畢陳權(quán),石振情,夏凡,蔡正國(guó),吳開(kāi)毅,陳舟,李茂源

(1.貴州省林業(yè)學(xué)校，貴州 貴陽(yáng) 550201，2.貴州科測(cè)信息技術(shù)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081

森林是以木本植物為主體的生物群落，包括喬木林、竹林和國(guó)家特別規(guī)定灌木林地，森林屬于可再生性資源，可防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源，受到自身生長(zhǎng)規(guī)律、環(huán)境因素與人為因素等多方面的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)森林資源總量不足、質(zhì)量效益不高、生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)功能脆弱等問(wèn)題十分突出，珍稀樹(shù)種和大徑級(jí)材短缺、木材消耗快速增長(zhǎng)，木材進(jìn)口限制與日俱增，建立國(guó)家儲(chǔ)備林制度勢(shì)在必行。2017年，中央一號(hào)文件首次明確指出要加強(qiáng)國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)，說(shuō)明中央把國(guó)家儲(chǔ)備林基地建設(shè)上升到了國(guó)家木材安全戰(zhàn)略的重要地位[1]。在森林資源調(diào)查中，樣木位置圖是樣木因子調(diào)查的重要成果之一，不僅針對(duì)樣地內(nèi)每株樣木的位置進(jìn)行標(biāo)示，也為樣地和樣木復(fù)位提供重要依據(jù)[2]。

在貴州省播州區(qū)國(guó)家儲(chǔ)備林項(xiàng)目固定樣地監(jiān)測(cè)的森林資源調(diào)查中，共得到10個(gè)固定圓形樣地的調(diào)查結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)軟件Excel 2013和ArcGIS 10.2進(jìn)行樣木位置的數(shù)據(jù)管理與樣木位置圖的繪制，實(shí)現(xiàn)間伐前后樣木位置圖的計(jì)算機(jī)可視化，提高了樣木調(diào)查的效率與定位的精度。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)概況

播州區(qū)位于貴州省北部的遵義市，經(jīng)度106°17′22″～107°26′25″E，緯度27°13′15″～ 28°04′09″N，東接湄潭、甕安，南鄰息烽、開(kāi)陽(yáng)，西連仁懷、金沙，北鄰紅花崗區(qū)、匯川區(qū)。全區(qū)面積為2487.63 km2，轄5街道17個(gè)鎮(zhèn)2個(gè)民族鄉(xiāng)。播州區(qū)地處大婁山山脈南側(cè)，屬黔中丘陵和黔北山地過(guò)渡地帶。該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)性溫潤(rùn)氣候，年平均氣溫為14.9 ℃，降雨量為1035.7 mm，冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑。

2 監(jiān)測(cè)樣地與樣木調(diào)查相關(guān)技術(shù)規(guī)定

森林資源清查是獲取森林資源信息和進(jìn)行林業(yè)各種分析決策的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)工作，在一定時(shí)期內(nèi)能夠分析森林變化的規(guī)律及趨勢(shì)、評(píng)價(jià)森林經(jīng)營(yíng)的成效[3-4]。樣木位置圖能夠反映調(diào)查樣地林木的空間分布情況，在森林資源調(diào)查中，常采用手持GPS、全站儀、羅盤(pán)儀等儀器進(jìn)行觀測(cè)，既能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性，也能防止固定樣地復(fù)位較難、固定樣木測(cè)定精度不高等問(wèn)題出現(xiàn)。

2.1 圓形樣地布設(shè)

固定樣地的選擇以實(shí)測(cè)調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，需在掌握樣地所在小班整體林分概況后選擇具有代表性的樣地。固定樣地形狀為圓形，半徑為14.57 m，面積為666.7 m2。調(diào)查結(jié)束后在圓形樣地圓心處埋設(shè)金屬管，在圓心處利用鐵鋤挖十字狀，并噴灑油漆標(biāo)記圓心，露出地面長(zhǎng)度應(yīng)小于10 cm。

2.2 樣木調(diào)查要求

用圍尺在喬木胸高1.3 m處(利用標(biāo)準(zhǔn)的1.3 m桿)測(cè)量其胸徑，用油漆圍繞樹(shù)干一周標(biāo)記胸高測(cè)量點(diǎn)，在胸高點(diǎn)上方標(biāo)記樣木編號(hào)并將鋁牌釘在樹(shù)根處標(biāo)記永久樹(shù)木編號(hào)。樣地記錄表內(nèi)容有鄉(xiāng)鎮(zhèn)村名、小班號(hào)、中心點(diǎn)X和Y坐標(biāo)、樣木編號(hào)、樹(shù)種、方位角(°)、水平距(m)、胸徑(cm)、樹(shù)高(m)、生長(zhǎng)狀況、是否采伐(√/×)等基本信息[5]。

2.3 外業(yè)調(diào)查所需工具及儀器

圍尺、油漆、皮尺、測(cè)高桿、1.3標(biāo)準(zhǔn)桿、記錄板、記錄紙、油性筆、外業(yè)砍刀、鐵鋤、鐵錘、鋁片、數(shù)字字釘、洋釘、平板計(jì)算機(jī)(用于記錄中心點(diǎn)位置、拍攝工作照及林地情況照片)。

本次一共調(diào)查到10個(gè)樣地點(diǎn)，調(diào)查樣木共計(jì)1063株，研究中抽取其中一個(gè)樣地點(diǎn)(1號(hào)樣地)作為本文的研究對(duì)象，立地類(lèi)型為喬木林地，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為杉木，土壤類(lèi)型為黃壤。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 Voronoi圖原理

