-
目前的抚育间伐方式可分为定性间伐和定量间伐两种。其中,定性间伐难度较大,其需要选木者掌握丰富的选木经验,且定性间伐注重单木质量,林分质量处于次要地位[1]。而定量间伐的特点是根据不同的林分结构及林龄确定保留的株数或材积,其优点是不需要像定性间伐一样要求选木者具备丰富的经验[2]。在目前的定量间伐计算方法研究中,主要是以通过确定林分最佳密度的方式来确定间伐强度,有以树高与冠幅比值为基础的定量间伐、以树高和冠幅相关为基础的定量间伐、胸径与冠幅相关为基础的定量间伐以及胸径与最大密度为基础的定量间伐等几种方式来确定林分每公顷最佳株数[3]。此外,还有以林分相对干距为基础的定量间伐以及应用林分拥挤度来确定间伐量的抚育间伐方法[4]。但这些方法都是以调节林分密度为目标,对林分空间结构的改善效果并不明显,且很少有考虑到以林分垂直空间结构为依据来改良间伐强度。而在实际的森林经营活动中,以调整林分空间结构为目的的间伐往往缺乏对间伐后林分空间结构调整结果的预估[5]。
现在较为常用的林分空间结构指标,主要包括Hegyi竞争指数、大小比数、角尺度、聚集指数、混交度等。Hegyi竞争指数、大小比数反映了林分中林木的竞争状况[6-7],角尺度、聚集指数等从水平角度描述了林木分布格局[8-11]。为了更好地反映林分垂直空间结构,吕勇等[12]在林层比的基础上改进了其模型,提出了林层指数,除保留林层比原有的特征外,增加了对林层多样性的描述。李思佳等[13]研究提出了垂直空间结构参数PVi,以分析林木在垂直方向上的竞争状况。
抚育间伐对林分的影响已经有过大量的研究,这些研究主要是基于传统森林功能评价展开的,如蓄积量,生长量,树高结构和胸径结构等[14-19]。对间伐影响下的林分空间结构研究较少。本研究以湖南黄丰桥国有林场森林经营方案为依据,对其中的间伐强度进行改进,使用计算机三维可视化模拟技术,构建真实的三维林分场景,对林分内的间伐活动以及间伐后林分空间结构调整的结果进行模拟,以期为森林经营者提供决策手段。
-
在研究区选取杉木人工纯林典型样地4块(分别命名为1、2、3、4。地位指数:18,坡向:南坡,坡度:5~10°,海拔:270~320 m)。利用全站仪测量得到杉木单木根部相对坐标(X, Y, Z),以常规外业调查方式调查胸径(DBH)、树高(H)、冠幅(CW)、活枝下高(UBH)、生长状态等,按1年时间间隔采集2012—2017年调查数据。其核心区(距边界5 m)属性分布如表1所示。
表 1 样地因子基本统计量
Table 1. Summary statistics of sample plots
样地序号
Sample plots No.面积/m2
Area株数
Stem number年龄跨度/a
Age span平均大小比数
Average neighborhood comparison平均角尺度
Average uniform angle index1 50×50 357 23~28 0.62 0.55 2 40×40 246 10~15 0.53 0.51 3 40×80 696 16~21 0.15 0.53 4 50×50 229 11~16 0.22 0.55 -
为了表达对象木与其竞争林木之间的大小差异,引用参考文献[13]李思佳研究提出的垂直空间结构参数
$A\_Pv$ 。 -
本研究中将文献[13]式中的空间结构单元数n取4,当
$A\_P{v_i}$ 越接近−1时,整个样地的平均竞争状况越好,可以适当减小间伐强度;当$A\_P{v_i}$ 越接近1时,说明样地的平均竞争状况处于劣势地位,应加大间伐强度来改善样地内的竞争状况。结合垂直空间结构参数
$A\_P{v_i}$ 和森林经营方案原定间伐强度,经过多次实验认为平均$A\_P{v_i}$ 对间伐强度的影响系数为0.1较为合理,提出考虑林分垂直结构的间伐强度指标。公式如下:$S = P + (0.1*A\_P{v_i}) $
(1) 式中:S为经过改进后的抚育间伐强度;P为森林经营方案中原定间伐强度,本研究中为27%;
$A\_P{v_i}$ 为林分平均垂直结构参数。当样地平均竞争状况良好时,$A\_P{v_i}$ 为负值,则经过调整后的间伐强度较原间伐强度更小;当样地平均竞争状况处于劣势时,$A\_P{v_i}$ 为正值,则经过调整后的间伐强度较原间伐强度更大,以期对样地的竞争状况获得更好的调整效果。 -
以黄丰桥国有林场的森林经营方案为依据,确定4块样地所在小班的间伐强度均为27%,采用机械抽样的方式选取间伐木。
通过上文提到的考虑林分垂直结构的间伐强度指标来对原有的间伐强度进行改善,对样地进行模拟间伐,并与采用27%强度间伐的样地进行对比。
-
为了检验考虑林分垂直结构的间伐强度与原定间伐强度相比对林分空间结构的改善情况,本研究从林分空间分布格局和林木个体大小差异两个方面来描述林分空间结构,选取了大小比数和角尺度作为表达林分空间结构的参数。
-
基于Unity3D引擎实现间伐影响下的林分生长动态可视化模拟。主要采用了高亮显示技术、公告板技术、对空间结构单元中树木的信息、距离等进行可视化模拟,能更直观的表达林木的生存空间。采用Unity中最新的UI系统UGUI对林分中大小比数、角尺度、垂直结构参数
$A\_P{v_i}$ 进行可视化显示,采用读取间伐表的方式对样地进行模拟间伐。 -
使用系统的林分加载功能将样地调查表导入到可视化系统中,通过样地调查表中的树高、胸径、冠幅、枝下高数据,模拟样地真实三维场景。通过读取间伐表的方式模拟采伐,再运行林分结构分析功能,可以直接显示样地的大小比数和角尺度的分布频率,平均大小比数和平均角尺度,以及平均垂直空间结构参数
$A\_Pv$ ,如图1所示(以3号样地为例,下同)。 -
根据黄丰桥国有林场森林经营方案,对样地进行间伐强度为27%的定量间伐,采用机械抽样的方法选取间伐木,采用系统读取间伐表的方式进行模拟间伐。系统运行后的样地情况和各空间结构参数如图2所示。具体间伐后结果见表2:
