立地分類與評價(jià)研究現(xiàn)狀

肖春蓮

(眉山市東坡區(qū)三蘇林業(yè)站，四川 眉山 620000)

立地分類是指根據(jù)植被生長效果及其立地條件等綜合要素的異同，將立地劃分成不同類別和等級，從而進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上建立立地質(zhì)量評價(jià)，對其宜林性或潛在生產(chǎn)力進(jìn)行評估和預(yù)測[1]。對森林立地進(jìn)行分類和評價(jià)不僅是林業(yè)改造規(guī)劃、生產(chǎn)和經(jīng)營管理的基礎(chǔ)工作，而且是了解森林植被生長環(huán)境，研究掌握環(huán)境對森林類型及其生產(chǎn)力影響的重要途徑和技術(shù)手段[2～3]。因此，通過對森林進(jìn)行立地分類研究，挑選出適應(yīng)性強(qiáng)且生產(chǎn)力高的品質(zhì)優(yōu)良的造林樹種，提出恰當(dāng)?shù)挠止芾泶胧┦侄?，并預(yù)測森林演替規(guī)律、生產(chǎn)力及木材產(chǎn)量等，從而為森林經(jīng)營管理、木材生產(chǎn)成本和育林投資做出健康評價(jià)和預(yù)算，同時(shí)充分體現(xiàn)森林的生態(tài)環(huán)境效益，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。

從20世紀(jì)20年代起，立地分類和評價(jià)逐漸受到各國科學(xué)家和林業(yè)人員的重視，在全球范圍內(nèi)廣泛開展其相關(guān)研究，從而在理論和技術(shù)應(yīng)用上取得巨大的進(jìn)展和成就[5]。我國從早期利用蘇聯(lián)波格來勃涅克林型學(xué)說進(jìn)行立地類型的劃分，到計(jì)算機(jī)制圖、遙感技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的引入，立地分類研究已經(jīng)獲得一定的成就。尤其是在分類與評價(jià)方法上使用現(xiàn)代信息技術(shù)(如：地理信息技術(shù)等)與數(shù)學(xué)集合的方法，篩選出主導(dǎo)因子，完成對森林立地類型的科學(xué)劃分及立地質(zhì)量的綜合評價(jià)[3,6-8]。

森林立地分類與評價(jià)對于林地資源利用規(guī)劃具有重要的參考作用[9]。因而，利用遙感信息技術(shù)的精確性和便捷性，對森林立地進(jìn)行分類與評價(jià)，對因地種樹、科學(xué)造林、營林、提高林木品質(zhì)與林地生產(chǎn)力及促進(jìn)林業(yè)綠色健康平穩(wěn)發(fā)展等都具有更精確、更現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義和實(shí)踐規(guī)劃作用[9-10]。本文基于現(xiàn)代信息技術(shù)，以遙感信息技術(shù)為切入點(diǎn)分析了目前國內(nèi)對立地分類與評價(jià)的研究現(xiàn)況。

1 森林立地分類及評價(jià)研究簡況

1.1 國內(nèi)外立地分類研究簡況

德國科學(xué)家C.A.Karns在1926年首次提出了關(guān)于森林立地分類研究，并且他提出的多因子森林立地分類研究，目前已逐漸發(fā)展成為一種綜合地形、土壤、植被和氣候等多因子的分類方法[11]，受到歐洲和北美等地科學(xué)家和林業(yè)管理人員的肯定和推崇，成為目前最有效的立地分類與質(zhì)量的評價(jià)研究方法之一，在美國、加拿大及奧地利等地廣為應(yīng)用(見表1)。到20世紀(jì)40年代，以蘇卡喬夫和波格萊勃涅克為首的科學(xué)家在蘇聯(lián)分別形成兩大學(xué)術(shù)陣營，即生物地理群落學(xué)派和生態(tài)學(xué)派[12]。以典型巴登—符騰堡分類法為例(見表2)[11]，不僅推動(dòng)了森林立地分類研究的進(jìn)程，對蘇聯(lián)的林型和立地分類研究產(chǎn)生了十分重要的影響，并且對全球的立地分類研究具有一定的啟示作用和跨時(shí)代意義，使我們更清楚認(rèn)識到環(huán)境與植被之間的相互關(guān)系，進(jìn)一步理解了植被及其生長環(huán)境對立地分類研究的重要性。

