện, có tính tự động hóa cao và được đóng gói thành ứng dụng để cài đặt trực tiếp lên những máy tính cá nhân khác.
CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
Xây dựng cơ sở dữ liệu giả định: Trên cơ sở phân tích số liệu điều tra sinh trưởng của một số loại rừng trồng phổ biến trên địa bàn tỉnh Bình Phước, tiến hành thiết lập cơ sở dữ liệu giả định về sinh trưởng cho một lô rừng theo thời gian. Những thông số có trong cơ sở dữ liệu này là tuổi cây, đường kính thân, đường kính tán, chiều cao vút ngọn, chiều cao tán, độ tàn che, thực bì, mật độ, cự ly cây, cụ ly hàng, chiều rộng, chiều dài ô tiêu chuẩn, tọa độ ô tiêu chuẩn, chỉ số hình, sinh khối, trữ lượng...
Xây dựng quy trình phát triển ứng dụng: Ứng dụng được phát triển tuần tự theo dạng xoắn ốc, gồm các nội dung:
Xây dựng ý tưởng về: Tự động đồ họa cấu trúc rừng ở thời điểm hiện tại và diễn biến theo thời gian. Tự động đọc, nhận biết các biến số là những tên trường dữ liệu đầu vào. Linh hoạt biến đổi các biến số bằng hàm logarit, hàm mũ theo phương thức thức tự chọn cơ số, số mũ. Xây dựng các phương trình hồi quy từ những biến số mà ứng dụng đã đọc được theo phương thức linh hoạt lựa chọn các biến phụ thuộc và biến độc lập trong các phương trình hồi quy. Kết quả đầu ra hình ảnh cấu trúc rừng là những ma trận của các hệ phương trình, những phương trình hồi quy và những hệ số tương quan.
Thảo luận với các chuyên gia lâm học về ý tưởng của ứng dụng, hoàn chỉnh ý tưởng và phác thảo ý tưởng thành sơ đồ chức năng của ứng dụng.
Thiết kế các module chức năng: Các module được thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. Lập trình xử lý dữ liệu trong các module phải có tính tự động hóa cao để đáp ứng yêu cầu thiết kế form đơn giản. Trong lập trình độ họa, phải được xây dựng theo hướng liên kết tổng thể, khi một chi tiết thay đổi thì tổng thể đồ họa đó cũng thay đổi theo. Lập trình xây dựng hàm hồi quy dựa theo các thuật toán khởi tạo, biến đổi các ma trận, giải các hệ phương trình để tìm ra các hệ số của phương trình hồi quy.
Kết nối các module chức năng: Các module chức năng được kết nối với nhau theo sơ đồ tổng thể để tạo nên ứng dụng.
Chạy thử nghiệm, đánh giá, đóng gói, cài đặt: Chạy thử nghiệm ứng dụng, phát hiện và điều chỉnh lại ứng dụng cho đến khi đạt mục tiêu đề ra; tạo file “.exe” cho phần mềm và cài đặt độc lập trên các máy tính cá nhân khác.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Xây dựng ý tưởng và sơ lược chức năng của ứng dụng
Ý tưởng để phát triển Ứng dụng mô hình hóa cấu trúc và sinh trưởng rừng trồng được minh họa như ở Hình 01, trong đó: Dữ liệu sinh trưởng rừng trồng ở dạng Excel hoặc Access là những định dạng dữ liệu phổ biến hiện nay. Microsoft Visual C# (C#) dễ dàng đọc được biến (tên trường dữ liệu) của những loại dữ liệu này để khai thác, sử dụng. C# có hệ thống hàm đồ họa khá phong phú, cho phép vẽ nên cấu trúc rừng trồng, đồ thị sinh trưởng rừng trồng theo tuổi ở mặt phẳng cũng như dạng không gian ba chiều. Với hệ thống hàm toán học và cấu trúc lập trình phong phú nên C# có thể biến đổi các dạng biến, thiết lập các hệ phương trình, các ma trận và xây dựng các phương trình hồi quy một cách thuận lợi. Như vậy, ý tưởng này được xuất phát từ thực tiễn nghiên cứu và sản xuất lâm nghiệp, ứng dụng thuật toán có căn cứ khoa học, sử dụng ngôn ngữ C# để chuyển ý tưởng này thành các chương trình máy tính là hoàn toàn khả thi.
Từ kết quả phân tích ý tưởng, sơ đồ tổng thể chức năng của Ứng dụng mô hình hóa cấu trúc và sinh trưởng rừng trồng được xây dựng và minh họa như ở Hình 02. Ứng dụng có 8 module chức năng, được xếp thành 3 nhóm. Trong đó, nhóm mô hình hóa rừng trồng có 3 module mô hình hóa cấu trúc rừng ở dạng đồ họa và 1 module mô hình hóa rừng trồng ở dạng phương trình hồi quy.