图 2 3号样地27%强度间伐后三维虚拟场景模拟
Figure 2. 3rd sample plot after 27% intensity thinning 3D virtual scene simulation
表 2 27%间伐强度间伐后样地空间结构参数统计
Table 2. Statistical analysis of spatial structure parameters of 27% thinning intensity after thinning
样地号
Sample
plots No.平均角尺度
Average uniform
angle index平均大小比数
Average neighborhood
comparison平均A_Pv
Average A_Pv1 0.53 0.83 0.46 2 0.50 0.86 0.46 3 0.53 0.49 −0.19 4 0.54 0.76 0.40 可以看到,经过27%间伐强度间伐后的样地,与间伐前样地相比,4块样地的平均
$A\_Pv$ 均出现了较大幅度的增长,样地内单株木与其4棵相邻木的竞争依然处于不平衡的状态;平均角尺度变化不大,依旧维持在0.5左右,处于随机分布状态;在平均大小比数方面,4块样地的平均大小比数与间伐前相比,都出现了较大幅度的上升,说明单株木在与其最近4株相邻木的竞争中普遍处于优势地位。根据4块样地在间伐前的垂直结构参数A_Pv对原有的间伐强度进行改进,根据(4)式可以计算出改进后的间伐强度及间伐株数,具体结果如表3:
表 3 样地间伐量计算
Table 3. Amount of thinning caculation of sample plots
样地号
Sample
plots No.平均A_Pv
Average
A_Pv间伐强度/%
Thinning
intensity间伐前株数
Number of trees
before thinning间伐后株数
Number of trees
after thinning1 0.17 28.7 357 255 2 0.06 27.6 246 178 3 0.20 29 696 494 4 −0.30 24 229 174 根据表3的间伐强度及间伐株数计算结果,使用林分三维场景可视化模拟系统对4块样地进行模拟间伐,可以得到经过考虑林分垂直结构的间伐强度间伐后的林分三维场景,运行林分结构分析功能,可以得到经过考虑林分垂直结构的间伐强度间伐后的样地内的大小比数、角尺度以及垂直空间结构参数
$A\_Pv$ (图3),具体间伐后结果如表4:图 3 3号样地改进间伐强度间伐后三维虚拟场景模拟
Figure 3. 3rd sample plot after improved intensity thinng 3D virtual scene simulation
表 4 间伐后样地空间结构参数统计
Table 4. Statistical analysis of spatial structure parameters of plots after thinning
样地号
Sample
plots No.平均角尺度
Average uniform
angle index平均大小比数
Average
neighborhood
comparison平均A_Pv
Average
A_Pv1 0.53 0.28 −0.24 2 0.50 0.51 0 3 0.52 0.71 −0.04 4 0.53 0.46 0.04 可以看出,经过考虑林分垂直结构的间伐强度间伐后4块样地与采用27%间伐强度间伐后的样地相比,平均
$A\_Pv$ 更加趋近于0,其中2、3和4号样地更加明显,说明这3块样地的单株木与其最近4棵相邻木的竞争中整体上处于均势;4块样地的平均角尺度与间伐前的样地和经过27%间伐强度间伐后的样地相比,均无明显变化,整体均维持在0.5左右,属于随机分布;4块样地中,除了3号样地外,平均大小比数均出现了较大幅度的减少。
基于林分垂直空间结构特征的杉木人工林抚育间伐可视化模拟研究
Visual Simulation of Thinning of Chinese Fir Based on Stand Spatial Vertical Structure Characteristics
-
摘要:
目的 针对抚育间伐目前存在较少利用垂直空间结构参数的问题,以林分三维可视化模拟系统为基础,加入森林结构功能模块,研究一种以林分垂直空间结构参数A_Pvi为依据,对森林经营方案原定的抚育强度进行改进的方法。 方法 利用林分三维场景可视化模拟系统中的森林结构功能模块,通过读取杉木样地调查表中的每木数据,在虚拟场景中模拟样地的真实情况,分析样地的各空间结构参数。 结果 经过考虑林分垂直结构的间伐强度间伐后的4块样地与原定间伐强度相比,平均A_Pvi更加趋近于0,样地内林木竞争状况更加均匀,1号样地的平均A_Pvi由0.46降到了−0.24,2号样地由0.46降为0,3号样地由−0.19提升到了−0.04,4号样地由0.40降到了0.04;平均角尺度无大幅度变化,4块样地都呈随机分布状态;4块样地中,除了3号样地外,平均大小比数均出现了较大幅度的减少。 结论 考虑林分垂直结构的间伐强度与原林场森林经营方案既定的间伐强度相比,改善了林分的竞争状况,使林分内的竞争状况趋近均势。林分三维场景可视化模拟系统可以精确模拟采用不同间伐强度进行间伐后的林分拟真场景及其空间结构变化情况。 