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。     

林分空间结构指标研究进展

林分空间结构指标是定量描述林分空间结构特征的指标,是林分空间结构研究的热点和难点问题。在分析林分空间结构单元研究现状的基础上,从林分树种隔离程度、林木竞争、林木空间分布格局、垂直结构4个方面综述了林分空间结构指数的研究动态,并指出目前采用n=4或普通Voronoi图构成的空间结构单元计算林分的空间结构指数的两种方法都存在缺陷,而将林木的胸径、树高和冠幅作为综合权重,生成加权Voronoi图确定空间结构单元能弥补前述两种方法的缺陷;采用单个林分空间结构参数来分析林分的空间结构某个特征或某个树种的整体特征,无法表达具有某类共同特征的林木微观结构。将空间结构参数两两联合后形成的联合概率分布,以三维空间形式展示林分空间结构将是未来林分空间结构分析的趋势。     

基于林分特征的林木个体信息估算可视化模拟技术

以湖南攸县黄丰桥国有林场为试验区,以6块典型的杉木人工同龄纯林为研究对象,研究林木径阶与其Voronoi多边形面积间的对应关系。以模拟样地为例,在林木株数、林分算术平均胸径与样地大小设定的前提下,研究林木空间分布格局特征,建立计算机模拟点阵生成算法;利用Weibull分布模型对样地内林木径阶分布进行估算,根据林木Voronoi多边形面积与其径阶间的对应规律,对林木胸径进行分配,参考林木测树因子估计模型对林木树高与冠幅因子进行估算;采用ArcgisEngine10开发技术,开发样地Voronoi多边形分析模块,结合GDI+与MOGRE技术,建立基于林分特征的林木个体信息估算可视化模型。结果表明:林木Voronoi多边形面积的算术平均值与所对应径阶间总体呈正相关关系;林木空间格局生成算法高效且适用;林木胸径因子分配考虑了空间环境的影响,贴近林木生长规律;可视化模拟技术可直观表现以上过程与结果,增强可操作性。此方法可用于解决由林分整体特征估算林木个体信息的难题,可为林业科学研究提供基础数据,可为森林可视化模拟提供技术参考。     

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。     

森林空间结构分析中基于Voronoi图的样地边缘校正

【目的】提出一种新的样地边缘校正方法——Voronoi图结点距离判定,为森林空间结构分析和调控提供技术支撑。【方法】为评估Voronoi图结点距离判定的性能,引入量化评估指标RMSE,采用角尺度、聚集指数和大小比数等空间结构指数构造RMSE,并通过设置不同场景的模拟样地和调查样地,将Voronoi图结点距离判定与其他校正方法进行比较和分析。【结果】缓冲区法、最近邻体校正、Voronoi图结点距离判定虽同属减少样本类校正方法,但各校正方法的性能及效果受到林木样本量、林木空间格局、空间结构指数、样地情况等因素影响,差异很大。缓冲区法虽简单易行,但样本浪费严重,且同时存在漏判和误判2种误差,其校正样地的RMSE曲线通常维持在较高水平。Voronoi图结点距离判定可视为缓冲距离随边界林木实际分布自适应变化的校正方法,具备更强的校正能力,能最大限度地排除样地外林木的边缘干扰,在角尺度、大小比数以及样本量充足的聚集指数计算中均优于其他校正方法,但也存在误判及样本利用率偏低等不足。最近邻体校正的性能介于缓冲区法和Voronoi图结点距离判定之间,其RMSE曲线的整体水平要高于Voronoi图结点距离判定。【结论】林木样本量与样地边缘校正密切相关,对于样地大小和林分密度的任何改变最终都体现在林木样本量的增减上,维持充足的林木样本对于样地校正尤为重要。林木空间分布是影响样地边缘校正的另一重要因素,当林木呈随机分布或均匀分布时,样地边缘校正的重要作用能得到更好体现。此外,样地经过校正后,各类空间结构指数的计算精度均能获得显著提高,且聚集指数的计算需要样地提供充足的林木样本量。     

