便携式森林资源调查仪研制与试验

以数字图像处理技术、摄影测量技术、测树学为理论基础,研制可用于森林资源调查的多功能调查仪。该仪器主要由Cortex-M3中央处理芯片、激光测距模块、倾角传感器、蓝牙模块、LED彩屏、CCD镜头等电子元件组成,测量时获取距离、倾角、图像等信息,并使用C语言在Keil uVision4开发平台下构建一套集单木测胸径、单木测树高、单木测材积、圆形样地观测4个主要功能模块于一体的软件系统嵌入到测树仪中。结果表明,单木测量功能的平均精度高达96.98%,方差为0.023 3,其中单木因子测量中的胸径测量精度高达97.85%,树高测量精度高达97.46%,材积测量精度高达95.64%;圆形样地观测功能林分参数获取,林分平均胸径测量精度高达97.92%,林分平均高测量精度高达97.97%,株数密度测量精度高达96.54%,蓄积量测量精度高达95.79%,符合国家森林资源二类调查中的精度要求,该仪器可在林业调查工作中进行推广和应用。     

用林分生长模型更新小班主要调查因子的方法研究

小班的单位面积株数、平均胸径、平均树高、平均单株材积、平均年龄、单位面积蓄积等是森林小班最基本的特征数据,是森林资源小班调查的主要因子。以复位固定样地数据为基础,建立林分生长模型系统,包括单木材积模型、株数模型和进界模型等,并将该模型系统用于浙江省林业重点县仙居县的小班数据更新,结果较好。     

基于随机森林算法的落叶松?云冷杉混交林单木胸径生长预测

目的单木生长受气候、林分等多种因子影响,需要利用适当的方法厘清气候以及林分中影响林木生长的主导因子。随机森林等机器学习方法提供了一种新的途径,需要检验利用随机森林算法分析气候和林分因子对林木生长影响的可靠性,为森林生长收获预估提供新的方法。方法以吉林省汪清林业局20块落叶松?云冷杉混交林固定样地25年（1986—2010年）间连续调查数据作为研究材料,候选气候和林分因子52个,利用随机森林算法建立了包含气候和林分的单木胸径生长模型,分析气候和林分因子对单木胸径年平均生长量的影响:基于52个超参数组合（决策树数目ntree = 1 000、决策树每个结点随机选择的预测变量个数mtry = {1, 2, ···, 52}）构建了52个随机森林模型,利用10折交叉验证法分别训练和评估52个随机森林模型;基于完整数据集,利用最优随机森林模型分析自变量对单木胸径年平均生长量影响的相对重要性以及偏依赖关系。结果ntree = 1 000、mtry = 12所对应的模型是52个模型中具有最佳泛化能力的模型,该模型具有最大的交叉验证决定系数R2_cv（R2_cv = 0.54）,以及最小的交叉验证均方根误差RMSE_cv、交叉验证平均绝对偏差MAE_cv和交叉验证相对均方根误差rRMSE_cv（RMSE_cv = 0.14 cm、MAE_cv = 0.10 cm、rRMSE_cv = 50%）。单木胸径年平均生长量受林分因子的影响极大,相对重要性超过80.00%。8个林分因子中,大于对象木的林木断面积之和BAL对单木胸径年平均生长量影响最大,林分每公顷株数N对单木胸径年平均生长量影响最小,其他因子对单木胸径年平均生长量影响介于两者之间;单木胸径年平均生长量随BAL、林分每公顷断面积BA、N以及林分断面积平均胸径D_g的增加而下降,随对象木胸径与林分断面积平均胸径之比RD、林木期初胸径D₀以及对象木胸径与林分中最大林木胸径之比DDM的增加而增加。单木胸径年平均生长量受气候因子的影响较小,相对重要性低于20.00%。44个气候因子对单木胸径年平均生长量的影响均较小（相对重要性均 < 1%）,其中,生长季平均降水量（4—9月）与年均降水量之比Pratio、年总太阳辐射时长Asr、生长季平均降水量（4—9月）与生长季相对湿度（4—9月）之比Gspgsrh以及生长季太阳辐射时长（4—9月）Gssr是前4个相对重要的变量。结论随机森林模型能够较好地解析各变量与单木胸径年平均生长量之间复杂的关系,单木胸径年平均生长量受林分因子的影响极大,而受气候因子的影响较小。总体而言,在局部尺度上,林分因子是影响单木胸径生长的主导因子,而气候因子对单木胸径生长的解释能力有限。随机森林模型具有一定的泛化能力和统计可靠性,产生的变量重要性和偏依赖图具有合理的林学意义。      