Abstract:Objective To add stand vertical spatial structure as a parameter into forest structure module of three-dimensional visualization simulation system to make better use of vertical structure as a parameter in thinning. Method Using the forest structure function module in the forest three-dimensional scene visualization simulation system, by reading the data of individual trees in Chinese fir sample plot survey table, a kind of vertical space structure parameter $A\_P{v_i}$ was introduced, the real situation of the plot was simulated in the virtual scene to analyze the spatial structure parameters of the plot.Result The average $A\_P{v_i}$ was closer to 0 than the original thinning intensity after considering the thinning intensity of the vertical structure of the stand. The competition in the plot was more uniform. The average$A\_P{v_i}$ of plot 1 decreased from 0.46 to −0.24, the average$A\_P{v_i}$ of plot 2 decreased from 0.46 to 0, the average$A\_P{v_i}$ of plot 3 increased from −0.19 to −0.04, and the average$A\_P{v_i}$ of plot 4 decreased from 0.40 to 0.04. No significant change was observed for the average angular scale, and all the four plots were randomly distributed. Among the four plots, the average size ratio decreased significantly except for the plot 3.Conclusion The thinning intensity taking stand vertical structure into consideration can better improve the competition status of the stand compared with the established thinning intensity specified by the forest management plan, and make the competition within the stand approaching to balance. The forest three-dimensional scene visualization simulation system can accurately simulate the forest-like immersive scenes and their spatial structure changes after thinning with different thinning intensities. -
Key words:
- thinning
- / spatial structure
- / visual simulation
-
表 1 样地因子基本统计量
Table 1. Summary statistics of sample plots
样地序号
Sample plots No.面积/m2
Area株数
Stem number年龄跨度/a
Age span平均大小比数
Average neighborhood comparison平均角尺度
Average uniform angle index1 50×50 357 23~28 0.62 0.55 2 40×40 246 10~15 0.53 0.51 3 40×80 696 16~21 0.15 0.53 4 50×50 229 11~16 0.22 0.55 表 2 27%间伐强度间伐后样地空间结构参数统计
Table 2. Statistical analysis of spatial structure parameters of 27% thinning intensity after thinning
样地号
Sample
plots No.平均角尺度
Average uniform
angle index平均大小比数
Average neighborhood
comparison平均A_Pv
Average A_Pv1 0.53 0.83 0.46 2 0.50 0.86 0.46 3 0.53 0.49 −0.19 4 0.54 0.76 0.40 表 3 样地间伐量计算
Table 3. Amount of thinning caculation of sample plots
样地号
Sample
plots No.平均A_Pv
Average
A_Pv间伐强度/%
Thinning
intensity间伐前株数
Number of trees
