基于林分垂直空間結(jié)構(gòu)特征的杉木人工林撫育間伐可視化模擬研究

朱欣然，呂 勇，張懷清，張 江，楊廷棟，張 鴻

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091)

目前的撫育間伐方式可分為定性間伐和定量間伐兩種。其中，定性間伐難度較大，其需要選木者掌握豐富的選木經(jīng)驗(yàn)，且定性間伐注重單木質(zhì)量，林分質(zhì)量處于次要地位[1]。而定量間伐的特點(diǎn)是根據(jù)不同的林分結(jié)構(gòu)及林齡確定保留的株數(shù)或材積，其優(yōu)點(diǎn)是不需要像定性間伐一樣要求選木者具備豐富的經(jīng)驗(yàn)[2]。在目前的定量間伐計(jì)算方法研究中，主要是以通過(guò)確定林分最佳密度的方式來(lái)確定間伐強(qiáng)度，有以樹(shù)高與冠幅比值為基礎(chǔ)的定量間伐、以樹(shù)高和冠幅相關(guān)為基礎(chǔ)的定量間伐、胸徑與冠幅相關(guān)為基礎(chǔ)的定量間伐以及胸徑與最大密度為基礎(chǔ)的定量間伐等幾種方式來(lái)確定林分每公頃最佳株數(shù)[3]。此外，還有以林分相對(duì)干距為基礎(chǔ)的定量間伐以及應(yīng)用林分擁擠度來(lái)確定間伐量的撫育間伐方法[4]。但這些方法都是以調(diào)節(jié)林分密度為目標(biāo)，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的改善效果并不明顯，且很少有考慮到以林分垂直空間結(jié)構(gòu)為依據(jù)來(lái)改良間伐強(qiáng)度。而在實(shí)際的森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，以調(diào)整林分空間結(jié)構(gòu)為目的的間伐往往缺乏對(duì)間伐后林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果的預(yù)估[5]。

現(xiàn)在較為常用的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)，主要包括Hegyi競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、大小比數(shù)、角尺度、聚集指數(shù)、混交度等。Hegyi競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、大小比數(shù)反映了林分中林木的競(jìng)爭(zhēng)狀況[6-7]，角尺度、聚集指數(shù)等從水平角度描述了林木分布格局[8-11]。為了更好地反映林分垂直空間結(jié)構(gòu)，呂勇等[12]在林層比的基礎(chǔ)上改進(jìn)了其模型，提出了林層指數(shù)，除保留林層比原有的特征外，增加了對(duì)林層多樣性的描述。李思佳等[13]研究提出了垂直空間結(jié)構(gòu)參數(shù)PVi，以分析林木在垂直方向上的競(jìng)爭(zhēng)狀況。

撫育間伐對(duì)林分的影響已經(jīng)有過(guò)大量的研究，這些研究主要是基于傳統(tǒng)森林功能評(píng)價(jià)展開(kāi)的，如蓄積量，生長(zhǎng)量，樹(shù)高結(jié)構(gòu)和胸徑結(jié)構(gòu)等[14-19]。對(duì)間伐影響下的林分空間結(jié)構(gòu)研究較少。本研究以湖南黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)森林經(jīng)營(yíng)方案為依據(jù)，對(duì)其中的間伐強(qiáng)度進(jìn)行改進(jìn)，使用計(jì)算機(jī)三維可視化模擬技術(shù)，構(gòu)建真實(shí)的三維林分場(chǎng)景，對(duì)林分內(nèi)的間伐活動(dòng)以及間伐后林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果進(jìn)行模擬，以期為森林經(jīng)營(yíng)者提供決策手段。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省株洲市攸縣境內(nèi)的黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)，113°04′～113°43′ E，27°06′～27°04′ N，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.8℃，無(wú)霜期達(dá)229 d，年均降水量為1 410.8 mm，森林覆蓋率為86.24%，樹(shù)種主要以杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、馬 尾 松（Pinus massonianaLamb.）為主，其中杉木面積3 197.6 hm2，全部為人工造林。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在研究區(qū)選取杉木人工純林典型樣地4塊（分別命名為1、2、3、4。地位指數(shù)：18，坡向：南坡，坡度：5～10°，海拔：270～320 m）。利用全站儀測(cè)量得到杉木單木根部相對(duì)坐標(biāo)（X, Y,Z），以常規(guī)外業(yè)調(diào)查方式調(diào)查胸徑（DBH）、樹(shù)高（H）、冠幅（CW）、活枝下高（UBH）、生長(zhǎng)狀態(tài)等，按1年時(shí)間間隔采集2012—2017年調(diào)查數(shù)據(jù)。其核心區(qū)（距邊界5 m）屬性分布如表1所示。

