基于GIS的林地郁閉度測(cè)定方法研究

劉 菊

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

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基于GIS的林地郁閉度測(cè)定方法研究

劉 菊

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

為了探究一種精度高、成本低的林地郁閉度測(cè)定方法，筆者提出了基于GIS的樹(shù)冠投影法，從測(cè)定方法的精準(zhǔn)度和測(cè)定時(shí)間2個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法和基于GIS的樹(shù)冠投影法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：將GIS系統(tǒng)與樹(shù)冠投影郁閉度測(cè)量方法相結(jié)合，既保證了郁閉度的測(cè)量精度，又提高了工作效率。關(guān)鍵詞： 樹(shù)冠投影法； 郁閉度； GIS

郁閉度是描述森林系統(tǒng)狀態(tài)與環(huán)境指標(biāo)的重要特征之一，指森林中喬木樹(shù)冠遮蔽天空的程度，即單位面積上立木樹(shù)冠投影面積之和與該林地面積之比。其常被作為控制擇伐和間伐強(qiáng)度以及富裕采伐強(qiáng)度的指標(biāo)，也是區(qū)分未成林造林地、有林地和疏林地的指標(biāo)之一，在森林經(jīng)營(yíng)中具有極其重要的作用。近年來(lái)，郁閉度的測(cè)定方法隨著應(yīng)用研究的逐漸深入而得到了完善和發(fā)展。趙彤堂等在研究郁閉度的測(cè)定方法時(shí)，通過(guò)對(duì)3種測(cè)定方法進(jìn)行比較，最終確定以郁閉度測(cè)定器法為最優(yōu)方法，其結(jié)果的相對(duì)誤差較??；樣點(diǎn)抬頭觀測(cè)法和樹(shù)冠投影法的結(jié)果誤差與郁閉度測(cè)定器法相比有±3%的誤差。李永寧等在郁閉度測(cè)定相關(guān)研究中綜述了約14種不同的郁閉度測(cè)量與計(jì)算方法。吳宇昕在郁閉度的調(diào)查方法研究中總結(jié)出了樹(shù)冠投影法、測(cè)線法、統(tǒng)計(jì)法、目測(cè)法和比較法等5種方法，其中樹(shù)冠投影法、測(cè)線法和統(tǒng)計(jì)法合稱為實(shí)測(cè)法，目測(cè)法和比較法合稱為目測(cè)法。在諸多郁閉度調(diào)查方法中，樹(shù)冠投影法計(jì)算郁閉度比較準(zhǔn)確，步驟為：選擇待測(cè)林木，將林木定位；然后測(cè)量其冠幅(即樹(shù)冠邊緣到樹(shù)干的水平距離)，為保證測(cè)量的精確度，要求分別從幾個(gè)不同的方位進(jìn)行測(cè)量；在圖紙上標(biāo)繪樹(shù)冠投影(按照一定的比例)；最后，計(jì)算出林冠投影的總面積(去除相鄰樹(shù)冠互相遮蔽部分的影響)，其與整塊林地面積的比值，即為郁閉度。

隨著RS，GIS，GPS技術(shù)迅速發(fā)展，3S技術(shù)在森林郁閉度測(cè)定中得到了廣泛的應(yīng)用。筆者在實(shí)際工作中，將實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，利用其空間分析功能，將每木位置進(jìn)行定位，并計(jì)算每木投影面積，使傳統(tǒng)的樹(shù)冠投影法得到改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了森林郁閉度的簡(jiǎn)潔快速測(cè)算。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2014年山西省森林生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查結(jié)果。調(diào)查樣方位于太原市森林公園西山林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為 35°51′10″ N， 112°17′3″ E. 樣方面積1 hm2，劃分為25個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。隨機(jī)抽取其中1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的林木調(diào)查數(shù)據(jù)作為分析材料。

1.2 研究方法

在野外標(biāo)準(zhǔn)地(20 m×20 m)內(nèi)先將林木定位，用皮尺和羅盤儀測(cè)定東西方向、南北方向的冠幅值，并記錄數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，保存為 Excel文件；將Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS 10.0軟件；在空間分析模塊下，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)地林冠的投影面積。該投影面積與標(biāo)準(zhǔn)地的面積之比，即為該林地的準(zhǔn)確郁閉度。

2 操作流程分析

在GIS平臺(tái)下的樹(shù)冠投影法測(cè)定林分郁閉度，操作步驟較為簡(jiǎn)單，主要是：

1) 將調(diào)查的每木位置及冠幅數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)內(nèi)容增加"冠幅半徑"并計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果，保存為Excel表格文件。調(diào)查的每木位置及冠幅數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1.

表1 標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)每木調(diào)查數(shù)據(jù)

2) 根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)X，Y字段，將Excel表格導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，保存為shp點(diǎn)文件，生成相對(duì)于原點(diǎn)(0，0)的每木位置圖。標(biāo)準(zhǔn)地每木位置圖，見(jiàn)圖1.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)地每木位置

圖2 標(biāo)準(zhǔn)地林冠的投影面積

3) 在ArcMap操作下，利用其緩沖功能，以每木位置為圓心，以冠幅為半徑做緩沖(見(jiàn)圖2)，并保存為shp面文件。然后打開(kāi)shp面文件屬性表，添加字段“投影面積”，并自動(dòng)計(jì)算面積，統(tǒng)計(jì)面積之和為緩沖區(qū)面積，即林冠投影面積，用Sc表示。林冠投影面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2.

