基于林分垂直空間結構特征的杉木人工林撫育間伐可視化模擬研究

朱欣然，呂 勇，張懷清，張 江，楊廷棟，張 鴻

(1. 中南林業科技大學林學院，湖南 長沙 410004；2. 中國林業科學研究院資源信息研究所，北京 100091)

目前的撫育間伐方式可分為定性間伐和定量間伐兩種。其中，定性間伐難度較大，其需要選木者掌握豐富的選木經驗，且定性間伐注重單木質量，林分質量處于次要地位[1]。而定量間伐的特點是根據不同的林分結構及林齡確定保留的株數或材積，其優點是不需要像定性間伐一樣要求選木者具備豐富的經驗[2]。在目前的定量間伐計算方法研究中，主要是以通過確定林分最佳密度的方式來確定間伐強度，有以樹高與冠幅比值為基礎的定量間伐、以樹高和冠幅相關為基礎的定量間伐、胸徑與冠幅相關為基礎的定量間伐以及胸徑與最大密度為基礎的定量間伐等幾種方式來確定林分每公頃最佳株數[3]。此外，還有以林分相對干距為基礎的定量間伐以及應用林分擁擠度來確定間伐量的撫育間伐方法[4]。但這些方法都是以調節林分密度為目標，對林分空間結構的改善效果并不明顯，且很少有考慮到以林分垂直空間結構為依據來改良間伐強度。而在實際的森林經營活動中，以調整林分空間結構為目的的間伐往往缺乏對間伐后林分空間結構調整結果的預估[5]。

現在較為常用的林分空間結構指標，主要包括Hegyi競爭指數、大小比數、角尺度、聚集指數、混交度等。Hegyi競爭指數、大小比數反映了林分中林木的競爭狀況[6-7]，角尺度、聚集指數等從水平角度描述了林木分布格局[8-11]。為了更好地反映林分垂直空間結構，呂勇等[12]在林層比的基礎上改進了其模型，提出了林層指數，除保留林層比原有的特征外，增加了對林層多樣性的描述。李思佳等[13]研究提出了垂直空間結構參數PVi，以分析林木在垂直方向上的競爭狀況。

撫育間伐對林分的影響已經有過大量的研究，這些研究主要是基于傳統森林功能評價展開的，如蓄積量，生長量，樹高結構和胸徑結構等[14-19]。對間伐影響下的林分空間結構研究較少。本研究以湖南黃豐橋國有林場森林經營方案為依據，對其中的間伐強度進行改進，使用計算機三維可視化模擬技術，構建真實的三維林分場景，對林分內的間伐活動以及間伐后林分空間結構調整的結果進行模擬，以期為森林經營者提供決策手段。

1 研究區概況

研究區位于湖南省株洲市攸縣境內的黃豐橋國有林場，113°04′～113°43′ E，27°06′～27°04′ N，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫17.8℃，無霜期達229 d，年均降水量為1 410.8 mm，森林覆蓋率為86.24%，樹種主要以杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、馬 尾 松（Pinus massonianaLamb.）為主，其中杉木面積3 197.6 hm2，全部為人工造林。

2 材料與方法

2.1 數據來源

在研究區選取杉木人工純林典型樣地4塊（分別命名為1、2、3、4。地位指數：18，坡向：南坡，坡度：5～10°，海拔：270～320 m）。利用全站儀測量得到杉木單木根部相對坐標（X, Y,Z），以常規外業調查方式調查胸徑（DBH）、樹高（H）、冠幅（CW）、活枝下高（UBH）、生長狀態等，按1年時間間隔采集2012—2017年調查數據。其核心區（距邊界5 m）屬性分布如表1所示。

表1 樣地因子基本統計量Table 1 Summary statistics of sample plots

2.2 研究方法

2.2.1 垂直結構參數 為了表達對象木與其競爭林木之間的大小差異，引用參考文獻[13]李思佳研究提出的垂直空間結構參數 A _Pv。

2.2.2 間伐指標的計算 本研究中將文獻[13]式中的空間結構單元數n取4，當 A_Pvi越接近-1時，整個樣地的平均競爭狀況越好，可以適當減小間伐強度；當 A_Pvi越接近1時，說明樣地的平均競爭狀況處于劣勢地位，應加大間伐強度來改善樣地內的競爭狀況。

結合垂直空間結構參數 A_Pvi和森林經營方案原定間伐強度，經過多次實驗認為平均 A_Pvi對間伐強度的影響系數為0.1較為合理，提出考慮林分垂直結構的間伐強度指標。公式如下：

式中：S為經過改進后的撫育間伐強度；P為森林經營方案中原定間伐強度，本研究中為27%；A_Pvi為林分平均垂直結構參數。當樣地平均競爭狀況良好時， A_Pvi為負值，則經過調整后的間伐強度較原間伐強度更??；當樣地平均競爭狀況處于劣勢時， A_Pvi為正值，則經過調整后的間伐強度較原間伐強度更大，以期對樣地的競爭狀況獲得更好的調整效果。