表1 國內(nèi)外立地分類方法

表2 巴登—符騰堡北部生長小區(qū)B的立地分類[11]

我國立地分類研究起步相對較晚，其中最具有代表性的研究成果有：在20世紀(jì)50年代，國內(nèi)學(xué)者利用蘇聯(lián)兩大學(xué)派的學(xué)術(shù)思想及指導(dǎo)思路對國內(nèi)森林資源林型進(jìn)行了劃分評價(jià)和立地條件的評估。20世紀(jì)70年代末，吸收歐美日本等國經(jīng)驗(yàn)，林業(yè)管理人員和科學(xué)家對全國杉木產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了區(qū)劃及立地分類的評價(jià)[18]。20世紀(jì)80年代中期，對東北季風(fēng)氣候區(qū)的用材林基地、太行山區(qū)、三北防護(hù)林地區(qū)、長江中上游等進(jìn)行了大規(guī)模的立地分類與評價(jià)應(yīng)用研究[19]。20世紀(jì)90年代至今，全國性、區(qū)域性的大規(guī)模合作研究相對較少，但相關(guān)的立地分類與評價(jià)研究較多，并且國內(nèi)學(xué)者通過歸納與總結(jié)，著書立作，使國內(nèi)的植被劃分和立地分類與評價(jià)研究更為完善和清晰，其中《中國森林立地》[20]一書最具代表性。目前，我國森林立地分類主要采用的是三級分類系統(tǒng)，該分類系統(tǒng)充分考慮綜合因子強(qiáng)調(diào)主導(dǎo)因子，采用逐級控制的方法分類命名，即利用被篩選出的主導(dǎo)因子命名，簡稱為：類型區(qū)—類型組—類型[21]。

1.2 國內(nèi)外立地評價(jià)研究簡況

從18世紀(jì)，德國學(xué)者首創(chuàng)森林立地質(zhì)量評價(jià)，到19世紀(jì)，各國林業(yè)學(xué)者和生態(tài)學(xué)者都對此進(jìn)行了大量相關(guān)的研究，針對各種不同的森林立地質(zhì)量的評價(jià)形成了不同方法[22]，根據(jù)所采用的評價(jià)因子性質(zhì)和特點(diǎn)可分為直接評價(jià)和間接評價(jià)兩種方法。直接評價(jià)主要采用地位級、地位(立地指數(shù))、林型和收獲表等評估判斷有林地的質(zhì)量；間接評價(jià)主要包括植被指示法、多元地位指數(shù)法和根據(jù)不同樹種高及生長之間的關(guān)系進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測的方法[12]。由于林分上層，受人為因素(如火燒，疏伐等)影響較小，因此國內(nèi)外多用立地指數(shù)(林分優(yōu)勢木平均高，即上層高)來度量立地生產(chǎn)力。

隨著現(xiàn)代知識的不斷更新和信息科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，基于立地分類與立地質(zhì)量評價(jià)、立地類型中不同樹種生產(chǎn)力的代換評價(jià)、立地?cái)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建立與推廣、立地圖的計(jì)算機(jī)軟件繪制與操作、遙感影像資料的收集及其圖像應(yīng)用于立地分類與制圖等應(yīng)用技術(shù)研究均得到不同程度的研究和發(fā)展[23-24]，推動(dòng)了我國立地研究進(jìn)程，使我國的立地研究生態(tài)創(chuàng)新發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)；也因此走上切實(shí)中國國情及林情的可持續(xù)發(fā)展的科技創(chuàng)新之路[17]。例如，王永昌等[26]通過使用高分遙感技術(shù)得到了云臺山地區(qū)的景觀類型，而張雅梅[3]和沈金泉[6]等通過地理信息系統(tǒng)技術(shù)對森林立地進(jìn)行了分類研究。另外，張曉麗[27]和劉獻(xiàn)倫[28]在森林立地分類研究中，分別首次加入了植被因子和濕潤指數(shù)因子，評估和量化環(huán)境因子對森林立地分類的影響。

