古樹名木風(fēng)險評估模型初步研究

肖瑾瑜， 譚慧芳， 陳俊友， 汪愛民

(1.湘西自治州林業(yè)科學(xué)研究所， 湖南 吉首 416000； 2．桑植縣林業(yè)局， 湖南 桑植 427100 )

古樹名木風(fēng)險評估模型初步研究

肖瑾瑜1， 譚慧芳1， 陳俊友2， 汪愛民1

(1.湘西自治州林業(yè)科學(xué)研究所， 湖南 吉首 416000； 2．桑植縣林業(yè)局， 湖南 桑植 427100 )

應(yīng)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process , AHP)建立由6個B層要素和37個C層要素組成的古樹名木風(fēng)險評估框架后，通過判斷矩陣確定出各要素的權(quán)重，再由此建立古樹名木風(fēng)險評估模型，將各要素量化后的值與其權(quán)重乘積求和的值來衡量古樹名木的風(fēng)險等級。

古樹名木； 風(fēng)險評估； 層次分析法

古樹名木風(fēng)險是指因古樹名木自身因素、生物特性、生長的自然環(huán)境和社會環(huán)境因素、人為干擾以及管理因素等而導(dǎo)致古樹名木自身和周圍的人、建筑等其它財產(chǎn)損失的概率。古樹名木具有重要科研、歷史、文化價值[1-2]，是“綠色文化”的重要載體，具有唯一和不可再生的特點，它的受損及死亡是不可估量的損失；同時樹枝掉落以及樹干倒伏等對周圍的人員及財產(chǎn)可能造成損害。古樹名木風(fēng)險評估模型通過不同指標(biāo)對古樹名木進(jìn)行評估，以識別古樹名木可能存在的風(fēng)險以及風(fēng)險的級別。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process , AHP)將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干要素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析，計算出層次單排序和總排序，確定各指標(biāo)的重要性即權(quán)重。它為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策[3-4]。

1 古樹名木風(fēng)險評估框架

在充分借鑒專家研究的基礎(chǔ)上，并考慮古樹名木的特殊性、外業(yè)和內(nèi)業(yè)的可操作性和計算模型的可實現(xiàn)性，選取影響古樹名木風(fēng)險評估的多種要素并建立一個遞階的有序的層次分析框架(見圖1)。

B層的要素分為樹干(B1)、根系(B2)、樹冠(B3)、生長環(huán)境 (B4)、樹木特征(B5)、以及管理與保護(hù)(B6)六個部分。

圖1 古樹名木風(fēng)險評估框架Fig.1 Framework of risk assessment model of ancient and famous tree identification

(1) 樹干(B1)主要選取樹干空洞率(C11)、樹干傾斜度(C12)、樹干損毀率(C13)、干基腐朽率(C14)、樹皮損傷率(C15)、高徑比(C16)、樹干病蟲害程度(C17)七個要素。樹干的空洞大小、樹干損毀情況、樹皮損傷面積、干基的腐朽以及病蟲害等都對古樹名木的生命造成威脅；并且樹干空洞、傾斜、損毀、干基腐朽、高徑比(樹高和胸徑的比值)過大都容易造成古樹名木樹干折斷而倒伏，不僅對自身造成傷害還將對周圍的人員和財產(chǎn)造成傷害。

(2) 根系(B2)選取淺根性樹種(C21)、根系裸露程度(C22)、根系損傷程度(C23)、根系病蟲害程度(C24)四個要素進(jìn)行評估。淺根系樹種根部固著力低，且容易因地面環(huán)境原因使根系發(fā)展不平衡，因此易造成樹干傾斜，在遇到災(zāi)害性天氣容易倒伏；根系裸露、損傷程序以及根系的病蟲害將影響古樹名木的健康狀況。

(3) 樹冠(B3)部分以樹冠偏斜度(C31)、病蟲害程度(C32)、冠幅(C33)、一級枝健康率(C34)、闊葉樹種(C35)、樹冠透視度(C36)六個要素進(jìn)行評估。樹冠對古樹名木風(fēng)險的主要威脅是樹木的穩(wěn)定性，表現(xiàn)最為突出的是樹冠偏斜度；冠幅大、樹葉密度高及闊葉樹種會增加風(fēng)阻，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中對古樹名木不利，并且積雪時容易造成古樹名木的損傷；頂梢枯死、樹枝不健康及病蟲害使樹枝易掉落，同時也致使古樹名木面臨衰亡的風(fēng)險。

