基于Voronoi图与Delaunay三角网的杉木人工纯林林木补植位置与空间配置

杉木人工纯林被划归为生态公益林,为了提高物种多样性,在杉木纯林内补植阔叶树种是多功能经营的一种有效手段。为了在杉木人工纯林林木补植时尽可能优化林分空间结构,本文提出基于Voronoi图与Delaunay三角网的补植位置与空间配置方法。以林木个体所在空间位置为平面相异点构建Voronoi图和Delaunay三角网,Voronoi图量化对象木的K-阶邻近关系,Delaunay三角网确定相邻木间的距离、角度和林木间的林隙。考虑林分的水平空间结构,选取基于Voronoi图的变异系数、混交度和竞争指数分别描述林木的分布格局、混交程度和竞争关系,建立林木和林分空间结构调控的均质性目标。林木补植前进行两株萌生木与枯死木的抚育间伐,补植分两次进行,第一次补植栾树,马褂木,第二次补植观光木,依据林木间Delaunay三角形面积大小确定林木补植位置,依据K阶邻近林木关系进行补植林木的空间配置,以达到林分空间结构优化的目的。因为研究对象为杉木人工纯林,补植前林分的树种混交度很低,介于0.011~0.063,由于属于杉木幼龄,还没有郁闭,竞争指数介于0.699~0.833,竞争强度较小,基于V图的林木分布变异系数介于1.662~2.354;林木补植后林分树种混交度得到提高,第二次补植后树种混交度(0.191±0.007)比第一次补植后的树种混交度(0.186±0.005)有所提高,均明显大于补植前树种混交度(0.042±0.020),补植后不仅物种多样性增强,树种混交程度增强;补植后竞争指数增大,第二次补植后林分竞争指数(4.67±0.32)比第一次补植后林分的竞争指数(4.41±0.24)有提高,均大于补植前林分的竞争指数(3.92±0.20),表明补植后竞争强度增强;第二次补植后基于Voronoi图的变异系数(0.48±0.07)比第一次补植后基于Voronoi图的变异系数(0.55±0.10)降低,均小于补植前基于Voronoi图的变异系数(2.04±0.31),表明补植后空间分布更均匀。基于Delaunay三角网进行林木补植能够调整林木的空间分布,基于K阶邻近的林木补植空间配置能够尽可能提高补植林木混交度与林分混交度,且补植树种越多,混交度越大,本文提出的林木补植方法可以实现林木补植在提高生物多样性同时优化林分空间结构。本研究为林分空间结构调整与优化林木补植提供理论依据,促使杉木人工纯林导向近自然林,实现多功能的森林经营。     

基于加权Voronoi图的杉木生态公益林空间结构分析

以湖南省福寿国有林场杉木生态公益林为研究对象,通过将林木胸径、树高和冠幅作为综合权重,改进Voronoi图确定林木的邻近木,进而计算各空间结构指数,分析林分的空间结构特征。结果表明:林木空间结构以1株中心木与5株邻近木组成的空间结构单元最为常见,林木空间影响范围随综合权重的增加而增加;不同林龄杉木林树种空间隔离程度均较低,幼龄林全林分平均混交度为0.34,属于中度混交,中龄林和近熟林全林分平均混交度分别为0.17和0.23,为弱度混交;3种不同林龄的优势树种杉木的平均胸径大小比数均为0.50左右,表明林分处于中等竞争状态;各样地平均角尺度均小于0.475,表明不同林龄杉木林林木均处于均匀分布状态。     

基于加权Voronoi图的杉木生态公益林空间结构量化分析

以湖南省福寿国有林场内24年生杉木生态公益林为研究对象,通过胸径加权Voronoi图确定各中心木的邻近木,计算混交度、大小比数、聚集指数、林层指数和开敞度5个空间结构指数,全面分析了该林分的空间结构特征。结果表明:1)林分平均混交度为0.21,为弱度混交,树种空间隔离程度较低;2)林分平均大小比数为0.58,林分胸径大小分化不太明显,处于中等竞争状态;3)林分平均聚集指数为1.06,林木总体上处于由均匀分布向随机分布演替的过渡阶段;4)林分平均林层指数为0.24,林木在垂直空间上配置较为简单;5)林分平均开敞度为0.23,林木生长空间不足。     