2 遙感信息技術(shù)在立地分類與評價(jià)中的應(yīng)用

森林立地分類和質(zhì)量評價(jià)是林業(yè)生產(chǎn)重要的基礎(chǔ)工作之一。只有準(zhǔn)確地劃分立地條件類型，并對其作出恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量評價(jià)，才能適地適樹，充分發(fā)揮地力，達(dá)到形成穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的[26,29]。近年來，現(xiàn)代遙感技術(shù)和地理信息科學(xué)發(fā)展迅速，讓立地信息的獲取變得更為精準(zhǔn)，人們對林地質(zhì)量與立地因子間相互關(guān)系的了解也更加全面和深入。通過遙感因子與林分因子相結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)大面積快速有效地估測森林立地情況，從而得出更加客觀的立地質(zhì)量評價(jià)。

同時(shí)，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和航空航天遙感技術(shù)的發(fā)展，也創(chuàng)新出了應(yīng)用空間數(shù)據(jù)綜合分析的立地分類的新方法，使森林立地分類技術(shù)方法得到不斷的更新和發(fā)展?？臻g數(shù)據(jù)可以包括獨(dú)立的單個(gè)林地或群體林地以位置為參照的數(shù)據(jù)，常用于圖像和數(shù)據(jù)的分析整合，實(shí)現(xiàn)森林立地的自動(dòng)分類。森林立地類型的自動(dòng)分類主要依靠常用的圖、圖表或圖像形式來量化或計(jì)算表達(dá)，而通過林業(yè)中常用的森林土壤圖、林相圖和采用多元信息疊置分析法，運(yùn)用GIS軟件分析同時(shí)實(shí)現(xiàn)[5]。多元信息疊置分析也被稱為多種要素的空間合成，主要是指把兩幅或兩幅以上同一地區(qū)、比例尺大小相同、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)模型相同和利用不同空間信息表示的圖件疊放在一起，以地理多變量計(jì)算單元為基礎(chǔ)的分析方法，對地域和空間結(jié)構(gòu)上相互重疊且相互的多種變換因子進(jìn)行整合分析和評價(jià)[30]。

目前，3S技術(shù)在森林立地分類和評價(jià)中已被廣泛運(yùn)用。其包括GPS在內(nèi)的一切定位、測量手段和多平臺、多波段、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)，通過含有系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、編輯、管理、分析、制圖進(jìn)而為一切與地理科學(xué)相關(guān)的行業(yè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)地學(xué)信息的實(shí)時(shí)、自動(dòng)、數(shù)字、智能化的應(yīng)用[31]。在3S技術(shù)之前，森林的面積、蓄積、類型、結(jié)構(gòu)和分布等森林資源信息只能通過歷史檔案獲取，在時(shí)間維度上存在滯后性，同時(shí)在空間維度上也缺乏直觀、精確的地理信息數(shù)據(jù)。因此很難分析森林立地的變化及空間分布規(guī)律。基于3S的遙感信息技術(shù)很好地彌補(bǔ)了這一缺陷。例如：唐守正等人利用3S技術(shù)設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的森林經(jīng)營管理模式，可不斷進(jìn)行包括森林立地在內(nèi)的資源數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)了森林經(jīng)營管理與監(jiān)測的動(dòng)態(tài)化和現(xiàn)代化[25]。運(yùn)用3S技術(shù)對森林立地情況的了解不僅限于數(shù)字上，還可以把各種林地屬性信息與空間要素相匹配后在計(jì)算機(jī)中可視化，從而更直觀、準(zhǔn)確地掌握立地利用現(xiàn)狀。利用各種與林地利用有關(guān)的信息，建立森林立地空間屬性數(shù)據(jù)庫，并把地圖作為工具進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與更新利用已建立的森林立地?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的技術(shù)和方法，可直接做出立地質(zhì)量評價(jià)[27,31～32]。

