基于Voronoi圖的森林資源監(jiān)測體系抽樣調(diào)查研究

林慶水

(福建省武夷山市林業(yè)局，福建 武夷山 350782)

1 引言

森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(簡稱二類調(diào)查)是全面、準(zhǔn)確監(jiān)測和掌握森林資源狀況，科學(xué)經(jīng)營管理森林資源，推進(jìn)生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)的需要。森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查的準(zhǔn)確性和精度，關(guān)系到森林科學(xué)經(jīng)營和管理，其成果是控制二類調(diào)查各主要調(diào)查因子的調(diào)查精度，綜合評價(jià)前10年森林資源保護(hù)發(fā)展成效，制定和調(diào)整林業(yè)方針、政策、計(jì)劃，監(jiān)督檢查各地森林資源消長任期目標(biāo)責(zé)任制的執(zhí)行情況。因此，準(zhǔn)確、有效地分析統(tǒng)計(jì)出森林資源的數(shù)量，對科學(xué)經(jīng)營管理森林資源，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)有重大的意義。

1911年，荷蘭氣候?qū)W家A.H.Thiessen 提出了一種根據(jù)離散分布?xì)庀笳镜慕涤炅縼碛?jì)算平均降雨量的方法，即將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個(gè)氣象站周圍的若干垂直平分線便成一個(gè)多邊形。用這個(gè)多邊形內(nèi)所包含的一個(gè)唯一氣象站的降雨強(qiáng)度來表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。泰森多邊形也稱為Voronoi圖或Dirichlet圖。Voronoi圖具有鄰接性、唯一性、空間動(dòng)態(tài)等特性，適用于表征空間目標(biāo)的復(fù)雜鄰域關(guān)系[1]。由于可根據(jù)需要對Voronoi圖定義進(jìn)行擴(kuò)展，Voronoi圖在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、分子生物學(xué)、空間規(guī)劃等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景[2，3]。Brown最早將Voronoi圖[4]引入林學(xué)領(lǐng)域，提出林木競爭分析的APA(area potentially available)指數(shù)，湯孟平等將Voronoi圖用于群落優(yōu)勢樹種的種內(nèi)種間分析[5]和混交度研究[6]；趙春燕等[7]通過Voronoi圖研究紅樹林空間結(jié)構(gòu)指數(shù)；劉帥等[8]利用Voronoi圖分析林分空間結(jié)構(gòu)特征。但是把Voronoi圖應(yīng)用于二類資源調(diào)查尚不多見。本文研究應(yīng)用Voronoi圖來分析武夷山市2006年第三次森林資源調(diào)查的結(jié)果。

2 研究區(qū)域概況

武夷山市位于福建省西北部，地理坐標(biāo)介于117°37′22″～118°19′44″E，27°27′31″～28°04′49″N。境域內(nèi)，東、西、北部群山環(huán)抱，峰巒疊嶂，中南部較平坦，為山地丘陵區(qū)，最低海拔165 m，最高海拔2158 m。武夷山市氣候?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17.0～18.4 ℃。年降水量1600～3700 mm，平均無霜期247 d。

3 研究方法

3.1 調(diào)查方法

以武夷山市界內(nèi)除國家級自然保護(hù)區(qū)外作為調(diào)查整體，共布設(shè)樣地總數(shù)1503個(gè)，除去無法調(diào)查的樣地103個(gè)，實(shí)際調(diào)查樣地1400個(gè)。樣地調(diào)查的數(shù)據(jù)采用2006年武夷山市第三次森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查的調(diào)查數(shù)據(jù)。樣地的調(diào)查的技術(shù)遵循《福建省地方森林資源監(jiān)測體系抽樣調(diào)查技術(shù)規(guī)定》。樣地的實(shí)際位置坐標(biāo)利用GPS在樣地西南角點(diǎn)實(shí)地定位,對于無法利用GPS實(shí)地采集的樣地采用樣地的理論坐標(biāo)。依據(jù)樣地的坐標(biāo)利用Arcgis工具形樣地位置的離散分布點(diǎn)圖。具體分布如圖1。

3.2 分析方法

依據(jù)樣地離散分布使用Arcgis軟件的構(gòu)建Voronoi圖。對于靠近武夷山邊界的樣地點(diǎn)，在邊界外的一邊沒有其它的樣地點(diǎn)，這時(shí)產(chǎn)生不合理且很大的多邊形，利用武夷山界與Voronoi圖的多邊形圖相交，去除界外的圖形就可以彌補(bǔ)。依據(jù)Voronoi圖的特征，每個(gè)多邊形內(nèi)僅包含一個(gè)樣地點(diǎn)，以該樣地點(diǎn)的地類和單位蓄積量代表該多邊形范圍內(nèi)的地類和單位蓄積量。然后以各個(gè)多邊形的面積與總面積的比為權(quán)重，計(jì)算各樣地單位蓄積量的加權(quán)平均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 Voronoi圖方法和平均法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)二類調(diào)查技術(shù)規(guī)定，計(jì)算分析的公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