基于Voronoi图和Delaunay三角网的林分空间结构量化分析

利用Voronoi图具有最近性、邻接性特点,以单株木视为平面点构建Voronoi图和Delaunay三角网,此结构具有以下特点:对象木的最近邻木株数与Voronoi图中相对应多边形边的数目相等;对象木与最近邻木的距离和Delaunay三角网的相对应边长相等;任意2个最近相邻木的夹角即为对应Delaunay三角网2条边的夹角.在广东湛江红树林国家自然保护区选择样地进行试验,把基于Voronoi图和Delaunay三角网计算林分空间结构指数的结果与最近邻木数取4的传统算法结果进行对比分析,结果表明:两者在计算混交度、大小比数时结果有较高的相关性和一致性,但两者在计算角尺度时结果差异较大,构建Voronoi图确定最近邻木时各个方向都有选取,角尺度的取值均小于传统计算方法,但是Delaunay三角网结构本身较好反映个体在水平地面的分布格局,且基于Voronoi图和Delaunay三角网林分空间结构研究不需要对象木与邻木距离量算和角度测量.     

基于Voronoi图的天目山常绿阔叶林混交度

在浙江天目山国家级自然保护区内,选择较典型的常绿阔叶林设置大小为100 m×100 m的样地,用全站仪测定每株树木的三维坐标;提出基于Voronoi图的混交度Mv,并对Mv和传统混交度M进行比较分析.结果表明:Mv通过Voronoi图的相邻多边形确定对象木的最近邻木,比M能更准确地描述种间相互隔离关系;在常绿阔叶林群落中,单株树木的混交度M和Mv均随胸径的增加而增大;群落平均混交度(M)=0.720 7,(M)v=0.743 1,表明不同树种之间的相互隔离程度较高;群落优势种群的平均混交度低于非优势种群,常绿种群的平均混交度低于非常绿种群,其原因是细叶青冈、青冈和短尾柯既是优势种群,又是常绿种群,且它们具有聚集繁殖特性.     

考虑k阶邻近林木的混交度

【目的】为了解决现有混交度不能区分单一树种在不同行间混交方式中的隔离程度问题，提出考虑 k阶邻近林木的混交度( M k)。【方法】依据地物的邻近关系对空间进行剖分，以单株木视为平面点构建 Voronoi图，基于Voronoi图建立对象木的k阶邻近关系。当k取1时，M k 与其他混交度的计算公式及计算结果完全一样；当k取2或更大值时，Mk 采用1/k加权，与 Mg，Mv，Mp 和 Mc 采用相同的计算方法。以湖南福寿林场杉木人工纯林为研究对象，为了进行空间结构优化与调整，在幼龄林林分内补植了观光木和鹅掌楸，采取成片补植与2个树种交叉补植2种不同的空间配置补植方案，对比分析5种不同的混交度(Mg，Mv，Mp，Mc 和Mk)。【结果】在“1+n”空间结构单元中，Mg 和 Mp 不能区分观光木和鹅掌楸补植树种在不同补植方案中的混交度，其中 Mg 2种补植树种的混交度均为1，Mp 2种补植树种的混交度均为0.539； Mv 与 Mc能够区分不同补植方案杉木林的混交度，成片补植方案中杉木的混交度依次为0.027和0.039，交叉补植方案中杉木的混交度为0.043和0.045，但不能区分补植树种的单木混交度。考虑 k阶邻近林木的混交度把空间结构单元从“1+n”扩展到“1+n1+n2+…+ nk”，本文 k取2，即空间结构单元为“1+n1+n2”，Mk 能够区分2种补植方案杉木林与补植树种的混交度，使用 Mg 的计算方法(Mkg)，Mkg在成片补植方案中杉木、观光木和鹅掌楸的混交度为0.098，0.641，0.645，Mkg在交叉补植方案中杉木、观光木和鹅掌楸的混交度为0.101，0.652，0.655，交叉补植方案中杉木、观光木和鹅掌楸的混交度均大于成片补植方案中的混交度，使用 Mkv，Mkp，Mkc计算方法，能够得到同样的规律。【结论】本文提出考虑 k 阶邻近林木的混交度 Mk，其空间结构单元为“1+n1+n2+…+ nk”，空间结构单元的形式更多样，但混交度的计算更加复杂，区分度也更高，提高了单一树种混交度的区分度，能够解决1阶邻近不能区分的混交方式，可反映单木与林分的实际混交状况，为空间结构优化与调整时准确量化混交度提供了理论依据，能够更加准确地反映森林群落中树种相互隔离状况。     

