基于GIS的森林撫育間伐規(guī)劃設(shè)計(jì)

謝鵬芳，李 穎，黃家榮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002）

基于GIS的森林撫育間伐規(guī)劃設(shè)計(jì)

謝鵬芳，李 穎，黃家榮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002）

以郟縣林場西大坪林區(qū)為研究對象，應(yīng)用GIS空間分析的方法，利用ArcGIS軟件繪制郟縣林場林相專題圖，對郟縣林場西大坪林區(qū)內(nèi)需要森林撫育的林分進(jìn)行面積總量和空間位置分析，確定相關(guān)的規(guī)劃方案。分析結(jié)果表明，郟縣林場需要進(jìn)行撫育間伐的面積為108.8 hm2，地理位置主要分布在林場的中部和西北部。同時證明將GIS技術(shù)應(yīng)用到森林撫育間伐工作上，可以有效節(jié)約大量人力物力，同時為間伐工作的規(guī)劃和實(shí)施提供決策依據(jù)，促進(jìn)林業(yè)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

GIS；森林撫育間伐；空間分析

GIS的空間分析功能，為森林經(jīng)營管理工作提供技術(shù)性的指導(dǎo)和決策支持［5］。以河南省郟縣林場西大坪林區(qū)為研究對象，對GIS在森林撫育間伐規(guī)劃中應(yīng)用進(jìn)行示范性研究，為林區(qū)和相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西大坪林區(qū)是國有郟縣林場內(nèi)的一個林區(qū)，位于平頂山市郟縣境內(nèi)，與襄縣、汝州、禹州市、寶豐和平頂山市郊相鄰，海拔400～600 m，屬于大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，四季分明，平均溫度為14.6℃，年降水量678.6 mm，水源缺乏，土壤貧瘠、干旱，天然植物破壞殆盡，水土流失比較嚴(yán)重。郟縣西大坪林區(qū)為國有人工林區(qū)，全部為生態(tài)公益林，林地總面積為764 hm2，有林地的面積為276.7 hm2，包括純林107.6 hm2，混交林為169.10 hm2；未成林造林地為48.80 hm2，宜林荒地的面積為438.50 hm2。林區(qū)內(nèi)森林活立木總蓄積量為17 018 m3，有林地中全部為喬木林地，其中純林的蓄積量為4 431 m3；混交林的蓄積量為12 587 m3，林木資源規(guī)劃主要以撫育間伐、封山育林、森林防火為主，樹木病蟲害以防為主。

2 研究方法

利用ArcGIS軟件制作出研究區(qū)小班林相圖，對林相圖中需要森林撫育的林分進(jìn)行面積總量和空間位置分析地圖的處理分析，確定相關(guān)的規(guī)劃方案，為森林撫育間伐提供方法和現(xiàn)代化技術(shù)，從而滿足林場撫育間伐的需求。技術(shù)流程圖如圖1所示。

2.1 柵格數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究底圖為1：25 000紙質(zhì)版西大坪林場的地形圖，用掃描儀得到JPG格式，利用ArcMap軟件將其轉(zhuǎn)化為所需要用的TIFF格式，并保存（如圖2所示）。

掃描圖片沒有地理坐標(biāo)，缺乏地理屬性，需要進(jìn)行柵格配準(zhǔn)使其具有地理意義。柵格配準(zhǔn)是需要利用Georeferencing和Add Control Point工具，通過選取幾個分布均勻的控制點(diǎn)，輸入該地區(qū)的真實(shí)坐標(biāo)，就可以對掃描后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和校正，從而保證矢量化工作順利進(jìn)行［6］。根據(jù)所掃描地形圖中的方里網(wǎng)的坐標(biāo)為其定義Beijing1954投影坐標(biāo)系統(tǒng)。

圖2 西大坪林場掃描后地形圖

2.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

為了更好的存儲調(diào)查項(xiàng)目中小班的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，需要創(chuàng)建個人數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是在ArcCatalog指定目錄下進(jìn)行創(chuàng)建的，創(chuàng)建完成后還需要創(chuàng)建相對應(yīng)的小班要素集來存儲小班屬性要素，同時還需要定義要素集的投影坐標(biāo)系，此時的投影坐標(biāo)系統(tǒng)需要與柵格配準(zhǔn)時的坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，從而保證要素類之間可以建立正確的拓?fù)潢P(guān)系，使小班矢量化工作可以正常進(jìn)行。最后在創(chuàng)建好的要素集下創(chuàng)建要素類，為“小班面”要素添加小班號、面積、樹種、土壤類型和郁閉度等字段，并為每個字段選擇合適的數(shù)據(jù)類型［7］。

2.3 矢量數(shù)據(jù)的編輯與處理

將小班矢量化可以更方便的獲取小班的地理屬性數(shù)據(jù)，且地圖放大或者縮小時不會失真，可以更好的對相關(guān)信息進(jìn)行查詢和處理。其主要方法是在ArcMap，加載已配準(zhǔn)地形圖到數(shù)據(jù)框中，再將新建的“小班面”要素圖層加載進(jìn)去。然后在“Editor”下，執(zhí)行“startEditing”命令，用“SketchTool”工具將小班從地形圖中勾畫出來，最后結(jié)束編輯并保存。