分別采用Voronoi圖計(jì)算和平均法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見表1。

圖1 武夷山市二類調(diào)查樣地分布

4.2 Voronoi圖方法和平均法比較

從表1可以看出：Voronoi圖方法分析和平均法分析的各種數(shù)據(jù)十分相近，且Voronoi圖法得出的精度比平均法的精度更高。可見應(yīng)用Voronoi圖法分析二類調(diào)查是可行的，且統(tǒng)計(jì)的精度更高。

5 結(jié)論與討論

算術(shù)平均法簡單易行且便于理解，但僅適用于林分面積小、地形起伏不大，林木生長空間分布又較均勻的林分，然而在現(xiàn)實(shí)自然界，森林生態(tài)體系是很復(fù)雜的特別是天然林，林木生長總是與地形條件等各種立地條件相關(guān)的[9]。Voronoi圖雖然要畫樣地離散分布圖和Voronoi多邊形圖，但是利用GPS采集樣地點(diǎn)坐標(biāo)以及Arcgis工具產(chǎn)樣地點(diǎn)圖和Voronoi多邊形圖很容易解決。

通過Voronoi多邊形圖可以直觀地看出武夷山市各種地類的分布和數(shù)量多少。如圖2，可以看出武夷山市林地按地類分是林分面積最大，毛竹林面積次之，經(jīng)濟(jì)林地面積最小。Voronoi多邊形圖上還可以直觀地看出經(jīng)濟(jì)林的分布主要是在武夷山南部，毛竹林主要分在武夷山北部。

Voronoi多邊形代表對應(yīng)樣地點(diǎn)在空間上的勢力范圍，其面積的大小與對應(yīng)樣地點(diǎn)的權(quán)值正相關(guān)，從圖3的Voronoi圖可以直觀地看出，越稀疏的樣地點(diǎn)生成的Voronoi多邊形越大，樣地點(diǎn)控制的面積就越大，權(quán)值就越大；越聚集的樣地點(diǎn)生成的Voronoi多邊形越小，樣地點(diǎn)控制的面積越小，權(quán)值就越小；均勻分布的樣地點(diǎn)生成的Voronoi多邊形的大小介于兩者之間，樣地點(diǎn)控制的面積介于兩者之間，樣地的權(quán)值介于兩者之間。

表1 Voronoi圖平均法計(jì)算結(jié)果

由平均法的特點(diǎn)可以得出，各樣地點(diǎn)的權(quán)重都是相同的，即樣地權(quán)重都等于0.714‰。為了方便兩種分析方法的比較，以平均法的樣地權(quán)重為參照將Voronoi圖法的樣地的權(quán)重分為三類：一類樣地權(quán)重遠(yuǎn)小于平均法權(quán)重的，即小于0.6‰；二類樣地權(quán)重與平均法權(quán)重接近的，即大于等于0.6‰小于0.8‰；三類樣地權(quán)重遠(yuǎn)大于平均法權(quán)重的，即大于等于0.8‰。分別計(jì)算各類樣地的權(quán)重之和。

從表2可以看出306個(gè)Ⅰ類樣地在Voronoi圖的權(quán)重之和比平均法中的權(quán)重之和小了7.9%；782個(gè)Ⅱ類樣地在兩種分析法中的權(quán)重比較相近；312個(gè)Ⅲ類樣地在Voronoi圖的權(quán)重之和比平均法中權(quán)重之和大了8.8%。可見樣地點(diǎn)分布的不均勻?qū)?quán)重的差異很大，均勻分布的樣地點(diǎn)兩種方法的權(quán)重趨同。因此，Voronoi圖法考慮了樣地點(diǎn)分布不均勻的特點(diǎn)，以各樣地點(diǎn)的控制面積為權(quán)重，比算術(shù)平均法更合理。

由此可見，Voronoi圖法利用各樣地點(diǎn)的控制面積為權(quán)重，充分考慮了樣地分布不勻均對于結(jié)果的影響，有效地減小人為布設(shè)樣地不均勻而產(chǎn)生的偏差，得到的結(jié)果精度比平均法更高。Voronoi圖還可以直觀地體現(xiàn)出武夷山市林地分布的現(xiàn)狀。可見應(yīng)用Voronoi圖法得出的結(jié)果不僅可以直觀地看出地類的種類及分布，且更計(jì)算得出結(jié)果的精度更高。

圖2 武夷山市Voronoi多邊形地類分布

圖3武夷山市Voronoi多邊形權(quán)重分布

表2 兩種分析方法樣地權(quán)重的比較