四明山黄山松针阔混交林林分空间结构参数多元分布特征

黄山松Pinus taiwanensis是中国特有造林树种,具有重要的生态和经济价值。为了给黄山松林的可持续经营提供理论参考,文章以浙江四明山黄山松针阔混交林为研究对象,利用基于4株最近相邻木关系的混交度、大小比数、角尺度和密集度4个空间结构参数,分析了该林分的空间结构参数多元分布特征。结果表明：从零元分布看,林分总体上处于中度与强度混交之间的中庸的聚集分布的中等密集状态;从一元分布看,一半以上林木为随机分布,处于各生长状态或各密集程度的林木比例相近;从二元分布看,极强度混交—优势状态林木最为常见,且林木多数处于很稀疏状态的分布格局。大小比数等级与密集度等级呈一一对应关系,即林木处于优势—很稀疏、亚优势—稀疏、中庸—中等密集、劣态—比较密集、绝对劣态状态—很密集的一一对应关系,其中以优势-很稀疏的林木比例最高;从三元分布看,空间结构参数的不同组合下,林木均以随机分布状态最多,以极强度混交—优势状态—随机分布林木、极强度混交—优势状态—很稀疏分布林木、极强度混交—随机分布—很稀疏分布林木、优势状态—随机分布—很稀疏分布林木的最为常见;从四元分布看,极强度混交的优势状态的随机分布的很稀疏分...     

基于Voronoi图的落叶松人工林空间结构研究

文章选取金沟岭林场6块落叶松人工林选调查样地,利用基于Voronoi图确定的空间结构单元计算林分和林木的空间结构因子:聚集指数(R)、混交度(M)、大小比数(U)、开敞度(K)和竞争指数(CI),构造空间结构综合指数(P)模型;采用灰色关联法,分析5个结构因子与空间结构综合指数的关联系数和关联度。结果:①空间结构单位多以1株对象木和5～7株最近邻木构成。②样地以聚集分布为主,混交度较低,林木之间的分化不明显,平均竞争指数基本趋势为林龄越大,竞争越小。③落叶松树种的混交度低,生长空间较为不足,竞争指数相对偏小,在林分中处在较为优势的地位。④空间结构因子对林分空间结构综合指数的关联度大小为M K U R CI。结论:落叶松人工林空间结构综合指数偏低,树种混交度不高、树木生长空间不足,林木之间存在较大的竞争。     

冀北山地杨桦次生林林分空间结构研究

在木兰林管局桃山林场选取面积为100 m×100 m的杨桦次生林样地,以每株林木树高、胸径和坐标为基础数据,运用混交度、大小比数和角尺度等林分空间结构参数分析了杨桦次生林的空间结构特征。结果表明:(1)该林分中山杨Populus davidiana和白桦Betula platyphylla在株数和断面积比例上占优势,为林分内优势树种;(2)林分各混交类型的比例相差不大,林分整体呈中度混交状态;(3)林分优势木和亚优势木相对较多,基于胸径、树高得到的平均大小比数结果基本一致,均能客观反映林分的分化规律;(4)林分平均角尺度为0.504,属于随机分布,林下伴生树种以集聚分布为主,但优势树种的随机分布趋势起决定作用。     