抚育间伐对光皮桦次生林生长的影响

对分布于贵州省织金县茶店乡的7年生光皮桦次生林进行抚育间伐试验。结果表明：抚育间伐对林分胸径、树高和单株材积生长具有不同程度的影响：强度间伐的影响均达到显著程度,中度间伐的影响对胸径、树高生长未达到显著水平,对单株材积生长达到显著程度。试验林分的蓄积量总体上呈逐渐上升趋势,强度间伐林分的蓄积量最高,中度间伐林分次之,对照林分最低。间伐之后10年,强度间伐林分的平均胸径、树高、单株材积和蓄积量,比对照林分分别高31.3%、28.2%、116.5%和44.7%,中度间伐林分比对照林分分别高10.0%、9.3%、30.8%和23.3%。在试验地区中等立地条件下,对林龄为7年、密度达7 630株/hm2以上的光皮桦次生林,进行适宜强度的抚育间伐是十分必要的。如要将其培育成为建筑、家具、坑木等用材林,按株数计算的间伐强度以不低于50%为宜。     

不同造林密度对泡桐幼林生长和林分蓄积量的影响

[目的]研究造林密度对泡桐幼林生长和林分蓄积量的影响。[方法]在广西自治区南宁市江南区苏圩镇,采用随机区组试验设计研究不同造林密度(625、833、1 111、1 666株/hm~2)对2年生泡桐生长、材积、蓄积量的影响,经过定位观测,探讨种群密度与胸径、树高、立木单株材积、冠幅、蓄积量、枝下高等的作用规律和相关模型。[结果]造林密度对胸径、冠幅及材积和蓄积量的影响达极显著水平;造林密度对树高、枝下高的影响达显著水平。[结论]泡桐幼林的合理造林密度在1 111~1 666株/hm~2。     

应用LIDAR技术预测林分蓄积量

以优势树种铅笔柏为研究对象,将LIDAR技术测量的抽样木树高与全站仪实测树高进行可行性研究.在可行性的基础上,将LIDAR测得的树高进行改正,得到林木的调查因子——树高.将此因子与抽样木的材积进行回归分析,建立起两者之间的回归模型.统计出测区的铅笔柏的总株数和每株木的树高,根据树高和材积之间的回归模型,计算出测区的铅笔柏的蓄积量,并与用标准样地法测得的蓄积量进行对比,发现两者的差距不大,其相对误差为4.25%,可以满足林业上对林分蓄积量的调查,为林分蓄积量的调查提供了一种新的方法.     

29年生杉木不同造林密度生长进程分析研究

本文通过对２９年生不同造林密度杉木林分的树干解析，全面分析胸径、树高、材积的生长过程，结果表明：在相同林龄下，树高、胸径和材积的生长指标均随密度增大而递减；胸径和树高的连年生长量与平均生长量相交年限有随密度增加而减少趋势，且密度大的林分速生期较密度小的林分有所缩短；平均单株材积生长进程随密度的增大而减慢。     

杉木中幼林抚育间伐效果分析

对初植密度为3 000株/hm2的7～9年生杉木林进行不同始伐时间、不同间伐强度试验,结果表明：始伐时间越早或间伐强度越大,林分平均胸径、树高、材积的增幅也越大,经济效益越高。其中以7年生、间伐强度30%对林分的胸径、树高、材积的生长效应最明显,以7年生、间伐强度20%的林分蓄积量为最大。以培育大中径材为目标,则适宜的初次间伐方案为始伐期7年生、间伐强度30%,若培育中小径材的林分,则宜为始伐期7年生、间伐强度20%。     