表1 樣地因子基本統(tǒng)計(jì)量Table 1 Summary statistics of sample plots

2.2 研究方法

2.2.1 垂直結(jié)構(gòu)參數(shù) 為了表達(dá)對(duì)象木與其競(jìng)爭(zhēng)林木之間的大小差異，引用參考文獻(xiàn)[13]李思佳研究提出的垂直空間結(jié)構(gòu)參數(shù) A _Pv。

2.2.2 間伐指標(biāo)的計(jì)算 本研究中將文獻(xiàn)[13]式中的空間結(jié)構(gòu)單元數(shù)n取4，當(dāng) A_Pvi越接近-1時(shí)，整個(gè)樣地的平均競(jìng)爭(zhēng)狀況越好，可以適當(dāng)減小間伐強(qiáng)度；當(dāng) A_Pvi越接近1時(shí)，說(shuō)明樣地的平均競(jìng)爭(zhēng)狀況處于劣勢(shì)地位，應(yīng)加大間伐強(qiáng)度來(lái)改善樣地內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)狀況。

結(jié)合垂直空間結(jié)構(gòu)參數(shù) A_Pvi和森林經(jīng)營(yíng)方案原定間伐強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)認(rèn)為平均 A_Pvi對(duì)間伐強(qiáng)度的影響系數(shù)為0.1較為合理，提出考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度指標(biāo)。公式如下：

式中：S為經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的撫育間伐強(qiáng)度；P為森林經(jīng)營(yíng)方案中原定間伐強(qiáng)度，本研究中為27%；A_Pvi為林分平均垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)樣地平均競(jìng)爭(zhēng)狀況良好時(shí)， A_Pvi為負(fù)值，則經(jīng)過(guò)調(diào)整后的間伐強(qiáng)度較原間伐強(qiáng)度更??；當(dāng)樣地平均競(jìng)爭(zhēng)狀況處于劣勢(shì)時(shí)， A_Pvi為正值，則經(jīng)過(guò)調(diào)整后的間伐強(qiáng)度較原間伐強(qiáng)度更大，以期對(duì)樣地的競(jìng)爭(zhēng)狀況獲得更好的調(diào)整效果。

2.2.3 間伐設(shè)計(jì)方法 以黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)的森林經(jīng)營(yíng)方案為依據(jù)，確定4塊樣地所在小班的間伐強(qiáng)度均為27%，采用機(jī)械抽樣的方式選取間伐木。

通過(guò)上文提到的考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)對(duì)原有的間伐強(qiáng)度進(jìn)行改善，對(duì)樣地進(jìn)行模擬間伐，并與采用27%強(qiáng)度間伐的樣地進(jìn)行對(duì)比。

2.2.4 水平空間結(jié)構(gòu)參數(shù) 為了檢驗(yàn)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度與原定間伐強(qiáng)度相比對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的改善情況，本研究從林分空間分布格局和林木個(gè)體大小差異兩個(gè)方面來(lái)描述林分空間結(jié)構(gòu)，選取了大小比數(shù)和角尺度作為表達(dá)林分空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