(4) 生長環(huán)境(B4)條件中影響要素較多，包含人為干擾 (C41)、生長場所(C42)、生長空間(C43)、土壤空氣污染(C44)、樹穴大小(C45)、土壤緊密度(C46)、地被種類(C47)、強(qiáng)風(fēng)口(C48)、氣象(C49)共九個要素。人類生產(chǎn)和生活的干擾，如根部取土、在樹枝上掛曬物品等對古樹名木造成不同程度的威脅；生長在遠(yuǎn)郊野外的古樹名木有較好的自然生長環(huán)境，生長在城市中的古樹名木會受到不同程度的人為干擾，生長空間、樹穴面積大小經(jīng)常受到限制，也比較容易受到土壤和空氣污染的影響，嚴(yán)重影響了古樹名木的健康；當(dāng)古樹名木生長在強(qiáng)風(fēng)口或具有風(fēng)道效應(yīng)的位置時，會有較高的倒伏危險；極端氣象條件對樹木的威脅顯而易見；部分地被種類不適合古樹基部，部分藤本地被對古樹名木的生長具一定威脅。

(5) 樹木特征(B5)方面主要選擇樹齡(C51)、生長勢(C52)、抗逆性(C53)、速生性樹種(C54)、易燃性(C55)、有毒有害(C56)六個要素?？鼓嫘员硎緲淠緦Ω鞣N脅迫(或稱逆境)因子的抗御能力；古樹名木樹齡越大，對生長環(huán)境變化的適應(yīng)力越差，生長衰退越嚴(yán)重；古樹名木生長勢可預(yù)示樹木是否衰弱；速生樹種的木質(zhì)部強(qiáng)度較低，也容易損傷或斷裂；易燃性樹木容易受到火災(zāi)的威脅；古樹名木的花或果實等的毒害作用將危害周圍的人或生物。

(6) 管理與保護(hù)(B6)主要采用管理水平(C61)、防護(hù)欄(C62)、支撐牽引(C63)、樹洞填補(C64)、避雷針(C65)五個要素。管理部門的不當(dāng)管理也將對古樹名木置于危險境地，而有效的保護(hù)措施將減少古樹名木的風(fēng)險[5-27]。

2 風(fēng)險評估判斷矩陣及要素權(quán)重計算

根據(jù)風(fēng)險評估框架，首先以A層(古樹名木風(fēng)險評估)為目標(biāo)針對B層的要素進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)評定尺度確定其相對重要程度，并據(jù)此建立判斷矩陣。評價尺度Aij為1表示兩個要素同樣重要，為9表示i要素比j要素絕對重要，倒數(shù)則表示j要素與i要素相比的重要性。根據(jù)矩陣計算層次單排序Wi。對準(zhǔn)則層的判斷矩陣及層次單排序計算如表1所示：

其中計算步驟[28-30]為:

(1) 先計算判斷矩陣每行元素的乘積Mi：

表1 B層對“古樹名木風(fēng)險評估(A)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 1 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforAlevelAB1B2B3B4B5B6MiWiWiAWiB11225781120 00003 22260 35882 2550B21/212468192 00002 40190 26751 6984B31/21/2157870 00002 03010 22611 4483B41/51/41/51350 15000 72890 08120 5403B51/71/61/71/311/40 00030 25630 02850 1932B61/81/81/81/5410 00160 34060 03790 2749

(4) 計算判斷矩陣的最大特征根：

(5) 計算一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR，進(jìn)行一致性檢驗：

CI=(λmax-n)/(n-1)CR=CI/RI

當(dāng)矩陣價數(shù)為6時，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI為1.24。

通過計算可得到最大特征根λmax為6.6189，一致性指標(biāo)CI為0.123 8，CR為0.098 2。CR小于0.1判斷矩陣通過一致性檢驗。

用同樣方法再對C層要素分別構(gòu)造判斷矩陣，并計算Wi、λmax、CI、CR以驗證一致性(見表2至表7)。

表2 對“樹干(B1)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 2 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB1B1C11C12C13C14C15C16C17WiC1114225860 3339C121/411/41/42320 0809C131/24114650 2247C141/24113650 2156C151/51/21/41/31330 0709C161/81/31/61/61/311/30 0286C171/61/21/51/51/3310 0455λmax7 2955CI0 0493CR0 0362

表3 對“根系(B2)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 3 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB2B2C21C22C23C24WiC2111/41/71/60 0725C22411/41/30 1622C2374120 4519C24631/210 3135λmax4 2264CI0 0755CR0 0848