天然红松阔叶林不同径阶林木的空间分布特征分析

为进一步揭示天然红松阔叶混交林的空间结构规律,为合理经营天然红松阔叶林提供借鉴,本研究在吉林省蛟河林业实验区大坡经营区设立面积为1 hm2的样地,利用全站仪对高度1.3 m以上的林木进行每木调查,然后利用角尺度、大小比数和混交度等3种结构参数,分析了样地内不同径阶林木的空间分布特征.结果表明:天然红松阔叶林中小径阶(胸径≤10 cm)林木占总株数的59.4%,其周围林木呈随机分布,与林分的总体分布格局一致.大径木的平均角尺度呈急剧下降的趋势,说明其相邻木挤在一起的现象大幅度减少,相邻树木在其四周趋于均匀分布.林木大小比数随胸径的增大呈迅速减小的趋势,小径木多明显受压,中径木处于中庸状态或亚优势地位,大径木全部处于优势地位.林木混交度随着胸径的增大呈逐渐递增的趋势,竞争压力逐步减小,林木空间分布特征渐趋优化.     

崇州林场柳杉人工林空间结构研究

崇州林场的植被主要是柳杉(Cryptomeria fortunei)人工纯林。为了定量地描述林分的空间结构,调查共设置6个50 m×50 m固定标准样地,对样地中的林木进行每木检尺并绘出它们的坐标位置。研究运用了角尺度参数来量化林木分布的均匀性(即空间分布格局);大小比数来测度树木间的优势度分化,也为种群在林分中的相对地位提供了有益的信息。而混交度则通过参照树周围最近的几株相邻木与其不同种个体所占的比例,来表征林分的物种多样性。借此以单木为基础的结构参数所描述的林分空间混交度、林木大小(胸径)分化程度以及群聚程度,使得定量比较那些具有复杂结构的林分也变得简单易行。这无疑有助于林地的可持续经营和生态管护。     

纳板河流域林分空间结构的林木竞争探究

林分空间结构一般包括树种混交、林木竞争和林分中林木分布格局等三个方面,对它们一般分别采用竞争指数中的混交度、大小比数及角尺度来进行描述。在纳板河流域不同群落类型林分中设置样地进行调查分析,结果表明,从空间竞争中的混交度方面看,热带雨林、季雨林、季风常绿阔叶林及山地雨林林木主要集中在极强度混交之中,只有少许树种会出现强度混交和中度混交,几乎不出现零度混交和弱度混交,稳定性较高;而落叶阔叶林的稳定性由于样地位置不一而表现较大差距,有较稳定的,也有稳定性较差的。从大小比数看,保护区主要林分内树种大小分化较大,优势程度从优势至劣势都有不均等的分布。各林分的角尺度为0.22～0.34,说明样地林木分布格局为均匀分布。     

基于Voronoi图的杉木幼龄林空间结构分析

以将乐国有林场杉木人工幼林为研究对象,设置15块样地,分别计算基于Voronoi图的林分空间结构指数和传统的以最近邻木数取4的空间结构指数。结果表明:2种计算方法在计算大小比数时结果有较高的一致性,但在计算角尺度时结果差异较大。说明Voronoi图在确定林分空间结构单元方面具有灵活性,能够确定更接近实际林分分布的空间结构单元,比传统方法更准确地描述林木空间分布格局和个体大小比。     

基于Voronoi图的角尺度分析方法探讨——以湖南省平江县福寿林场为例

角尺度是一个描述林木空间分布格局的新参数,它通过描述邻近木围绕中心木的均匀性来判定林木分布格局,对空间结构具有很强的解析能力,其应用方兴未艾。为了制定基于Voronoi图计算角尺度时的相关标准,通过1 000次实验,模拟产生了1 000个随机分布面积为1hm2的大样地,确定了基于Voronoi图研究角尺度的标准角为360°/(n+1),通过拉依达准则确定了随机分布时角尺度均值的取值范围为[0.327,0.357],并结合角尺度的定义推理出,均匀分布时角尺度均值的取值范围为[0,0.327),团状分布时角尺度均值的取值范围为(0.357,1]。通过聚集指数和角尺度两种方法分别分析了福寿林场杉木生态公益林中6个实际调查样地的林木空间分布格局,结果是一致的。这一标准的提出为进一步完善角尺度理论,扩大其应用范围,起到了重要的推动作用。     