2.2.5 虛擬三維仿真林分環(huán)境中的間伐可視化模擬 基于Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)間伐影響下的林分生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)可視化模擬。主要采用了高亮顯示技術(shù)、公告板技術(shù)、對(duì)空間結(jié)構(gòu)單元中樹(shù)木的信息、距離等進(jìn)行可視化模擬，能更直觀的表達(dá)林木的生存空間。采用Unity中最新的UI系統(tǒng)UGUI對(duì)林分中大小比數(shù)、角尺度、垂直結(jié)構(gòu)參數(shù) A_Pvi進(jìn)行可視化顯示，采用讀取間伐表的方式對(duì)樣地進(jìn)行模擬間伐。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分撫育間伐可視化模擬

使用系統(tǒng)的林分加載功能將樣地調(diào)查表導(dǎo)入到可視化系統(tǒng)中，通過(guò)樣地調(diào)查表中的樹(shù)高、胸徑、冠幅、枝下高數(shù)據(jù)，模擬樣地真實(shí)三維場(chǎng)景。通過(guò)讀取間伐表的方式模擬采伐，再運(yùn)行林分結(jié)構(gòu)分析功能，可以直接顯示樣地的大小比數(shù)和角尺度的分布頻率，平均大小比數(shù)和平均角尺度，以及平均垂直空間結(jié)構(gòu)參數(shù)A _Pv，如圖1所示（以3號(hào)樣地為例，下同）。

3.2 間伐前后樣地空間結(jié)構(gòu)對(duì)比

根據(jù)黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)森林經(jīng)營(yíng)方案，對(duì)樣地進(jìn)行間伐強(qiáng)度為27%的定量間伐，采用機(jī)械抽樣的方法選取間伐木，采用系統(tǒng)讀取間伐表的方式進(jìn)行模擬間伐。系統(tǒng)運(yùn)行后的樣地情況和各空間結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。具體間伐后結(jié)果見(jiàn)表2：

圖1 3號(hào)樣地間伐前三維虛擬場(chǎng)景模擬Fig. 1 3rd sample plot before the thining 3D virtual scene simulation

圖2 3號(hào)樣地27%強(qiáng)度間伐后三維虛擬場(chǎng)景模擬Fig. 2 3rd sample plot after 27% intensity thinning 3D virtual scene simulation

可以看到，經(jīng)過(guò)27%間伐強(qiáng)度間伐后的樣地，與間伐前樣地相比，4塊樣地的平均 A_Pv均出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)，樣地內(nèi)單株木與其4棵相鄰木的競(jìng)爭(zhēng)依然處于不平衡的狀態(tài)；平均角尺度變化不大，依舊維持在0.5左右，處于隨機(jī)分布狀態(tài)；在平均大小比數(shù)方面，4塊樣地的平均大小比數(shù)與間伐前相比，都出現(xiàn)了較大幅度的上升，說(shuō)明單株木在與其最近4株相鄰木的競(jìng)爭(zhēng)中普遍處于優(yōu)勢(shì)地位。

表2 27%間伐強(qiáng)度間伐后樣地空間結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of spatial structure parameters of 27% thinning intensity after thinning

根據(jù)4塊樣地在間伐前的垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)A_Pv對(duì)原有的間伐強(qiáng)度進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)(4)式可以計(jì)算出改進(jìn)后的間伐強(qiáng)度及間伐株數(shù)，具體結(jié)果如表3：

表3 樣地間伐量計(jì)算Table 3 Amount of thinning caculation of sample plots

根據(jù)表3的間伐強(qiáng)度及間伐株數(shù)計(jì)算結(jié)果，使用林分三維場(chǎng)景可視化模擬系統(tǒng)對(duì)4塊樣地進(jìn)行模擬間伐，可以得到經(jīng)過(guò)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度間伐后的林分三維場(chǎng)景，運(yùn)行林分結(jié)構(gòu)分析功能，可以得到經(jīng)過(guò)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度間伐后的樣地內(nèi)的大小比數(shù)、角尺度以及垂直空間結(jié)構(gòu)參數(shù) A _Pv（圖3），具體間伐后結(jié)果如表4：