表4 對“樹冠(B3)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 4 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB3B3C31C32C33C34C35C36WiC311361/3990 3217C321/3141660 2187C331/61/411/3440 0893C343131660 3007C351/91/61/41/6110 0348C361/91/61/41/6110 0348λmax6 5589CI0 1118CR0 0887

表5 對“生長環(huán)境(B4)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 5 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB4B4C41C42C43C44C45C46C47C48C49WiC411753268640 3140C421/711/21/51/4221/21/50 0383C431/5211/31/33421/30 0706C441/35311/246320 1523C451/2432158420 1982C461/61/21/31/41/511/21/31/30 0277C471/81/21/41/61/8211/31/50 0259C481/621/21/31/43311/20 0582C491/4531/21/235210 1148λmax9 4684CI0 0586CR0 0401

表6 對“樹木特征(B5)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 6 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB5B5C51C52C53C54C55C56WiC5111/323550 2494C523134440 3748C531/21/312330 1561C541/31/41/21330 1103C551/51/41/31/3110 0547C561/51/41/31/3110 0547λmax6 2935CI0 0587CR0 0466

表7 對“管理與保護(hù)(B6)”的判斷矩陣及層次單排序計算Tab 7 ThejudgmentofmatrixandrelativeweightoftheelementsforB6B6C61C62C63C64C65WiC61141/31/440 1738C621/411/31/410 0757C633311/220 2547C64442130 4089C651/411/21/310 0869λmax5 4331CI0 1083CR0 0967

當(dāng)所有的層次單排序計算都完成后，就可以計算出層次總排序結(jié)果，要素i的層次總排序PWi計算公式如下：

對于古樹名木風(fēng)險評估各要素的層次總排序為：

PW= [PW11,PW12,PW13,…，PW65]=

分別使用公式CI=∑aiCIi和RI=∑aiRIi計算層次總排序一致性指標(biāo)CI=0.0737和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.2078，再計算層次總排序隨機(jī)一致性比例CR=CI/RI=0.0610， 隨機(jī)一致性比例CR<0.1，層次總排序通過一致性檢驗。因此C層要素總排序權(quán)值PWi即為它對于總目標(biāo)“古樹名木風(fēng)險評估(A)”的權(quán)重。

3 風(fēng)險評估模型

利用層次分析法獲取了各要素的權(quán)重后，建立如下的古樹名木風(fēng)險評估模型：

其中DRI表示古樹名木風(fēng)險指數(shù)，用于表示古樹名木所面臨的風(fēng)險，其值越大，則古樹名木所面臨的風(fēng)險等級越高。PWi表示要素i的權(quán)重，Xi表示要素i量化后的值。

4 結(jié)語

古樹名木所處的環(huán)境非常多樣化，面臨的風(fēng)險也各不相同。本文通過綜合考慮影響古樹名木安全性的37種因素，通過層次分析法確定各個因素的權(quán)重，建立風(fēng)險評估模型。通過將各因素其定性定量化，計算其風(fēng)險指數(shù)，建立一個衡量古樹名木面臨風(fēng)險的衡量標(biāo)準(zhǔn)，避免因不同地區(qū)不同人員根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的主觀判斷而導(dǎo)致的評估差異，從而實現(xiàn)對古樹名木風(fēng)險的統(tǒng)一管理。當(dāng)然此模型可能存在問題，還需要在實踐中不斷完善。

此風(fēng)險評估模型運用古樹名木管理系統(tǒng)[31]，將外業(yè)調(diào)查的古樹名木數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，然后根據(jù)此模型計算出古樹名木的風(fēng)險。對高風(fēng)險的古樹名木以報警提示，并給出相應(yīng)的建議，實現(xiàn)對古樹名木的風(fēng)險管理。

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Preliminarystudyonriskassessmentmodelofancientandfamoustrees

XIAO Jinyu1, TAN Huifang1， CHEN Junyou2, WANG Aimin1

(1.Hunan Xiangxi Autonomous Prefecture Forestry Research Institute, Jishou 416000, China；2.Forestry Bureau of Sangzhi County， Sangzhi 427100， China)

Base on Analytic Hierarchy Process, risk assessment structure of ancient and famous trees was built, include 6 level B elements and 37 level C elements, according to the judgment of matrix, the weight of all levels of elements were determined, and built risk assessment model of ancient and famous trees.

ancient and famous; risk assessment; AHP

2015-10-28

湖南林業(yè)廳“古樹名木管理系統(tǒng)開發(fā)”(XLK201540)。

肖瑾瑜(1976-)，男，湖南省吉首市人，助理工程師，主要從事林業(yè)信息化研究。

S 788

A

1003-5710(2016)01-0061-05

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校：龔玉子)