结构化经营对栎松混交林林分空间结构及稳定性的影响

【目的】研究结构化经营对栎松混交林林分空间结构一元、二元分布特征及稳定性的影响,为结构化经营技术在栎松混交林中的实施和评价提供科学依据。【方法】以甘肃小陇山自然保护区百花林场大干子沟天然栎松混交林为研究对象,2012年设置1块50 m×50 m、2块30 m×30 m固定样地,实施结构化经营;同时设置3块20 m×20 m固定样地,不实施经营措施,作为对照; 2017年对所有样地进行复测。采用角尺度、大小比数和混交度对比经营样地和未经营样地林分空间结构5年前后的变化,并通过最优林分状态的π值法则评价林分稳定性。【结果】1)经营样地在经营前林分水平分布格局接近团状分布,实施结构化经营5年后林分水平分布格局为随机分布;未经营样地林分水平分布格局始终为团状分布。实施结构化经营5年后林分混交度较经营前增加10. 4%,未经营样地5年后林分混交度较5年前仅增加5. 5%。2)实施结构化经营5年后的林分中,处于高度混交且为随机分布、高度混交且为中庸到优势的林木(优势微结构)比例较经营前分别增加21. 63%和13. 84%;未经营样地5年后的林分中,处于高度混交且为随机分布、高度混交且为中庸到优势的林木(优势微结构)比例较5年前仅分别增加3. 75%和3. 35%。实施结构化经营5年后的林分中,处于中庸到优势且为随机分布的林木比例较经营前降低6. 79%;未经营样地5年后的林分中,处于中庸到优势木且为随机分布的林木比例较5年前降低8. 10%。3)林分状态单位圆分析表明,林分状态评价值在实施结构化经营5年后较经营前提高27. 09%,状态由较差到良好,林分稳定性增强;未经营样地林分状态评价值在自然生长5年中提高13. 24%,状态仍为较差。【结论】结构化经营可使林分水平分布格局合理、混交度大幅度增加,优势微结构(高度混交且为随机分布、高度混交且为中庸到优势)林木比例得到明显提高,林分稳定性增强。     

抚育间伐对辽东山区蒙古栎阔叶混交林空间结构的影响

森林结构影响森林生产力与生态功能发挥,抚育间伐是调整森林结构的重要措施之一,为了明确不同间伐强度对蒙古栎阔叶混交林空间结构的影响,以辽东山区蒙古栎阔叶混交林为研究对象,通过设置4种间伐强度:强度41%、中度30%、弱度12%、对照0%,采用基于相邻木关系的林分空间结构参数,结合Hegyi竞争指数,分析了不同间伐强度对蒙古栎阔叶混交林空间结构的影响规律。结果表明:①辽东山区蒙古栎阔叶混交林整体混交度不高,处于弱度到中度混交的过渡状态,间伐能够提高林分的混交度,且随着间伐强度增加而增大。②除中度间伐样地表现为聚集分布外,其他间伐强度样地均属随机分布,间伐能够提高随机分布林木的比例,对于改善林分整体分布格局具有一定的积极作用,但具有一定的不确定性。③大小比数在描述林分整体分化程度时,变化幅度较小,灵敏度欠佳。综合考虑,经过中度、强度间伐后蒙古栎阔叶混交林的林木分布格局更合理,混交度更高。研究结果为天然林可持续经营提供理论依据与技术支撑。     