杉木幼龄期良种与密度控制的生长动态效应

【目的】探讨杉木良种和初植密度2个控制因子对杉木幼龄期林分生长的影响及其互作效应,旨在为杉木良种与初植密度的优化配置提供理论依据,以切实通过良种良法的有效结合提升杉木人工林产量与质量。【方法】采用随机区组试验设计,在福建省邵武卫闽国有林场营造杉木良种和初植密度互作试验林,根据8年的逐年定位观测资料,分析杉木良种和密度控制的林分生长动态效应。【结果】林分生长前期密度效应差异不显著,后期随林龄增长各密度间树高、胸径、冠幅、单株材积生长差异逐渐增大,一般到7～8 a时,各密度间生长差异达显著性水平;整个调查期间,各密度间蓄积量生长差异达极显著水平。在6 a时,冠幅生长的良种效应差异达显著性水平,8 a时,胸径生长的良种效应差异达显著性水平;整个调查期间,树高、单株材积和蓄积量生长的良种效应未达显著性水平。初植密度与良种水平交互作用对幼龄期林分生长未达显著性水平。【结论】良种和初植密度对杉木幼龄期林分生长的影响具有叠加效应,且随林龄增长,这种叠加效应愈明显,8 a时,林分平均单株材积在3世代良种和初植密度为1 667株/hm~2这一组合下最大,为0.037 2 m~3,比其他组合至少高27.96%;而蓄积量在3世代良种和初植密度为6 667株/hm~2这一组合下最大,为75.386 5 m~3/hm~2,比其他组合至少高2.91%。     

基于TLS数据的单木胸径和树高提取研究

利用TLS测量森林参数(树高、胸径和林分密度等)不仅节省人力,而且还能提高工作效率,目前已成为快速获取树木几何参数的有效方法之一。本文利用地基激光雷达数据,提出了一种半自动方式提取单木参数的方法。首先,利用发射脉冲与接收回波脉冲的形状偏差和强度对原始点云数据中的“飞点”和噪点进行滤除;然后,配准各站点云数据;接下来采用不同目标回波过滤方法滤除部分树叶点和其他非树干点;抽稀、合并各站点云数据,对合并后的点云数据水平分层并生成对应的灰度影像;对灰度影像采用Hough变换方法估测单木位置和胸径;对Hough变换检测层数较少的结果采用椭圆拟合方法重新检测;最后,结合Hough变换和椭圆拟合检测结果从点云数据中提取单木位置、胸径和树高。用小兴安岭凉水自然保护区的白桦天然次生林对算法进行了检验,5块多站扫描样地单木识别的平均精度为72.16%,将所提取的单木位置、胸径和树高与外业实际测量数据对比,结果一致性较高。5块多站扫描样地的胸径和树高均方根误差分别为2.38、2.55、3.58、2.21、1.92 cm和4.31、3.87、2.34、5.00、3.47 m。      

手杖式测树仪研制与试验

为了在森林资源调查中能够便捷、快速、精准、高效地获取立木胸径和树高,设计研发了一种手杖式测树仪,其以固定长度手杖为主体,搭载智能手机和测树软件。该设备在传统林业调查装备理论的基础上利用了测树学、摄影测量学、机械加工学、机器视觉、影像处理等技术,通过智能手机影像处理软件实现了胸径的自动识别、测量、记录,并通过手动截取完整立木与所得胸径值演算树高等功能,可以统一编辑、存储、导出最终所得胸径树高。分析结果表明,该手杖式测树仪所得胸径和树高的编差Bias分别为0.29、0.48 cm,相对误差Bias%为1.5%、4.2%,RMSE均为0.70 cm,相对RMSE%为3.6%、6.1%,基本满足二类调查A类精度要求,具有一定的应用价值和推广潜力。     

基于智能手机与机器视觉技术的立木胸径测量方法

针对现有森林资源调查中立木胸径测量工作劳动强度大、效率低,先进设备操作复杂、成本高等问题,结合相机标定、三维重建、机器视觉和近景摄影测量等技术,探索基于智能手机与机器视觉技术的立木胸径测量方法。通过智能手机获取待测立木的图像信息,运用Lab颜色空间模型(Lab color model)和3×3算子对图像进行卷积运算,得到立木图像的视觉显著图; 结合HSV颜色模型(色调H,饱和度S,明度V)中的H分量增强图像中立木树干部分的颜色对比度,通过图像分割算法识别并获取自然环境下的目标立木轮廓区域; 通过一种改进的带有非线性畸变项的相机标定模型标定智能手机的相机内、外参数,并借助相机参数和二维图像信息进行三维世界坐标重建,从而实现树干1.3 m处胸径的测量。经验证,一定距离内胸径测量结果的相对误差小于2.50%。该方法测量精度较高,符合森林资源调查对胸径测量的精度要求,可应用于森林资源调查。     

