遥感图像数据下的林分区域结构优化设计分析

第一章绪论

1.1研究目的和意义
我国森林面临的主要问题有林生产力较低、林分结构不稳定、林分抗逆性差、可利用资源较少等（陆元昌，2009)。随着我国经济社会的发展，生产生活各方面对木材的需求量也与日俱增，而森林可采资源少的事实则加剧了我国木材供需的矛盾。因此，探索科学有效的经营和改造人工林的理论和方法，使森林资源更好地为社会提供经济、生态和文化服务是我国林业人不可回避的任务和责任。森林空间结构是森林最重要的特征之一，通过分析森林的空间结构不仅能够反映林分的整体分布情况，也能反映单株林木在整个林分中的竞争势。通过分析森林空间结构也能看出林分中林木空间生态位以及林木之间的竞争势，对于研究者分析林分的稳定度，决策经营者决策林分经营都有很大帮助（惠刚盈，2001)。
对森林空间结构的研究对于深入理解群落结构，科学配置营造林中植株和优化营林采伐方案有着重要作用。同时正确理解分析森林的空间结构有助于掌握森林中林木分布规律与演化过程，对于预测森林的变化趋势也具有重要意义（张宏伟，2011)。人工林由于多由人工栽植或者飞机播种等人为方式进行培育更新，因此与天然林相比，人工林空间结构更具有其规律性可循。利用"3S"技术是现代森林研究中越来越重要的手段之一，"3S"技术是指全球定位系统（GPS)、遥感（RS)、地理信息系统（GIS)的集成，其中GPS、 RS提供数据源，利用GIS的空间分析等功能来进行对对象进行研究。本文采用航模飞机搭载数码相机的方式，在航模飞行过程中获得高分辨率的遥感影像，通过后期数据处理，利用遥感影像的高分辨率获取林分中林木属性以及空间属性信息，通过外业调査验证，提出合理的回归模型，对研究区域的不同林分的空间结构进行分析。
为了促进研究区域内由林分结构不稳定的人工同龄林向林分结构稳定的异龄混交林转变，针对研究区域内不同林分分别提出四种假设择伐方案，通过模拟分析经过四种择伐方案后不同林分空间结构的变化，选出最有利于林分空间结构稳定的方案。通过航模飞机搭载数码相机来获取数据，此种方式方便快捷，成本少，且省去大量的人力调査，尤其对于处于地形特殊，人力难以实地调査的林分就尤为重要。通过获得的高分率相片在充分了解林分空间结构的基础上模拟并选择优化方案，是解决林业生长周期长，短时间内难以得出一般结论的一种很好的方法。

1.2国内外研究背景
目前，对森林空间结构的定义尚没有统一共识。从广义上讲，森林空间结构主要是指森林中林木及其属性在林分空间中的分布（Mason, 1995;Ferris, 1999;Pommeren--mg,2002)。该定义主要强调了林木在林分中的空间位置。具体上讲，森林空间结构就是树木的空间分布格局、树木大小空间排列（或树木竞争）和树种混交（Aguirr--eetal，2003;汤孟平，2004)。林木空间分布格局是对树木在林分空间中分布形式的描述，例如均匀分布、随机分布、团状分布等；树木大小空间排列主要反映了在某一衡量指标（如胸径、树高、冠幅等）下不同大小树木之间的竞争的态势；树种混交主要反映了林分中不同树种之间相互隔离的程度。国际上针对森林结构的研究主要集中在模拟研究和定量分析两大方面。通过模拟了解分析森林结构变化动态是解决林业生长周期长，难以在短时间内得出一般性结论的重要手段之一。
Hanewinkel等采用了聚集指数、分隔指数和生物多样性指数模拟了挪威云杉从同龄纯林转变为异龄混交林后空间结构的变化。通过模拟，发现转变后林分混交度提高，生物多样性增加（Hanewinkel,2000)。 Courbaud等对法国阿尔贝斯山挪威云杉异龄林空间结构与生长开展了模拟研究，通过分析和模拟经过单株择伐和团状择伐两种不同择伐方案后森林的空间结构，得出单株择伐是异龄林林分空间结构调整的最优措施（Courbaud,2001)。针对森林结构定量分析的指数主要有空间结构指数和非空间结构指数两大类(Pommerening,2002)。非空间结构指数主要是对森林的平均特征的描述，大多不需要林木在林分中具体空间位置，如直径分布、密度、物种多样性等。空间结构指数主要是对林木及其属性在林分空间内分布特征的描述，大多需要林木在在林分中具体的空间位置坐标和其相邻木之间的关系，如混交度、聚集指数等（汤孟平，2010)。目前围绕森林空间结构指数国内外已经开展了大量研究，常用的能反映林分具体情况并且具有实际意义的森林空间结构指数主要有：
1、林木空间分布格局指数。林木空间分布格局主要表现了森林整个的生态过程，包括建立、生长、死亡和更新(Legendre,1989)。林分的空间分布格局是由森林林分初始格局、林分区域微环境的差异、林木之间的竞争、光照与气候等综合决定的（Moeur,1993)。点格局分析和最近邻体分析是林木空间分布格局分析中最常用的两种方法。近年来，角尺度也出现在很多研究应用中。角尺度指数是在对象木（或参照木）周围的最近相邻木中，2个最近相邻木的夹角中较小角小于预先设定的标准角的林木个数占对象木最近相邻木个数的比例(惠刚盈，2004)。
 2、竞争指数。竞争指数是定量的描述林木在林分中的竞争状况。树木竞争主要是指因为林分内同一生存空间范围内两株或多株树木为了充分生长对林分内有限的资源进行争夺而造成的。竞争指数一般都和林木在林分中的相互距离有关，主要分为3类：影响圈、生长空间、大小比。
3、混交度。混交度主要表示林分中树种之间空间隔离的程度（Gadow，1992)。

