基于ArcGIS的森林資源清查樣木位置圖繪制研究

畢陳權(quán),石振情,夏凡,蔡正國,吳開毅,陳舟,李茂源

(1.貴州省林業(yè)學(xué)校，貴州 貴陽 550201，2.貴州科測信息技術(shù)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081

森林是以木本植物為主體的生物群落，包括喬木林、竹林和國家特別規(guī)定灌木林地，森林屬于可再生性資源，可防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源，受到自身生長規(guī)律、環(huán)境因素與人為因素等多方面的影響。長期以來，我國森林資源總量不足、質(zhì)量效益不高、生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)功能脆弱等問題十分突出，珍稀樹種和大徑級材短缺、木材消耗快速增長，木材進(jìn)口限制與日俱增，建立國家儲備林制度勢在必行。2017年，中央一號文件首次明確指出要加強國家儲備林基地建設(shè)，說明中央把國家儲備林基地建設(shè)上升到了國家木材安全戰(zhàn)略的重要地位[1]。在森林資源調(diào)查中，樣木位置圖是樣木因子調(diào)查的重要成果之一，不僅針對樣地內(nèi)每株樣木的位置進(jìn)行標(biāo)示，也為樣地和樣木復(fù)位提供重要依據(jù)[2]。

在貴州省播州區(qū)國家儲備林項目固定樣地監(jiān)測的森林資源調(diào)查中，共得到10個固定圓形樣地的調(diào)查結(jié)果，利用計算機軟件Excel 2013和ArcGIS 10.2進(jìn)行樣木位置的數(shù)據(jù)管理與樣木位置圖的繪制，實現(xiàn)間伐前后樣木位置圖的計算機可視化，提高了樣木調(diào)查的效率與定位的精度。

1 監(jiān)測區(qū)概況

播州區(qū)位于貴州省北部的遵義市，經(jīng)度106°17′22″～107°26′25″E，緯度27°13′15″～ 28°04′09″N，東接湄潭、甕安，南鄰息烽、開陽，西連仁懷、金沙，北鄰紅花崗區(qū)、匯川區(qū)。全區(qū)面積為2487.63 km2，轄5街道17個鎮(zhèn)2個民族鄉(xiāng)。播州區(qū)地處大婁山山脈南側(cè)，屬黔中丘陵和黔北山地過渡地帶。該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)性溫潤氣候，年平均氣溫為14.9 ℃，降雨量為1035.7 mm，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑。

2 監(jiān)測樣地與樣木調(diào)查相關(guān)技術(shù)規(guī)定

森林資源清查是獲取森林資源信息和進(jìn)行林業(yè)各種分析決策的一項基礎(chǔ)技術(shù)工作，在一定時期內(nèi)能夠分析森林變化的規(guī)律及趨勢、評價森林經(jīng)營的成效[3-4]。樣木位置圖能夠反映調(diào)查樣地林木的空間分布情況，在森林資源調(diào)查中，常采用手持GPS、全站儀、羅盤儀等儀器進(jìn)行觀測，既能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性，也能防止固定樣地復(fù)位較難、固定樣木測定精度不高等問題出現(xiàn)。

2.1 圓形樣地布設(shè)

固定樣地的選擇以實測調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，需在掌握樣地所在小班整體林分概況后選擇具有代表性的樣地。固定樣地形狀為圓形，半徑為14.57 m，面積為666.7 m2。調(diào)查結(jié)束后在圓形樣地圓心處埋設(shè)金屬管，在圓心處利用鐵鋤挖十字狀，并噴灑油漆標(biāo)記圓心，露出地面長度應(yīng)小于10 cm。

2.2 樣木調(diào)查要求

用圍尺在喬木胸高1.3 m處(利用標(biāo)準(zhǔn)的1.3 m桿)測量其胸徑，用油漆圍繞樹干一周標(biāo)記胸高測量點，在胸高點上方標(biāo)記樣木編號并將鋁牌釘在樹根處標(biāo)記永久樹木編號。樣地記錄表內(nèi)容有鄉(xiāng)鎮(zhèn)村名、小班號、中心點X和Y坐標(biāo)、樣木編號、樹種、方位角(°)、水平距(m)、胸徑(cm)、樹高(m)、生長狀況、是否采伐(√/×)等基本信息[5]。

2.3 外業(yè)調(diào)查所需工具及儀器

圍尺、油漆、皮尺、測高桿、1.3標(biāo)準(zhǔn)桿、記錄板、記錄紙、油性筆、外業(yè)砍刀、鐵鋤、鐵錘、鋁片、數(shù)字字釘、洋釘、平板計算機(用于記錄中心點位置、拍攝工作照及林地情況照片)。

本次一共調(diào)查到10個樣地點，調(diào)查樣木共計1063株，研究中抽取其中一個樣地點(1號樣地)作為本文的研究對象，立地類型為喬木林地，優(yōu)勢樹種為杉木，土壤類型為黃壤。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 Voronoi圖原理