基于稀疏型机载激光雷达数据的风景林参数估测

稀疏型机载激光雷达（LiDAR）数据,由于点云密度低,难以对单木尺度的森林参数进行估测,在森林资源监测领域的潜在应用价值没有得到充分发挥。以江苏省南京市紫金山国家森林公园为研究区,以2007年机载激光雷达Optech ALTM LiDAR数据、2007年森林资源规划设计调查数据为主要信息源,在机载LiDAR数据预处理、特征参数提取的基础上,采用多元线性回归、随机森林、支持向量机3种方法,估测小班林分平均树高、平均胸径和单位蓄积量并进行对比分析,同时对森林参数进行空间制图。结果表明:1） 高度百分位数和累计高度百分位数是影响小班平均胸径、平均树高和平均蓄积量的主要特征参数;2）3个遥感估测模型精度对比分析表明,平均胸径、平均树高、单位蓄积量3个参数的估测精度,均是随机森林算法最高,支持向量机次之,多元线性回归最低;3）平均树高、平均胸径、单位蓄积量的空间分布规律一致,人为干扰严重的公园边缘地区和土层瘠薄、立地条件差的山脊较低,山南及山北中部最高。稀疏型机载激光雷达（ALS）数据在林分尺度的森林参数估计中具有较高的精度,可以用于森林资源规划设计调查小班的测树因子估测。本研究应用稀疏型机载激光雷达数据估测风景林森林参数,为稀疏型LiDAR数据在森林资源规划设计调查中的推广应用提供参考。     

闽楠天然林与人工林生长特性研究

通过江西吉安闽楠天然林和人工林的群落调查及树干解析分析,结果表明,闽楠天然林和人工林树高、胸径及单株材积等生长特性基本相似.其生长过程大致可分为3个时期,1～10 a为树高、胸径及单株材积生长的缓慢期;10～20 a为树高生长速生期,此时闽楠林树高连年生长量达0.60 m以上;10～30 a胸径生长急剧上升,期间胸径连年生长量达到0.86 cm以上;15～25 a时材积生长逐渐加速;20 a后为树高生长匀速期,连年生长量平均为0.33 m;30 a后胸径生长速度变慢,连年生长量平均为0.44 cm,33 a时达到数量成熟,并且随着树龄的增大,树形不断向圆锥体靠近;25 a后材积生长迅速提高,平均生长量达0.013 63 m~3,说明闽楠生长速度并不缓慢,是培育珍贵阔叶树种大径材优良树种之一.     

沙质海岸相思类树种的生产力与生态效应

针对福建沿海防护林树种单一化严重,林分结构简单,防护林生物多样化和生态系统稳定性差的现状,开展沙质海岸造林新树种选择研究,筛选适合于沿海特殊生境生长的优良种植材料。结果表明,厚荚相思、马占相思和大叶相思在沿海恶劣环境下具有较高的生产力,厚荚相思平均胸径、树高、单株材积和蓄积量分别是木麻黄的2.0倍、1.6倍、6.6倍和6.0倍;马占相思上述生长指标分别比木麻黄大76.7%、53.3%、494.5%和451.3%;大叶相思生长量与木麻黄相接近。厚荚相思、马占相思和大叶相思防护功能强,林内相对风速分别下降71.6%、56.6%和74.4%,而且3个树种能改善土壤理化性质,提高土壤肥力。以厚荚相思和马占相思构建防护林可形成持续稳定的生态防护屏障。     

日本落叶松人工林生长量的灰色—马尔柯夫预测

应用灰色GM(1,1)模型进行日本落叶松人工林生长趋势预测,在对43块标准地进行每木检尺的基础上,获得了不同龄阶平均单株木的3个测树因子胸径、树高、材积的总生长量,利用这些基于时间序列的原始数据对GM(1,1)模型进行拟合。其模型模拟检验精度:胸径、树高、材积均为Ⅱ级可用水平;发展系数|a|<0.3,可用于中长期预测。由预测产生的相对误差的大小,将原始数据划分为4种状态,分别写出胸径、树高、材积的四步概率转移矩阵p(i),建立灰色—马尔柯夫预测模型。从对32、34龄阶的预测结果看,灰色—马尔柯夫模型预测的平均相对精度分别为胸径99.22%、树高99.73%、材积98.33%,能进行高精度的预测工作。     