混交度在不同相邻木选取方案下的差异性研究

为了厘清林分混交度在不同相邻木选择方案下的差异,寻找不同相邻木选取方案适用于哪种林分类型的混交度求解证据,为林分空间结构相关问题的研究提供参考。依据聚集分布林分、随机分布林分、均匀分布林分及稀疏分布林分类型,在南洞庭湖区的龙虎山设置了31块样地,分别使用基于"1+4"最邻近相邻木、基于半径R(R=3.05m)圆及基于Voronoi图的方法求解了各样地的单株相邻木数、单株林木混交度及林分平均混交度值,并探究了不同方案在不同林木类型之间的相关性。1)从总体林分平均混交度的角度上看,实验样地中除了稀疏分布中基于半径R圆的相邻木选择方案求得林分平均混交度的值偏低之外,其它几种林分的平均混交度值差别均不大。2)从单株的角度上看,不同林分类型中对象林木的混交度值在不同相邻木选择方案下存在差异。3)基于"1+4"最邻近相邻木与基于Voronoi图的相邻选取方案在不同林分类型中的相关性相对较高。不同的相邻木选择方案在不同的林分类型下虽各有优势,但从总体上看,使用基于"1+4"最邻近相邻及基于Voronoi图的相邻选取方案在求解不同类型林分混交度的稳定性和精确性相对较高。     

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。     

利用修正曲线法确定抚育间伐强度

在天然林或人工林内,林木个体大小、数量分布能反映出林分的生长状况和林木之间的竞争关系,是林分结构特征的重要指标。从林木株数按径分布规律来看,有三种状态:1)右偏态,这表明该林分密度太小,营养空间还没有得到充分利用。2)正态或近似于正态。这表明该林分密度适中,营养空间得到了合理利用。3)左偏态。表明林分密度过大,林木之间竞争剧烈,必须加以调节。     

基于Voronoi图的奥林匹克森林公园风景游憩林空间结构分析

探究林匹克森林公园的林木竞争指数的空间格局,为合理经营森林提供依据。利用GIS的Voronoi图空间分析功能,确定空间结构单元;运用地统计学分析了林木竞争指数分布的空间变异特征,计算了竞争指数的变异函数,并用Kriging方法对竞争指数进行了插值。结果表明:在试验区内,林分存在7种空间结构单元,其中以1株对象木和5株最近邻木的空间结构单元最为常见;竞争指数的半方差函数可拟合成线性模型,呈随机分布;竞争指数的空间异质性较大。建议采取间伐和补植措施,以优化林分空间结构。     

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。     

华北落叶松树干液流的个体差异和林分蒸腾估计的尺度上推

2005年6-10月在宁夏六盘山南侧的西峡林场,选择比较均匀的坡面(坡度45°),布设了20m×20m的华北落叶松固定标准地,应用热扩散茎流计连续测定13株树木的树干液流.结果表明:不同径级树木的树干日液流量存在较大差异,在6-7月,其值变化在11.17～24.46kg·d-1,变异系数CV为0.298(n=5);在8-10月,其值变化在5.01～22.25 kg·d-1,变异系数CV为0.454(n=13).方差分析表明,胸径和液流密度是2个显著影响树干日液流量变异的因子,前者主要通过决定树干边材面积来控制树干液流量大小,它可以解释变异方差的56.9%;树干液流密度可以解释变异方差的34.7%.相关性分析表明,树干液流密度与与林木个体的生长指标(树高、胸径、冠幅和边材面积)无显著相关关系,但与林木的空间指标--树冠重叠度呈显著线性负相关(r=-0.668),即树干液流密度随树冠重叠度增加而降低,说明树干液流密度主要受其林木所处的空间位置及周围树木遮荫影响而发生变化.最后,利用树干液流密度与树冠重叠度之间的关系,提出基于林木空间差异估计华北落叶松林分蒸腾量的方法,并与常用的基于边材面积的尺度转换方法进行对比.结果表明,2种方法估计的林分日蒸腾量的数值变化趋势基本相同,但基于林木空间差异的方法估计的华北落叶松林分平均日蒸腾量为1.15mm·d-1,而基于边材面积的方法的估计值为1.32mm·d-1,前者低于后者13.13%,说明不考虑林木空间特征可能会导致林分日蒸腾量估计值偏大.     