泰森多邊形又稱(chēng)馮洛諾依圖(Voronoi diagram)，簡(jiǎn)稱(chēng)Voronoi圖，是鄰域分析(鄰域分析)中的一種方法。Voronoi圖適用于表現(xiàn)空間對(duì)象的復(fù)雜鄰域關(guān)系，通過(guò)空間點(diǎn)周?chē)泥忺c(diǎn)，或某特定位置及方向范圍內(nèi)的某性質(zhì)的鄰點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分析[6]，即將樣木點(diǎn)兩兩相連并作連線(xiàn)的中垂線(xiàn)，中垂線(xiàn)相交形成若干個(gè)多邊形，每個(gè)子區(qū)域總包含一個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)測(cè)值(代表該區(qū)域)[7]。

式中：PiV為對(duì)象點(diǎn)Pi的泰森多邊形，x為平面上任一點(diǎn)，d為平面距離函數(shù)。

所有點(diǎn)對(duì)象的泰森多邊形的集合構(gòu)成點(diǎn)集P的泰森多邊形：

2.4.2 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)整理計(jì)算在Excel 2013中進(jìn)行，樣木位置可視化最終在ArcGIS 10.2中實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

在Voronoi圖建模過(guò)程中，忽略了樣地本身的地形、地貌等特征以及林木本身影響力的異同，將樣地假想成在一個(gè)二維歐式平面上，樣地上所有胸徑大于5 cm的林木均為離散點(diǎn)。在ArcGIS 10.2軟件中的Analysis Tools下的鄰域分析(Proximity)工具中使用創(chuàng)建泰森多邊形(Thiessen)工具對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體操作如下：

3.1 樣木位置可視化

在該樣地中，共調(diào)查樣木163株，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為杉木，將每個(gè)樣地基本情況及每木檢尺數(shù)據(jù)(樣木編號(hào)、中心點(diǎn)X和Y坐標(biāo)、樹(shù)種、方位角(θ)、水平距(L)、胸徑(D)、樹(shù)高(H)、生長(zhǎng)狀況(優(yōu)/良/差)、是否采伐(√/×))分別錄入Excel表中，保存文件格式為“.xls”。樣點(diǎn)數(shù)據(jù)在導(dǎo)入ArcGIS 10.2之前應(yīng)進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)換處理，即根據(jù)中心點(diǎn)坐標(biāo)(X=0，Y=0)、每一株樣木的方位角及水平距計(jì)算每一株樣木的相對(duì)X、Y坐標(biāo)(角度轉(zhuǎn)換為弧度)。其在Excel 2013中的計(jì)算公式為：

X=L*sin(θπ/180)Y=L*cos(θπ/180)

打開(kāi)ArcGIS 10.2，新建個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)，用于儲(chǔ)存以下添加的點(diǎn)文件及面文件。利用顯示XY數(shù)據(jù)工具，生成樣木位置散點(diǎn)圖。

圖1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2

3.2 樣木位置Voronoi圖的生成

步驟：(1)在ArcToolbox中找到工具“鄰域分析”(Proximity)，使用鄰域分析下的“創(chuàng)建泰森多邊形”(Thiessen)工具對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域分析；(2)輸入要素即要進(jìn)行鄰域分析的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，選擇固定位置存放鄰域分析結(jié)果，其輸出字段選擇All；(3)在環(huán)境設(shè)置中設(shè)置處理范圍，范圍選擇為“與圖層 邊界 相同”，得到“裁剪前的Voronoi圖”數(shù)據(jù)；(4)利用裁剪工具將“裁剪后的Voronoi圖”作為輸入要素、“邊界”作為裁剪要素，最終生成完整的Voronoi圖。

圖2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

3.3 樣木位置Voronoi圖的生成

按照上述相同的方法，對(duì)剔除采伐木后的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域分析，最后得到該樣地樣木采伐前后的Voronoi圖。

林間環(huán)境對(duì)森林樹(shù)木及植被生長(zhǎng)產(chǎn)生的作用非常關(guān)鍵，如果林間樹(shù)木分布過(guò)密，樹(shù)木之間的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)非常激烈，導(dǎo)致部分樹(shù)木營(yíng)養(yǎng)不良，加上光照、水分不足，樹(shù)木的健康會(huì)受到影響[8]。根據(jù)“砍小留大、砍弱留強(qiáng)、砍密留稀、兼顧均勻”原則，確定采伐木與保留木，該樣點(diǎn)中的采伐強(qiáng)度小于9%。由圖3中可以看出，對(duì)樣地進(jìn)行間伐后，采伐木周?chē)Ａ裟镜纳L(zhǎng)空間明顯變寬。林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少了林木之間的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)林下植被和林木的更新與生長(zhǎng)，改變林分的群落結(jié)構(gòu)和土壤肥力[9]，進(jìn)而促進(jìn)林木更好地生長(zhǎng)，提高林分效益。

圖3 成果圖對(duì)比

光照、水分、養(yǎng)分等條件相應(yīng)變得良好，有利于保留木更好地生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)在森林資源調(diào)查中，應(yīng)用ArcGIS中的泰森多邊形工具生成的樣木位置圖極大地減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)樣地與樣木的快速?gòu)?fù)位。

(2)通過(guò)間伐來(lái)調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，減少了林木之間的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)林下植被和林木的更新與生長(zhǎng)，保留木的生長(zhǎng)空間增大，其光照、水分、養(yǎng)分條件變好，進(jìn)而促進(jìn)林木更好地生長(zhǎng)。

(3)Voronoi圖從整體上能了解到林木的空間分布情況，對(duì)樣地所在小班內(nèi)樹(shù)木的生長(zhǎng)情況能進(jìn)行較符合實(shí)際的預(yù)測(cè)。