金沟岭云冷杉针阔混交林林分结构研究

以吉林汪清金沟岭林场1 hm2云冷杉针阔混交林数据为研究基础,对样地内树种组成、直径结构以及树种的空间分布结构进行分析。结果表明:1)优势物种云杉Abies nephrole-pis、冷杉Picea koraiensis、枫桦Betula costata大径阶的单木占多数,云冷杉的峰度值小于0,直径分布较为分散,枫桦峰度值大于0,直径分布比较集中。在物种的胸径分布格局解释上,负指数模型的解释程度要优于Weibull模型。2)该群落树种的平均角尺度为0.545,空间分布格局呈聚集分布,3种优势树种的平均角尺度为0.475～0.517,呈现随机分布特征。3)云杉、枫桦的平均混交度较高,而冷杉的平均混交度相对较低。4)样地所有物种的平均大小比数为0.496,3种主要树种的平均大小比数排序为云杉<冷杉<枫桦,表明云杉竞争力最大,冷杉次之,而枫桦的竞争力最小。该林分结构较为复杂,群落内树种以聚集分布为主,所以应调整林分林木分布格局,促进林木向随机分布格局发展,同时伐除上层的"霸王树"以及病腐木、弯曲树等处于竞争劣势的林木,将混交度维持在中度混交,从而尽可能保留维持群落的物种多样性。     

基于Voronoi空间单元的林分空间结构智能优化研究

使用Voronoi法确定对象木与相邻木存在边缘校正不准确和阈值大小不确定等问题，不利于林分空间结构量化描述。针对这些问题，本研究设定所有距离样地边界线小于0.5 m且不完整的Voronoi单元中的林木为非对象木，并引进对象木与相邻木的距离调控阈值Rmax,修正了Voronoi空间单元在边缘效应处理上存在的对象木和相邻木选取不合理问题。基于修正的Voronoi空间单元，构建了多目标生态采伐方案，并通过蚁群算法进行智能优化。结果表明，调控前20个样地中4个林分空间结构状况相对较差的样地，通过模拟采伐调控后，适应度函数分别提升0.72,0.92,0.93,0.86,证明了该方案对于优化林分空间结构具有较好的效果，可为森林经营决策提供支持工具。     

贵阳市长坡岭林场次生林林分空间结构分析

2017年7月,在贵阳长坡岭林场次生林,选择典型地段设置2个60 m×50 m的样地,运用混交度、角尺度和大小比数3种林分空间结构参数对林分的空间结构进行分析。结果表明:(1)林场林分乔木层主要由13种树种组成;朴树Celtis sinensis,灯台树Bothrocaryum controversum,女贞Ligustrum lucidum,刺槐Robinia pseudoacacia,亮叶桦Betula luminifera,红麸杨Rhus punjabensis var.Sinica,白栎Quercus fabri,梓Catalpa ovata,山桐子Idesia polycarpa,盐肤木Rhus chinensis,山樱花Cerasus serrulata,椤木石楠Photinia bodinieri,刺楸Kalopanax septemlobus等;(2)林分各混交类型所占的比例呈逐渐上升的趋势,林分整体呈强度混交状态;(3)林分的平均角尺度在0.475~0.517范围,林木整体水平分布格局为随机分布;(4)林分大小比数在不同等级的分布比较均匀,整体上接近于中庸状态。     

陕西华州天然次生林林分直径结构研究

林分直径结构反映了各径级林木的株数分布。通过对陕西省华州区秦岭南麓天然次生松栎混交林典型林分设置的4个样地进行每木调查,采用Meyer方程对样地林木以及林分主要树种锐齿栎、油松、华山松直径分布进行拟合,并结合Liocourt提出的q值比率。结果表明:样地总体林木株数按径阶分布呈倒J状,相邻径阶株数比q值为1.422,锐齿栎相邻径阶株数比q值为1.441,油松相邻径阶株数比q值为1.206,华山松直径分布呈近似截尾正态分布。林分林木直径结构总体合理,作为林分主要树种的锐齿栎、油松具有异龄林林木径阶结构特征,而华山松具有同龄林林木径阶分布特征。