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.     

林分密度及混交度对长白山天然风景林树木形态的影响

【目的】以期探明天然风景林不同林分密度、不同混交度条件下树木形态的变化规律,及林分密度、混交度及其交互作用对不同大小树木个体形态特征的影响机理。【方法】采用综合指数法建立4个树木形态指数,通过分析65块样地的林分空间结构信息与样地内1 891株林木个体各形态指数的关系,研究林分密度和混交度对长白山天然风景林树冠、树干形态及干冠协调程度的影响。【结果】林分密度对各树木形态指数均产生极显著影响(P0.01),并与林木空间占有指数、干冠协调指数、树冠扩展指数呈负相关关系,与干形通直指数呈正相关关系,林木空间占有指数、干冠协调指数在各径级树木个体上受密度的影响均达到显著水平(P0.000 5),树冠扩展指数、干形通直指数受林分密度的影响分别只在中径级(P0.000 5)和小径级(P=0.017)树木个体中达到显著水平;混交度与林木空间占有指数、干冠协调指数、干形通直指数呈负相关关系,与树形扩展指数呈正相关关系,其中对干冠协调指数的影响达到显著水平(P0.000 5),并且在小径级树木和大径级树木个体上作用分别达到极显著(P0.000 5)和显著(P=0.038)水平;密度和混交度的交互作用对干冠协调指数产生极显著影响(P0.000 5),林分密度对干冠协调指数的影响程度随混交度的增大而呈现先增后减的趋势,混交度对干冠协调指数的影响程度随林分密度的增大而呈现先减后增的趋势。【结论】林分密度和混交度通过改变风景林树木的邻体竞争关系,进而显著影响风景林树木个体的树冠、树干形态及其协调关系,其中林分密度是主导因素,在研究范围内高于1 200株·hm~(-2)的林分密度会抑制各径级树木体积的增大和干冠形态比例协调程度的提升,混交度在林分密度高于1 600株·hm~(-2)或小于800株·hm~(-2)时显著影响大径级和小径级树木个体干冠形态的协调性,低密度中度混交的林分最有利于树木个体干冠形态的协调发展。     

落叶松人工林最适密度的探讨

以林分中的优势木和亚优势木的树冠面积,作为单株林木最适宜的生长发育空间,来确定合理的林分密度,并依据林木胸径和树冠面积的密切关系,最终由林分平均胸径来确定林分最适的经营密度。     

马尾松天然次生林林分结构特征分析

为分析马尾松天然次生林的林分结构特征和不同空间结构参数间的相互关系,以改善其林分结构。以广西金秀县的9块马尾松天然次生林样地为研究对象,分析其直径构成,计算林分及林木的混交度、角尺度和大小比数3个空间结构参数,制作二元分布图,探讨两两之间的关系,分析林分空间结构。结果显示,马尾松天然次生林直径分布特征为左偏单峰尖峰山状分布,80.22%的林木直径集中在6～14 cm径阶范围;林分的空间分布格局为不均匀的团状分布,树种隔离程度较好,中度混交;林分中处于随机分布、劣势木和极强度混交的林木占比较多。马尾松天然次生林林分树种隔离程度较好,林木大小分化程度较为均匀,但林分空间分布格局不均匀,应采用去劣留优、补植优良乡土树种等方法,改善林分结构,促进林分天然更新,提高林分质量,实现森林资源的永续利用。     