表2 標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)每木樹(shù)冠投影面積自動(dòng)計(jì)算 m2

4) 郁閉度計(jì)算

郁閉度的計(jì)算公式為：

Pc=Sc/Sr.

式中:Pc——標(biāo)準(zhǔn)地的郁閉度；Sc——林冠投影面積,m2；Sr——標(biāo)準(zhǔn)地總面積,m2.

本研究中標(biāo)準(zhǔn)地總面積為400.00 m2，林冠投影面積為132.40 m2.經(jīng)計(jì)算，此標(biāo)準(zhǔn)地林分郁閉度為0.33.由每木調(diào)查結(jié)果可知，樹(shù)冠投影面積為157.90 m2，則可進(jìn)一步計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)地的樹(shù)冠重疊度為1.19，即林分中樹(shù)冠投影面積之和與林冠投影面積(去除重疊部分)的比值。

3 與傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法的比較

基于GIS的樹(shù)冠投影法與傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法的野外工作內(nèi)容相同，郁閉度的計(jì)算方法不同，通過(guò)對(duì)2種郁閉度測(cè)定方法的精度和測(cè)定時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 樹(shù)冠投影法測(cè)定結(jié)果比較

由表3可以看出，基于GIS的樹(shù)冠投影法其測(cè)定結(jié)果精準(zhǔn)度較高，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算樹(shù)冠投影面積是提高精準(zhǔn)度的關(guān)鍵。相反，傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法在實(shí)施過(guò)程中，受人為因素影響較多，測(cè)定者的經(jīng)驗(yàn)等對(duì)研究結(jié)果影響較大，很難滿足精度上的要求。同時(shí)，基于GIS的樹(shù)冠投影法使工作效率得到了明顯提高，傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法的測(cè)定時(shí)間是基于GIS的樹(shù)冠投影法的10倍以上?？梢?jiàn)，將GIS與樹(shù)冠投影相結(jié)合測(cè)定林地的郁閉度，既保證了測(cè)量的精度，又提高了工作效率。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

由于林木在自然生長(zhǎng)時(shí)冠幅多呈現(xiàn)不規(guī)則的幾何形狀，且存在著不同程度的樹(shù)冠重疊和空隙，導(dǎo)致冠幅難以測(cè)定。傳統(tǒng)冠幅測(cè)量依靠人眼來(lái)判斷，人為主觀性造成的測(cè)量誤差較大。通過(guò)對(duì)基于GIS的樹(shù)冠投影法與傳統(tǒng)樹(shù)冠投影法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，基于GIS的樹(shù)冠投影法，不僅明顯提高了測(cè)定林地郁閉度的效率，也提高了郁閉度測(cè)量的精準(zhǔn)度。同時(shí)，基于GIS的樹(shù)冠投影法也可用于蓋度的測(cè)定和植物葉面積的精確測(cè)定。

4.2 討論

基于GIS的樹(shù)冠投影法計(jì)算時(shí)沒(méi)有去除林冠超出地界線部分的面積，因?yàn)橄噜彉?biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林冠層同樣也有可能會(huì)延伸到本標(biāo)準(zhǔn)地，筆者認(rèn)為兩部分的影響互相抵消。

郁閉度的測(cè)定方法沒(méi)有絕對(duì)最準(zhǔn)確的，基于GIS的樹(shù)冠投影法也只是準(zhǔn)確度相對(duì)較高。因此，為了減少觀測(cè)誤差，測(cè)量者應(yīng)選擇最佳觀測(cè)點(diǎn)并保持視線垂直向上，盡量選擇多處典型位置的冠幅進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)越多測(cè)量結(jié)果越接近真實(shí)冠幅，也可多次測(cè)量以均值作為測(cè)定結(jié)果，測(cè)量誤差明顯降低。但在實(shí)際調(diào)查中，由于調(diào)查方法不同、林分類型不同，導(dǎo)致郁閉度的計(jì)算精度有所差異。所以，選擇適合的方法是郁閉度精準(zhǔn)調(diào)查的前提。對(duì)于林分密度和林木高度對(duì)郁閉度測(cè)量結(jié)果的影響以及如何降低這種影響，仍需進(jìn)行更深入的研究和探討。

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Measurement Method of Forest Land Canopy Density Based on GIS

Liu Ju

(ShanxiAcademyofforestrySciences，Taiyuan030012，China)

This study provided a new method to measure the canopy density, which was high accuracy and low cost. It presented the crown projection method based on GIS, and compared crown projection and crown projection based on GIS from accuracy and measuring time. The results showed that combining the method of measuring crown projection canopy density with GIS, both to ensure the measurement accuracy, and improve work efficiency.

Crown projection method; Canopy density; GIS

2015-03-21

山西省煤炭可持續(xù)發(fā)展基金(GHY-2013-J68)

劉 菊(1982— )，女，山東成武人，2009年畢業(yè)于山西大學(xué)，工程師。

S758.58

A

1007-726X(2015)02-0033-03