圖1 技術(shù)流程

圖層要在處于編輯狀態(tài)的前提下，才能對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。右擊數(shù)據(jù)框中“小班面”要素類，點(diǎn)擊“Open Attribute Table”，打開該要素的屬性表，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去。屬性數(shù)據(jù)的錄取，可以方便以后更好的進(jìn)行篩選出所需小班的工作［8］。

小班面創(chuàng)建好之后，為使制作圖像中的小班屬性數(shù)據(jù)能夠及時更新，可將小班數(shù)據(jù)的外部屬性表與其屬性表連接起來［9］。主要通過GIS軟件中“Joins and Relates”下的“Join”命令，在打開的“Join data”窗口中輸入需要連接的外部Excel表，選擇兩個表中共有的屬性字段進(jìn)行連接，經(jīng)此處理，兩個表中的屬性都會在小班的屬性表中顯示出來。

為了使制作出的圖像更加清晰，將所需小班從整副林相圖中裁剪出來，運(yùn)用Arc Toolbox工具下的data management→raster→raster processing→clip工具，在彈出的對話框中輸入要裁剪的柵格數(shù)據(jù)和前面矢量化出的小班面，將所需圖層裁剪出來（圖3）。

圖3 矢量化小班圖

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐的小班篩選

根據(jù)制作出的林相專題圖，可將所需小班根據(jù)相關(guān)屬性快速篩選出來。按照相關(guān)規(guī)定，人工林郁閉度在0.9以上的幼齡林、中齡林郁閉度在0.8以上的林分，郁閉度在0.8或郁閉度在0.7以上分布不均的天然林適合進(jìn)行撫育間伐［10］。根據(jù)這些條件分別將郁閉度在0.8、0.9以上的林分和幼齡林、中齡林分別篩選出來。

圖4 郁閉度大于0.8的小班

打開小班面的屬性表，在“Attributes of小班面”的對話框中點(diǎn)擊Options按鈕，選擇“Select By Attributes”輸入主要的篩選的條件，將所需要的小班篩選出來，郁閉度大于0.8的小班（圖4）。

3.2 撫育間伐的地塊分析

將篩選出來適合撫育間伐的小班進(jìn)行疊加分析，可得出郟縣西大坪林區(qū)內(nèi)幼、中齡林需撫育間伐相關(guān)數(shù)據(jù)和空間地理位置。疊加分析是GIS空間分析的組成部分之一，可以將空間中的一些隱含信息提取出來，從而對森林資源進(jìn)行詳細(xì)的分析。疊加分析不僅生成了新的空間關(guān)系，而且還將輸入的多個數(shù)據(jù)層的屬性聯(lián)系起來產(chǎn)生新的屬性關(guān)系［11］。

主要是利用Arc Toolbox中的Intersect功能，逐個輸入篩選出來的圖層，首先疊加出郁閉度0.8以上的中齡林，再疊加出郁閉度0.9以上的幼齡林，再用Union輸入疊加出的這兩個圖層，最后得出需撫育區(qū)域的地理位置（圖5），圖中的藍(lán)色區(qū)域就是需要進(jìn)行撫育間伐的地塊。

圖5 西大坪林場需要撫育間伐地塊

3.3 撫育間伐的面積

通過結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)得出西大坪林場幼、中齡林地的面積共有243.6 hm2，根據(jù)該圖層導(dǎo)出數(shù)據(jù)（表1）。

表1 西大坪林場幼、中齡林按郁閉度分級統(tǒng)計(jì)表

從表1可得郁閉度在0.8以上的幼、中齡林所占比重比較大，根據(jù)人工林郁閉度在0.9以上的幼齡林、中齡林郁閉度在0.8以上的林分適合進(jìn)行撫育間伐的原則，需要進(jìn)行撫育間伐面積是108.8 hm2，占西大坪林場幼、中齡林總面積的44.7%，其中幼齡林需撫育面積39.1 hm2，占全林場幼、中齡林總面積的16.1%；中齡林需撫育69.7 hm2，占全林場幼、中齡林總面積的28.6%。

3.4 撫育間伐空間位置分析

從圖5可以看出需要進(jìn)行撫育的小班位置，從地理位置分析，可撫育間伐區(qū)域主要集中在丁家溝和劉大寨附近，分布在林場的中部和西北部。

按照相關(guān)政策的要求，對于郁閉度為0.9或分布不均的郁閉度在0.8以上的人工幼齡林采用透光撫育的采伐方式，而郁閉度在0.8以上的中齡林采用生長撫育的采伐方式。通過分析幼、中齡林的分布情況，可制定合適的森林撫育間伐方案。