天然阔叶林蓄积量调查的误差分析与控制

为了研究如何提高天然阔叶林蓄积量的调查精度,在浙江凤阳山-百山祖国家级自然保护区五岭坑天然阔叶林内建立6个30 m×30 m样地,采用多种方法对林分蓄积量进行统计和分析。结果表明,采用平均标准木法和平均树高法测量林分蓄积量存在较大的误差,蓄积量相对误差与树木的胸径方差存在显著的线性关系。提出的3种简便方法即霸王木外标准木法、分径级区间标准木法和霸王木外分径级区间标准木法可以有效地控制蓄积量误差。采用霸王木外标准木法可以减小较大的误差,采用分径级区间标准木法则可以较大地减小误差范围,而采用霸王木外分径级区间标准木法能够更大程度地减小误差范围。     

基于16线阵TLS数据的单木识别及林分断面积估测研究

目的地基激光雷达(TLS)可以对林冠下层进行快速、非破坏性的三维测量，与传统森林参数调查相比，节省了大量人力、物力和时间，在林业调查中有广泛应用。目前的研究集中在基于全方位TLS数据的参数提取，全方位扫描获取的点云数据量庞大，所需扫描时间较长，而针对快速扫描的多线阵点云数据的研究较少，相关算法有待提出，多线阵激光雷达数据的应用能力也有待验证。方法以北京市东升八家郊野公园和奥林匹克森林公园内的人工林为研究对象，基于多个单站扫描采集的16线阵TLS点云数据，提出了一种新的树干识别算法。该算法利用点云到达目标单木及周围其他物体距离的差异，检测出树干表面点云，并结合随机采样一致性(RANSAC)算法拟合圆，提取单木胸径；在此基础上引用角规抽样技术，进行林分平均胸高断面积的估测。结果对于多个单站扫描数据，单木检测率均在80%以上，株数密度最小的样地单木检测率可高达95%；对于单站数据，单木平均检测率随着扫描半径的增加而下降，在10 m左右范围内可以达到较高的检测率。以样地中被正确检测到的单木胸径估测值与实测值建立回归方程，单木胸径估测的决定系数R2在0.72~0.82之间；计算各样地单木胸径实测值与估测值的平方平均数，林分平均胸径估测精度均在90%以上，最高可达到99%，表明在样地水平上有较好的胸径估测效果。由TLS提取的胸径值结合角规抽样原理计算林分平均断面积估测值，与实测值相比，林分平均断面积估测精度可以达到90%左右。结论本文提出的算法能够基于单帧16线TLS数据提取单木参数，实现林分平均胸径及单位断面积的快速高效估算，为林业调查提供了一种新方法。      

马尾松半同胞家系子代林遗传增益分析

以湖北省京山县太子山林场管理局马尾松实生种子园子代半同胞家系16年生林分为研究对象,测定了胸径、树高、枝下高、冠幅和材积等生长因子,结果表明:不同半同胞家系林木各生长因子间差异均达极显著水平,说明马尾松林木半同胞家系间存在较为丰富的遗传变异,具选育潜力。16年生半同胞家系马尾松林分树高、胸径及材积遗传力分别为0.843 5,0.740 5及0.750 6。根据性状遗传力的大小,以树高、胸径和材积作为优良马尾松半同胞家系选择指标。采用10%入选率进行选优时,可选出9个优良半同胞家系,其树高、胸径和材积遗传增益分别可达13.37%、25.57%和51.53%。     

造林密度对白杨杂种无性系初期生长性状的影响

在河北威县毛白杨繁育基地,采用完全随机区组试验研究不同造林密度（2 500、1 667、1 111、833、625、500、417株/hm2）对5年生毛白杨杂种无性系S86生长及产量性状的影响,探讨造林密度对生长性状的作用规律。结果表明:造林后4年,造林密度对林分胸径、立木单株材积的影响效用突显出来并达极显著水平,对树高生长的影响仅在造林当年显著,对蓄积量的影响在前5年内的各年均呈显著水平;造林密度与胸径、单株材积的生长存在极显著负相关关系,与蓄积量的生长呈极显著正相关,与树高生长呈显著负相关。造林密度对生长指标连年生长量的影响与造林密度和生长指标有关,一般造林密度超过1 111株/hm2时,连年生长量峰值出现较早,速生期持续期较短,低密度林分连年生长量峰值出现较晚;培育短周期S86无性系工业用材林,在造林后2～4年内是林分的快速生长期。