    1.3 研究内容和技术路线 .................. 9-12
        1.3.1 研究内容 .................. 9-10
        1.3.2 研究的技术路线 .................. 10-12
第二章研究区域概况和研究材料 .................. 12-15
    2.1 研究地区概况 .................. 12-13
        2.1.1 地理位置 .................. 12
        2.1.2 地形与气候 .................. 12
        2.1.3 土壤与植被 .................. 12-13
    2.2 研究材料 .................. 13-15
        2.2.1 地形图 .................. 13
        2.2.2 林相图 .................. 13
        2.2.3 航空照片 .................. 13
        2.2.4 航模照片 .................. 13
        2.2.5 外业调查数据 .................. 13-15
第三章研究方法 .................. 15-18
    3.1 遥感影像处理 .................. 15
    3.2 空间结构指数 .................. 15-18
        3.2.1 混交度 .................. 15
        3.2.2 大小比 .................. 15-16
        3.2.3 角尺度 .................. 16
        3.2.4 竞争指数 .................. 16
        3.2.5 相邻木的确定 .................. 16-18
第四章研究步骤及结果分析 .................. 18-39
    4.1 图像处理与划定研究区域 .................. 18-22
        4.1.1 确定研究区域 .................. 18-19
        4.1.2 图像处理 .................. 19-20
        4.1.3 数据获取 .................. 20-22
    4.2 相关性分析与回归模型的建立.................. 22-23
    4.3 林分空间结构分析 .................. 23-34
    4.5 林分空间结构优化设计与结果分析 .................. 34-39
        4.5.1 林分空间结构优化设计 .................. 34-36
        4.5.2 确定择伐方案 .................. 36-38
        4.5.3 小结 .................. 38-39

结论

本研究以鹫峰林场为研究对象，以校正好的航模拍摄的大比例尺相片作为数据源，从中获取研究区域内林木的空间位置、冠幅等各种信息。采用了混交度、大小比、角尺度、树冠竞争指数四个指标来对研究区域内林分进行空间结构的分析，提出5%、10%、 15%和20%四种择伐方案，确定保留木与择伐木后，分别对每种方案计算其空间结构的变化，对比选出最优方案。主要取得了以下的研究进展：
(1)使用航模飞机拍摄相片作为数据源，简单易行且成本较低，通过后期图像校正并通过外业实地验证调査来反演，可以得到精确的林木树冠、空间位置等信息，省去大量的人力物力做外业调査，且利于对优化方案进行模拟计算。
(2)确定研究区域时，根据鹫峰林场的林相图以小班的胸径年增长量和蓄积量年增长量作为主要衡量因子，使用聚类分析的方法将小班林分生长状况分为较好、一般、较差三类。分类后使用ArcGIS显示可以使研究者不仅能了解鹫峰林场各种林分的分布情况，也可以了解到每种林分不同的生长状况的分布情况。
(3)在分析计算林分空间结构中，采用ArcGIS的Voronoi图功能来确定与对象木最邻近的林木株树《，使用Voronoi图更能反映林分的真实状况，更能充分反映林分的实际空间分布，从而对林分提出更为科学合理的优化方案。