圖3 3號(hào)樣地改進(jìn)間伐強(qiáng)度間伐后三維虛擬場(chǎng)景模擬Fig. 3 3rd sample plot after improved intensity thinng 3D virtual scene simulation

表4 間伐后樣地空間結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical analysis of spatial structure parameters of plots after thinning

可以看出，經(jīng)過(guò)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度間伐后4塊樣地與采用27%間伐強(qiáng)度間伐后的樣地相比，平均 A_Pv更加趨近于0，其中2、3和4號(hào)樣地更加明顯，說(shuō)明這3塊樣地的單株木與其最近4棵相鄰木的競(jìng)爭(zhēng)中整體上處于均勢(shì)；4塊樣地的平均角尺度與間伐前的樣地和經(jīng)過(guò)27%間伐強(qiáng)度間伐后的樣地相比，均無(wú)明顯變化，整體均維持在0.5左右，屬于隨機(jī)分布；4塊樣地中，除了3號(hào)樣地外，平均大小比數(shù)均出現(xiàn)了較大幅度的減少。

4 討論

本研究使用考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐指標(biāo)與森林經(jīng)營(yíng)方案原定間伐強(qiáng)度相比，對(duì) A_Pv改善效果明顯，使林分中的競(jìng)爭(zhēng)更加平均。但是對(duì)角尺度的改善無(wú)明顯效果，可能是樣地均為人工純林的原因；而對(duì)大小比數(shù)的影響無(wú)規(guī)律可循，可以在今后的研究中加大模擬樣地間伐的數(shù)量，探尋其規(guī)律。本研究使用的林分三維可視化模擬系統(tǒng)對(duì)樣地真實(shí)場(chǎng)景的模擬效果較好，開(kāi)發(fā)的森林結(jié)構(gòu)功能模塊對(duì)間伐活動(dòng)及間伐后樣地的各空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析準(zhǔn)確，為森林經(jīng)營(yíng)者提供了新的決策手段。

在今后研究中，一方面需要考慮大場(chǎng)景森林可視化模擬優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高細(xì)節(jié)的場(chǎng)景模擬，以及在林分空間結(jié)構(gòu)分析功能模塊中加入聚集指數(shù)、開(kāi)敞度等其他空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，以直接反映林分的空間結(jié)構(gòu)特征；另一方面應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度，合理考慮更多的變量，如聚集指數(shù)、林分擁擠度等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期相較原定間伐強(qiáng)度而言，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的改善效果更加顯著。

5 結(jié)論

本研究以杉木人工林為研究對(duì)象，利用林分三維場(chǎng)景可視化模擬系統(tǒng)中的森林結(jié)構(gòu)功能模塊，通過(guò)讀取杉木樣地調(diào)查表中的每木坐標(biāo)、胸徑、樹(shù)高、冠幅和枝下高數(shù)據(jù)，可以在虛擬場(chǎng)景中模擬樣地的真實(shí)情況，分析樣地的大小比數(shù)、角尺度及A_Pv的平均值，為研究間伐影響下的林分空間結(jié)構(gòu)變化提供了可視化手段。經(jīng)過(guò)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度間伐后的4塊樣地與原定間伐強(qiáng)度相比，平均 A_Pv更加趨近于0，說(shuō)明經(jīng)過(guò)考慮林分垂直結(jié)構(gòu)的間伐強(qiáng)度間伐后樣地內(nèi)林木競(jìng)爭(zhēng)狀況更加均勻；平均角尺度無(wú)大幅度變化，4塊樣地都維持在0.5左右，呈隨機(jī)分布狀態(tài)；4塊樣地中，除了3號(hào)樣地外，平均大小比數(shù)均出現(xiàn)了較大幅度的減少。