4 結(jié)論與討論

（1）利用ArcGIS工具可以快速的制作出林區(qū)的林相專題圖，操作方法簡單，可以對大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的處理，提高制圖精度。通過2014年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)工作人員從進(jìn)行實(shí)地踏查，合理確定撫育作業(yè)區(qū)，對符合撫育間伐條件的地塊開展外業(yè)調(diào)查，到最后制定出合理的工作方案共花費(fèi)了62 d，可以證明利用GIS技術(shù)進(jìn)行撫育間伐的工作可以節(jié)約大量的人力物力及其相關(guān)費(fèi)用；GIS空間分析可以有效的對林區(qū)內(nèi)需要進(jìn)行撫育間伐的地塊進(jìn)行科學(xué)定量的分析，從而確定出可進(jìn)行撫育間伐的面積和空間地理位置。通過2014年郟縣西大坪林區(qū)森林撫育間伐作業(yè)設(shè)計(jì)的研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的需撫育間伐的面積108.8 hm2以及空間地理分布的位置與實(shí)際規(guī)劃的撫育間伐面積及空間地理位置相一致的，從而可證明結(jié)果的正確性。

（2）撫育對象的確定除了通過郁閉度來判斷，也要通過林木的生長情況、競爭關(guān)系以及林分構(gòu)造等的分析來判斷是否需要對其進(jìn)行撫育經(jīng)營，但是由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，研究僅通過郁閉度一個指標(biāo)來確定撫育間伐的面積和空間地理位置，指標(biāo)因子的單一。研究僅處于一個初級階段，對以后的調(diào)查工作有一定參考作用，但有些問題需要進(jìn)一步的研究和探討。

［1］ 李淑華，楊繼承，劉妍妍. 森林撫育間伐研究綜述［J］. 黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（1）：30-31.

［2］ 周 勇. 森林撫育作業(yè)設(shè)計(jì)方案［D］. 咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

［3］ 李宇昊. 我國森林撫育技術(shù)體系存在的問題及建議［J］. 世界林業(yè)研究，2013，（6）：59-63.

［4］ 張丹華，石軍南，陳傳松，等. 基于GIS林業(yè)專題制圖及方法優(yōu)化［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（10）：173-178.

［5］ 李曉軍. GIS空間分析方法研究［D］. 杭州：浙江大學(xué)，2007.

［6］ 王洪站，馬燕燕，張振濤，等. 基于ArcGIS的專題地圖制作方法綜合研究［J］. 城市勘測，2008，（4）：47-49.

［7］ 湯國安，楊 昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］. 北京：科學(xué)出版社，2006. 52-61.

［8］ 徐向陽，錢遠(yuǎn)煌. 淺談ArcGIS在林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)制圖中的應(yīng)用［J］.湖北林業(yè)科技，2012，（5）：47-50.

［9］ 劉化冰. ArcGIS在林業(yè)專題圖制作中的應(yīng)用［J］. 福建林業(yè)科技，2010，（1）：30-32，36.

［10］ 鄭 興. GIS在大理州森林撫育中的分析應(yīng)用［J］. 林業(yè)建設(shè)，2014，（2）：64-67.

［11］ 陳紅梅，汪小欽. 基于GIS的福建省漳浦縣森林資源分析［J］. 森林調(diào)查規(guī)劃，2005，（2）：1-5.

（責(zé)任編輯：肖彥資）

The Design and Planning of Forest Tending and Thinning Based on GIS

XIE Peng-fang，LI Ying，HUANG Jia-rong
（College of Forestry， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， PRC）

Took Jiaxian forest farm Xidaping forest region as the research object， used ArcGIS software to draw thematic map of Jiaxian forest form， carried through analysis of total area and spatial position of JiaxianXidaping forest farm which need to forest tending， then identifed relevant p lanning program s.The analysis results showed that the need for Jiaxian forest tending and thinning area of 108.8 hm2，the geographical position was mainly distributed in the central and northwest forest farm；GIS technology could save a lot of manpower and resources if applied to the forest thinning work， and provided decision-making basis for thinning work planning and implementation，promote comprehensive coordinated and sustainable development of forestry.

GIS； forest tending and thinning； spatial analysis森林資源是寶貴的自然資源，對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都有重要的影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們逐漸意識到資源可持續(xù)發(fā)展的重要性，森林撫育間伐工作逐漸引起重視［1-2］。傳統(tǒng)的撫育間伐技術(shù)已經(jīng)不能順應(yīng)時代的要求［3］，為了適應(yīng)新時期下的新要求，我國專家學(xué)者不斷研究，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)了GIS（Geographic Information System）技術(shù)。GIS技術(shù)可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，將大量的森林資源信息以可視化效果直觀方便的表現(xiàn)出來。利用ArcGIS軟件為森林撫育間伐規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)科學(xué)化處理，可提高制圖速度，制作出的圖像也更加的清晰美觀，精度高，通過對圖像分析得出的決策方案也更加合理［4］，同時可以運(yùn)用

S757

A

1006-060X（2016）09-0059-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.09.018

2016-07-08

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（0624050007）

謝鵬芳（1989-），女，河南漯河市人，碩士研究生，主要從事森林資源信息化管理研究。

黃家榮