泰森多邊形又稱馮洛諾依圖(Voronoi diagram)，簡稱Voronoi圖，是鄰域分析(鄰域分析)中的一種方法。Voronoi圖適用于表現(xiàn)空間對象的復(fù)雜鄰域關(guān)系，通過空間點周圍的鄰點，或某特定位置及方向范圍內(nèi)的某性質(zhì)的鄰點，對其進(jìn)行分析[6]，即將樣木點兩兩相連并作連線的中垂線，中垂線相交形成若干個多邊形，每個子區(qū)域總包含一個樣本數(shù)據(jù)點實測值(代表該區(qū)域)[7]。

式中：PiV為對象點Pi的泰森多邊形，x為平面上任一點，d為平面距離函數(shù)。

所有點對象的泰森多邊形的集合構(gòu)成點集P的泰森多邊形：

2.4.2 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)整理計算在Excel 2013中進(jìn)行，樣木位置可視化最終在ArcGIS 10.2中實現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

在Voronoi圖建模過程中，忽略了樣地本身的地形、地貌等特征以及林木本身影響力的異同，將樣地假想成在一個二維歐式平面上，樣地上所有胸徑大于5 cm的林木均為離散點。在ArcGIS 10.2軟件中的Analysis Tools下的鄰域分析(Proximity)工具中使用創(chuàng)建泰森多邊形(Thiessen)工具對樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體操作如下：

3.1 樣木位置可視化

在該樣地中，共調(diào)查樣木163株，優(yōu)勢樹種為杉木，將每個樣地基本情況及每木檢尺數(shù)據(jù)(樣木編號、中心點X和Y坐標(biāo)、樹種、方位角(θ)、水平距(L)、胸徑(D)、樹高(H)、生長狀況(優(yōu)/良/差)、是否采伐(√/×))分別錄入Excel表中，保存文件格式為“.xls”。樣點數(shù)據(jù)在導(dǎo)入ArcGIS 10.2之前應(yīng)進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)換處理，即根據(jù)中心點坐標(biāo)(X=0，Y=0)、每一株樣木的方位角及水平距計算每一株樣木的相對X、Y坐標(biāo)(角度轉(zhuǎn)換為弧度)。其在Excel 2013中的計算公式為：

X=L*sin(θπ/180)Y=L*cos(θπ/180)

打開ArcGIS 10.2，新建個人地理數(shù)據(jù)庫，用于儲存以下添加的點文件及面文件。利用顯示XY數(shù)據(jù)工具，生成樣木位置散點圖。

圖1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2

3.2 樣木位置Voronoi圖的生成

步驟：(1)在ArcToolbox中找到工具“鄰域分析”(Proximity)，使用鄰域分析下的“創(chuàng)建泰森多邊形”(Thiessen)工具對樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域分析；(2)輸入要素即要進(jìn)行鄰域分析的樣點數(shù)據(jù)，選擇固定位置存放鄰域分析結(jié)果，其輸出字段選擇All；(3)在環(huán)境設(shè)置中設(shè)置處理范圍，范圍選擇為“與圖層 邊界 相同”，得到“裁剪前的Voronoi圖”數(shù)據(jù)；(4)利用裁剪工具將“裁剪后的Voronoi圖”作為輸入要素、“邊界”作為裁剪要素，最終生成完整的Voronoi圖。

圖2 數(shù)據(jù)處理過程

3.3 樣木位置Voronoi圖的生成

按照上述相同的方法，對剔除采伐木后的樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域分析，最后得到該樣地樣木采伐前后的Voronoi圖。

林間環(huán)境對森林樹木及植被生長產(chǎn)生的作用非常關(guān)鍵，如果林間樹木分布過密，樹木之間的營養(yǎng)競爭會非常激烈，導(dǎo)致部分樹木營養(yǎng)不良，加上光照、水分不足，樹木的健康會受到影響[8]。根據(jù)“砍小留大、砍弱留強、砍密留稀、兼顧均勻”原則，確定采伐木與保留木，該樣點中的采伐強度小于9%。由圖3中可以看出，對樣地進(jìn)行間伐后，采伐木周圍保留木的生長空間明顯變寬。林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少了林木之間的競爭，促進(jìn)林下植被和林木的更新與生長，改變林分的群落結(jié)構(gòu)和土壤肥力[9]，進(jìn)而促進(jìn)林木更好地生長，提高林分效益。

圖3 成果圖對比

光照、水分、養(yǎng)分等條件相應(yīng)變得良好，有利于保留木更好地生長。

4 結(jié)論

(1)在森林資源調(diào)查中，應(yīng)用ArcGIS中的泰森多邊形工具生成的樣木位置圖極大地減輕了作業(yè)人員的勞動強度，實現(xiàn)樣地與樣木的快速復(fù)位。

(2)通過間伐來調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，減少了林木之間的競爭，促進(jìn)林下植被和林木的更新與生長，保留木的生長空間增大，其光照、水分、養(yǎng)分條件變好，進(jìn)而促進(jìn)林木更好地生長。

(3)Voronoi圖從整體上能了解到林木的空間分布情況，對樣地所在小班內(nèi)樹木的生長情況能進(jìn)行較符合實際的預(yù)測。