3 基于遙感信息技術(shù)的立地分類和評價(jià)方法

3.1 利用信息技術(shù)提取立地因子

以研究區(qū)外業(yè)調(diào)查、二類調(diào)查、Land-sat8OLI影像等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為支撐，通過應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、遙感影響和多元統(tǒng)計(jì)分析等技術(shù)手段，量化研究區(qū)域的氣象氣候條件、地形地貌、植被、土壤等因子特征，確定立地主導(dǎo)因子及次要因素采用逐級控制的方法劃分立地類型[29]。

3.1.1 利用DEM數(shù)據(jù)提取立地因子

地形特征是影響立地類型和立地質(zhì)量的重要因素，可以利用DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中得出，包括海拔、坡度、坡向及坡位的數(shù)據(jù)[33]。

3.1.2 利用遙感影像提取立地因子

土壤濕度因子是通過采用Crist Cicone系數(shù)對遙感影像[34]進(jìn)行纓帽變換，而變換后的影像數(shù)據(jù)能最大限度地分離土壤與植被的光譜信息[35～36]。然而，由于土壤含水量可以影響土壤表面溫度，作為對熱量異常敏感的熱紅外波段能夠在一定程度上反映土壤濕度情況；例如，前人研究表明在近紅外和短波紅外上，影像對土壤含水量具有良好的區(qū)分度和清晰度[37-38]，可以對影像數(shù)據(jù)第5、6、10波段和纓帽變換亮度分量、濕度分量組合進(jìn)行分類。又如周道瑋[39]以1∶50 000地形圖和《龍棲山植物》作為基礎(chǔ)材料建立遙感影像的解譯標(biāo)志，通過應(yīng)用最大似然法對影像進(jìn)行監(jiān)督分類，得到的分類精度>75%，滿足符合圖像解析的精度要求。最后經(jīng)過后期一定處理去除圖像中細(xì)碎的圖形后，將圖像輸入到ArcGIS軟件中應(yīng)用其專題圖制作的功能進(jìn)行制圖[33]。而植被指數(shù)因子可用歸一化植被指數(shù)檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度，使用ENVI軟件的功能模塊解析研究區(qū)遙感影像即可得到。

3.1.3 利用二類調(diào)查數(shù)據(jù)提取立地因子

土壤厚度、土壤類型因子可以根據(jù)《中國森林立地分類》中關(guān)于土層厚度的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)域林地的實(shí)際情況，將土層厚度分為3級：薄土(0～24 cm)、中土(24 cm～49 cm)、厚土(49 cm以上)，利用外業(yè)數(shù)據(jù)、二類調(diào)查數(shù)據(jù)建立林地土壤調(diào)查樣點(diǎn)及其土層厚度數(shù)據(jù)庫[40]。通過對比二類調(diào)查數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查取樣并與遙感影像解析判讀相結(jié)合的方法獲取土壤類型。研究表明調(diào)查區(qū)內(nèi)的土壤類型主要有黃壤、黃紅壤、紅壤、粗骨性黃壤、草甸土5類。生物量因子可依據(jù)研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)及二類調(diào)查數(shù)據(jù)，建立基于樣地的生物量遙感模型，驗(yàn)證模型精度后調(diào)整選取森林植被生物量模型，利用該模型估算出研究區(qū)森林生物量，再通過與研究區(qū)域二類調(diào)查資料對比發(fā)現(xiàn)，該研究結(jié)果基本符合研究地區(qū)生物量的普遍規(guī)律，具有較高的可信度[33]。

3.2 基于GWR的立地質(zhì)量遙感分析

通過依托和建立遙感信息模型，估算研究區(qū)域森林地位級指數(shù)，可實(shí)現(xiàn)森林立地質(zhì)量的空間分布系統(tǒng)研究。利用地位級指數(shù)值作為量化立地質(zhì)量優(yōu)劣的評價(jià)指標(biāo)，而SCI的計(jì)算則通過地區(qū)森林資源一類清查數(shù)據(jù)計(jì)算得出，同時(shí)結(jié)合林地調(diào)查因子和遙感因子，把傳統(tǒng)最小二乘回歸和GWR這兩種方法應(yīng)用于地位級指數(shù)模型的建立，根據(jù)評估對比2種方法預(yù)測地位級指數(shù)的有效性，秉承選擇最佳效果的方法繪制SCI空間分布圖，定量估測和評價(jià)地區(qū)的森林地位級指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)森林立地質(zhì)量的評估和判斷[41]。