冀北山地落叶松人工林直径生长与空间结构的关系

在河北省围场县桃山林场落叶松人工林中选取65组林木,进行大小比数与直径生长关系的分析。基于落叶松(Larix olgensis Henry)人工林固定标准地的每木检尺表数据,针对人工林普遍具有混交度低,分布均匀的特点,主要从林分竞争机制和树冠营养空间利用情况等方面提出了利用Hegyi竞争指数、生长空间指数、生长空间竞争指数分析优化林分空间结构,进一步比较不同择伐程度下林分空间结构变化的大小。结果表明:中心树生长出现两种情况,有明显被压过程和无明显被压过程。林分竞争主要集中在8～15a,是进行抚育间伐的最佳时期,可以为林木提供更大的营养空间,保证林木正常健康生长。     

鄂西亚高山日本落叶松人工林雪灾调查

以建始县国营林场日本落叶松人工林为对象,采用普查和典型抽样相结合的方法调查林木受灾程度及相关影响因子,分析立地因子、林分结构特征和林木生长特性与受灾程度的相关关系及其影响程度,为预防雪灾和提高雪灾抵御能力提供参考和借鉴.研究结果表明:海拔对受害程度具有极显著影响,以海拔1800 m为区分线,上下区域受灾程度存在显著差异,高海拔区域受灾程度是低海拔区域的2倍;不同坡向和不同坡向类型的受灾程度具有显著或极显著差异,其中东坡受灾程度最为严重,而半阴半阳坡>阳坡>阴坡;林分抵御雪灾的能力随着林龄的增长而增强,25年以上的林分的受灾程度明显较轻;密度超过2 000株·hm-2的林分受灾程度极为严重,是密度1 000株·hm-2以下的林分的近3倍;倾伏木与未受损木间有显著差异,高径比小的林木具有较强的抗倒伏能力.主要侧根数量较多、平均粗度较粗、根系生物量大的林木的抗倒伏能力明显较强.适地适树、合理密度控制、促进根系发育是提高林木抵御雪灾能力的有效途径.     

沙地樟子松林分密度对林木生长的影响研究

以红花尔基地区沙地樟子松人工林为研究对象,研究林分密度与胸径、树高、生物量等林分因子之间的关系。结果表明,沙地樟子松林分密度对其林木生长因子的影响有显著相关性和规律性,随林分密度的递增,林分平均胸径、平均冠幅、单株材积、林木各器官生物量等各项指标呈减小趋势,二者呈幂指函数相关关系,y=ax~b,对树高影响不显著,但树木的高径比随密度增加呈增大趋势;林分密度对单株和不同器官生物量均有显著影响,随林分密度的增加而减小;林下植被生物量和多样性与林分密度呈极显著负相关。     

云冷杉针阔混交林更新幼树密度的影响因素

为明确混交林更新幼树密度的关键影响因子,以利于云冷杉针阔混交林幼树生长更新。以东北针阔混交林为研究对象,测量样地海拔、坡度、坡向等立地因子,利用Voronoi图确定林分结构单元,计算林分结构指数;统计分析乔木层各树种株数,计算得出树种多样性指标;然后利用Pearson相关性分析、通径分析法探索各影响因素与混交林更新幼树密度间的相关关系,总结得出各因子对幼树密度的贡献大小。研究结果表明:林分平均混交度为0.74,总体属于强度混交;林分平均角尺度为0.43,林分为均匀分布;林下更新幼树状况不佳,小径级幼树居多,总体处于递减状态。混交度、角尺度、辛普森指数、香农指数、均匀度指数对更新幼树密度影响显著(P<0.05),但其他变量对幼树密度的影响均不明显,可能是各样地间立地因子差异并不显著的原因。通径分析结果表明,影响因子对幼树密度的贡献大小依次为辛普森指数、均匀度指数、香农指数、混交度、角尺度。因此,要想改善天然混交林更新幼树生长状况,现阶段应以调整乔木树种多样性为主。