before thinning间伐后株数
Number of trees
after thinning1 0.17 28.7 357 255 2 0.06 27.6 246 178 3 0.20 29 696 494 4 −0.30 24 229 174 表 4 间伐后样地空间结构参数统计
Table 4. Statistical analysis of spatial structure parameters of plots after thinning
样地号
Sample
plots No.平均角尺度
Average uniform
angle index平均大小比数
Average
neighborhood
comparison平均A_Pv
Average
A_Pv1 0.53 0.28 −0.24 2 0.50 0.51 0 3 0.52 0.71 −0.04 4 0.53 0.46 0.04 -
[1] 田镐锡, 孙家元. 抚育间伐方式的研究[J]. 林业资源管理, 1983,(1):10-13. [2] 张 鹏. 不同间伐强度杉木人工林林分结构及生长分析[D].北京; 北京林业大学, 2015. [3] 刘 荣. 间伐抚育对刺槐人工林林分结构和林分健康的影响[D].西安: 西北农林科技大学, 2016. [4] 惠刚盈, 张连金, 胡艳波, 等. 林分拥挤度及其应用[J]. 北京林业大学学报, 2016, 38(10):1-6. [5] 邓 强. 林分结构分析与调整可视化模拟技术[D].长沙: 中南林业科技大学, 2016. [6] 张晔珵, 张怀清, 陈永富, 等. 基于树冠因子的林木竞争指数研究[J]. 林业科学研究, 2016, 29(1):80-84. doi: 10.3969/j.issn.1001-1498.2016.01.012 [7] 惠刚盈, Klaus von Gadow, Matthias Albert. 一个新的林分空间结构参数——大小比数[J]. 林业科学研究, 1999, 12(1):4-9. [8] 惠刚盈, K.v.Gadow, 胡艳波, 等. 林木分布格局类型的角尺度均值分析方法[J]. 生态学报, 2004, 24(6):1225-1229. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2004.06.020 [9] 惠刚盈, K.v.Gadow, 胡艳波. 林分空间结构参数角尺度的标准角选择[J]. 林业科学研究, 2004, 17(6):687-692. doi: 10.3321/j.issn:1001-1498.2004.06.001 [10] 惠刚盈. 角尺度—一个描述林木个体分布格局的结构参数[J]. 林业科学, 1999, 35(1):39-44. [11] Corral-Rivas J J, Wehenkel C, Castellanos-Bocazh A,<italic> et al</italic>. A permutation test of spatial randomness: applicationto nearest neighbour indices in forest stands[J]. Journal of Forest Research, 2010, 15(4): 218-225. [12] 吕 勇, 臧 颢, 万献军, 等. 基于林层指数的青椆混交林林层结构研究[J]. 林业资源管理, 2012,(3):81-84. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2012.03.018 [13] 李思佳, 张怀清, 李永亮, 等. 基于样本库的杉木林分生长动态可视化模拟[J]. 林业科学研究, 2019, 32(1):21-30. [14] 雷相东, 陆元昌, 张会儒, 等. 抚育间伐对落叶松云冷杉混交林的影响[J]. 林业科学, 2005, 41(4):78-85. doi: 10.3321/j.issn:1001-7488.2005.04.014 [15] 胡云云, 闵志强, 高 延, 等. 择伐对天然云冷杉林林分生长和结构的影响[J]. 林业科学, 2011, 47(2):15-24. doi: 10.11707/j.1001-7488.20110203 [16] 刘 文, 王敏增, 兰 欣, 等. 抚育间伐强度对侧柏林及林下植被生长的影响[J]. 东北林业大学学报, 2016, 44(7):4-7,18. doi: 10.3969/j.issn.1000-5382.2016.07.002 [17] Kendra A M,John A C. Mechanical blossom thinning of apples and influence on yield,fruit quality and spur leaf area[J]. Canadian Journal of Plant Science, 2015, 95(5): 887-896. doi: 10.4141/cjps-2014-421 [18] Flathers K, Kolb T, Bradford J,<italic> et al</italic>. Long-term thinning alters ponderosa pine reproduction in northern Arizona[J]. Forest Ecology and Management, 2016, 37(4): 154-165. [19] 冉 然, 张文辉, 何景峰, 等. 间伐强度对秦岭南坡栓皮栎天然林种群更新的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(3):695-701.