3.2.1 遙感數(shù)據(jù)收集及光譜信息和紋理信息提取

遙感圖像的獲得主要是通過對影像質(zhì)量良好，對圖像進(jìn)行大氣校正后鑲嵌、裁剪并且排除大量云層與陰影，從而得到覆蓋整個(gè)研究區(qū)的較為清晰的遙感圖像。通過解析遙感圖像和計(jì)算得到4種常用且重要的植被指數(shù)，如，歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)、差值植被指數(shù)(difference vegetation index，DVI) 、比值植被指數(shù)(ratio vegetation index，RVI)和土壤修正植被指數(shù)(modified soil vegetation index，MSVI)[41～42]。

3.2.2 模型變量的選擇與擬合

根據(jù)李明澤[42]等人的研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用逐步回歸法篩選最優(yōu)化的自變量因子(顯著性水平α=0.05)，林分平均胸徑(average diameter at breast height，ADBH)、林分郁閉度(forest canopy closure，F(xiàn)CC)、DVI以及MSVI等因子通過了最終檢驗(yàn)。該研究同時(shí)還選取了實(shí)際樣地參與建模，采用59個(gè)遙感變量因子用于模型回歸，對參與建模的全部自變量因子進(jìn)行逐步回歸并擬合得到相關(guān)可用模型。

3.2.3 地位級指數(shù)模型構(gòu)建

根據(jù)郭含茹[43]和李明澤[42]等人研究，可以通過建立多元線性回歸統(tǒng)計(jì)模型和GWR模型的方法構(gòu)建地位級模型。通過對傳統(tǒng)回歸方法的擴(kuò)展得到GWR模型，該模型能夠?qū)植繀?shù)進(jìn)行估計(jì)，其本質(zhì)主要是為各要素(數(shù)據(jù)集中)建立獨(dú)立的方程。另外，該研究通過用1個(gè)或多個(gè)自變量且結(jié)合樣本信息的空間關(guān)系構(gòu)成的空間權(quán)重綜合影響得到研究區(qū)內(nèi)每個(gè)因變量的參數(shù)估計(jì)。利用GWR模型以一個(gè)距離的衰減函數(shù)進(jìn)行加權(quán)，從而得到函數(shù)的回歸系數(shù)即觀測點(diǎn)地理位置的位置函數(shù)[44]。

3.2.4 模型比較

4 展望

“3S”技術(shù)應(yīng)用于森林立地分類和質(zhì)量評價(jià)，不但能實(shí)現(xiàn)更客觀和精確得多因素(多主導(dǎo)因子)分類，也能為森林立地分類與質(zhì)量評價(jià)研究成果的空間落實(shí)提供有效途徑，利于研究成果在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮作用，并為主導(dǎo)因子空間及屬性數(shù)據(jù)庫的建立提供一個(gè)精準(zhǔn)便捷的平臺。進(jìn)一步通過“3S”等信息技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)立地分類與立地質(zhì)量評價(jià)的自動(dòng)化將是森林立地分類發(fā)展趨勢。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在森林生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上，森林立地分類和質(zhì)量評價(jià)將得到統(tǒng)一，并形成一個(gè)包含各層次水平的完整評價(jià)體系。特別是計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，為我們?nèi)鏈?zhǔn)確地獲取立地信息和進(jìn)行信息加工提供了科學(xué)手段，未來的立地分類和質(zhì)量評價(jià)將是綜合性的，包含多個(gè)因子、多個(gè)層次，也將更加依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感信息技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)、遙感技術(shù)進(jìn)行的定量分類，多目標(biāo)、多功能的森林立地分類和質(zhì)量評價(jià)，從定性到定量再到數(shù)字化分類，是森林立地分類發(fā)展趨勢[5]。