Cơ sở dữ liệu và chức năng ứng dụng
Cơ sở dữ liệu: Cơ sở dữ liệu giả định về sinh trưởng của một ô tiêu chuẩn đại diện cho một lô rừng trồng theo tuổi được minh họa ở Hình 03, trong đó có: Các thông số về cấu trúc cơ bản như chiều rộng, chiều dài ô tiêu chuẩn, hàng cách hàng, cây cách cây với đơn vị tính là m; các thông số sinh trưởng rừng trồng như chiều cao vút ngọn, chiều cao dưới cành, chiều cao tán, đường kính tán với đơn vị tính là m, đường kính thân cây với đơn vị tính là cm, độ tán che đơn vị tính 1/10, độ che phủ của thực bì với đơn vị tính %.
Chức năng của ứng dụng: Những chức năng cơ bản của ứng dụng này, gồm:
Xây dựng mô hình không gian 3 chiều về cấu trúc rừng trồng: Từ những thông số về kích thước và tọa độ ô tiêu chuẩn, cụ ly hàng, cự ly cây, đường kính tán, chiều cao dưới cành, chiều cao vút ngọn, chiều cao tán theo tuổi trong cơ sở dữ liệu sinh trưởng rừng trồng, chương trình sẽ tự động xây dựng mô hình không gian 3 chiều về cấu trúc rừng trồng diễn biến theo tuổi, được minh họa ở Hình 04.
Vẽ trắc diện ngang của rừng trồng diễn biến theo tuổi: Từ những thông số về kích thước ô tiêu chuẩn, cụ ly hàng, cụ ly cây, đường kính tán theo tuổi, chương trình sẽ vẽ ra trắc diện ngang của lô rừng, đồng thời tính toán độ che phủ, thời điểm khép tán, tỷ lệ khép tán như ở Hình 05.
Vẽ trắc diện đứng của rừng trồng diễn biến theo tuổi: Cũng từ những thông số về sinh trưởng, cấu trúc của rừng trồng theo tuổi như đã trình bày ở những nội dung trên, chương trình sẽ vẽ ra ra trắc diện đứng và đồ thị các chỉ tiêu sinh trưởng của rừng theo thời gian như Hình 06.
Thiết lập phương trình hồi quy đơn biến dạng y = a+bx:
Cơ sở dữ liệu về sinh trưởng rừng trồng theo tuổi được nhập vào, chương trình sẽ tự động đọc, nhận biết và xuất danh mục tên của các trường dữ liệu. Tên trường dữ liệu chính là các biến để lựa chọn xây dựng các phương trình hồi quy. Từ danh mục biến, chọn biến phụ thuộc (biến y) và chọn biến độc lập (biến x). Để lựa chọn được phương trình phản ánh tốt hơn mối quan hệ giữa các yếu tố (các biến) thì tiến hành biến đổi biến phụ thuộc (x) về dạng logarit hoặc dạng mũ với cơ số và số mũ tùy chọn. Kết quả xây dựng phương trình hồi quy đơn biến dạng y = a + bx được minh họa ở Hình 07.
Thiết lập phương trình hồi quy đơn biến dạng y = b0+b1x1+ b2x2+...+bnxn:
Tương tự như đối với phương trình hồi quy dạng y = a + bx. Chương trình cho phép tùy chọn các biến phụ thuộc (y), tùy chọn và biến đổi và các biến độc lập (xi). Sau khi đã chọn xong các biến và dạng biến, chương trình sẽ xây dựng phương trình hồi quy dạng y = b0+b1x1+ b2x2+...+bnxn. Kết quả xây dựng phương trình hồi quy đa biến được minh họa ở Hình 08, trong đó thông báo rõ biến phụ thuộc, biến độc lập, những thông số thống kê cơ bản của các biến, các ma trận, quá trình biến đổi ma trận, giá trị hệ số phương trình và phương trình hồi quy đa biến.
KẾT LUẬN
Ứng dụng đã mô hình hóa được cấu trúc của rừng trồng diễn biến theo thời gian ở dạng không gia ba chiều, trắc diện ngang và trắc diện dọc.
Ứng dụng đã linh hoạt nhận diện biến (tên trường dữ liệu), biến đổi biến theo hàm logarit và hàm mũ.
Ứng dụng đã linh hoạt lựa chọn biến phụ thuộc, biến độc lập và xây dựng được các phương trình hồi quy đơn biến, đa biến về sinh trưởng của rừng trồng./.
