In this paper, we present a new framework for realistic modeling of forest ecosystems, which involves intraspecific and interspecific competition among the species. Interspecific competition is highly dependent on ecological features. Even living in same condition each species grows differently because they have their own ecological features and react differently. We consider not only the soil condition but also the main factors that affect to individual growth such as light condition and altitude. We also consider the ecological features of each species such as relative growth rate, soil nutrition preference, shade-tolerance, altitude range and allelopathy effect to express both intraspecific and interspecific competition. The discrete simulation methods proposed in this work help to simulate realistic forest ecosystems for computer graphics.
본 논문은 게임, 영화 및 애니메이션의 배경으로 쓰이는 3D 가상 숲을 종내 경쟁뿐 아니라 종간경쟁을 포함하여 사실적으로 모델링 하는 방법을 제안한다. 3D 가상 숲을 생성하는 기존 연구들은 오직 토양의 조건만을 고려하고 종내 경쟁만을 표현하여 시뮬레이션 하는 방식으로 진행되어 왔다. 하지만 실제 자연에 존재하는 숲에서는 같은 종끼리의 경쟁인 종내 경쟁뿐만 아니라 다른 종끼리 종간경쟁이 이루어져 서로 다른 종들이 그들이 생존할 수 있고 경쟁에서 이길 수 있는 환경에 군락을 이루게 된다. 따라서 본 연구에서는 종내 경쟁과 종간 경쟁을 모두 표현해 조금 더 사실적인 숲을 생성하는 모델링 방법을 제시한다.
실제 자연의 숲에서는 같은 환경조건이라 할지라도 각 종들은 그들 고유의 생태학적 특징으로 인해 성장속도가 달라지고 그로 인해 유리한 환경조건을 가진 종이 경쟁에서 이기는 형태를 보인다. 본 연구에서는 토양의 조건뿐 아니라 빛과 고도의 조건을 모두 고려하여 다양한 환경조건에서의 종간경쟁을 표현할 수 있도록 하였다. 특히 빛의 조건의 경우에는 각 나무 개체들이 자라면서 빛을 가리고 그림자를 만들어 다른 나무의 성장을 방해하게 되는 요소를 매 시뮬레이션 사이클 마다 고려하였다. 또한 각 나무 종마다 상대생장률, 최소 광량에 따른 내음성, 토양의 비옥도, 고도, 타감 작용을 고려하여 각 환경조건에서의 우세 종을 가려내어 종내 경쟁뿐만 아니라 종간 경쟁을 표현하였다.
본 연구가 제안하는 방식을 통하여 각각의 다른 종들이 유리한 환경에서 군락을 이루는 형태의 사실적인 숲을 빠르고 쉽게 만들어 낼 수 있다. 본 연구에서는 세 가지 대표수종인 소나무, 참나무, 아까시나무를 사용하여 숲을 생성하였다 실험 결과, 내음성이 약한 소나무의 경우 토양은 척박하나 빛이 많은 조건에서 참나무와 아까시나무를 이기고 군락을 형성하고, 반대로 내음성이 강한 참나무의 경우 토양은 비옥하나 빛이 적은 조건에서 소나무와 아까시나무를 이기고 군락을 형성하는 실제 자연에서 이루어지는 종간경쟁이 이루어진 숲을 표현할 수 있었다.
본연구가 제안하는 방식은 천연림에서 이루어지는 종내 경쟁과 종간 경쟁을 표현하는 방식으로서 사람이 관리하는 인공림의 형태를 표현할 수 없는 한계점이 있다. 사람이 관리하여 원하는 형태의 숲을 만들 수 있는 방식을 개발하여 사용자가 직접 원하는 방식의 숲을 자연스럽게 형성할 수 있는 형태로 발전시키는 것도 향후에 연구해 볼 가치가 있다. 또한 식물들의 유기작용으로 인하여 토양의 조건이 시간이 흐름에 따라 변화하는 모습을 적용시킨다면 조금 더 사실적인 모습의 숲을 기대할 수 있을 것이다.