2.2.3 間伐設計方法 以黃豐橋國有林場的森林經營方案為依據，確定4塊樣地所在小班的間伐強度均為27%，采用機械抽樣的方式選取間伐木。

通過上文提到的考慮林分垂直結構的間伐強度指標來對原有的間伐強度進行改善，對樣地進行模擬間伐，并與采用27%強度間伐的樣地進行對比。

2.2.4 水平空間結構參數 為了檢驗考慮林分垂直結構的間伐強度與原定間伐強度相比對林分空間結構的改善情況，本研究從林分空間分布格局和林木個體大小差異兩個方面來描述林分空間結構，選取了大小比數和角尺度作為表達林分空間結構的參數。

2.2.5 虛擬三維仿真林分環境中的間伐可視化模擬 基于Unity3D引擎實現間伐影響下的林分生長動態可視化模擬。主要采用了高亮顯示技術、公告板技術、對空間結構單元中樹木的信息、距離等進行可視化模擬，能更直觀的表達林木的生存空間。采用Unity中最新的UI系統UGUI對林分中大小比數、角尺度、垂直結構參數 A_Pvi進行可視化顯示，采用讀取間伐表的方式對樣地進行模擬間伐。

3 結果與分析

3.1 林分撫育間伐可視化模擬

使用系統的林分加載功能將樣地調查表導入到可視化系統中，通過樣地調查表中的樹高、胸徑、冠幅、枝下高數據，模擬樣地真實三維場景。通過讀取間伐表的方式模擬采伐，再運行林分結構分析功能，可以直接顯示樣地的大小比數和角尺度的分布頻率，平均大小比數和平均角尺度，以及平均垂直空間結構參數A _Pv，如圖1所示（以3號樣地為例，下同）。

3.2 間伐前后樣地空間結構對比

根據黃豐橋國有林場森林經營方案，對樣地進行間伐強度為27%的定量間伐，采用機械抽樣的方法選取間伐木，采用系統讀取間伐表的方式進行模擬間伐。系統運行后的樣地情況和各空間結構參數如圖2所示。具體間伐后結果見表2：

圖1 3號樣地間伐前三維虛擬場景模擬Fig. 1 3rd sample plot before the thining 3D virtual scene simulation

圖2 3號樣地27%強度間伐后三維虛擬場景模擬Fig. 2 3rd sample plot after 27% intensity thinning 3D virtual scene simulation

可以看到，經過27%間伐強度間伐后的樣地，與間伐前樣地相比，4塊樣地的平均 A_Pv均出現了較大幅度的增長，樣地內單株木與其4棵相鄰木的競爭依然處于不平衡的狀態；平均角尺度變化不大，依舊維持在0.5左右，處于隨機分布狀態；在平均大小比數方面，4塊樣地的平均大小比數與間伐前相比，都出現了較大幅度的上升，說明單株木在與其最近4株相鄰木的競爭中普遍處于優勢地位。

表2 27%間伐強度間伐后樣地空間結構參數統計Table 2 Statistical analysis of spatial structure parameters of 27% thinning intensity after thinning

根據4塊樣地在間伐前的垂直結構參數A_Pv對原有的間伐強度進行改進，根據(4)式可以計算出改進后的間伐強度及間伐株數，具體結果如表3：

表3 樣地間伐量計算Table 3 Amount of thinning caculation of sample plots

根據表3的間伐強度及間伐株數計算結果，使用林分三維場景可視化模擬系統對4塊樣地進行模擬間伐，可以得到經過考慮林分垂直結構的間伐強度間伐后的林分三維場景，運行林分結構分析功能，可以得到經過考慮林分垂直結構的間伐強度間伐后的樣地內的大小比數、角尺度以及垂直空間結構參數 A _Pv（圖3），具體間伐后結果如表4：

圖3 3號樣地改進間伐強度間伐后三維虛擬場景模擬Fig. 3 3rd sample plot after improved intensity thinng 3D virtual scene simulation

表4 間伐后樣地空間結構參數統計Table 4 Statistical analysis of spatial structure parameters of plots after thinning

可以看出，經過考慮林分垂直結構的間伐強度間伐后4塊樣地與采用27%間伐強度間伐后的樣地相比，平均 A_Pv更加趨近于0，其中2、3和4號樣地更加明顯，說明這3塊樣地的單株木與其最近4棵相鄰木的競爭中整體上處于均勢；4塊樣地的平均角尺度與間伐前的樣地和經過27%間伐強度間伐后的樣地相比，均無明顯變化，整體均維持在0.5左右，屬于隨機分布；4塊樣地中，除了3號樣地外，平均大小比數均出現了較大幅度的減少。

4 討論

本研究使用考慮林分垂直結構的間伐指標與森林經營方案原定間伐強度相比，對 A_Pv改善效果明顯，使林分中的競爭更加平均。但是對角尺度的改善無明顯效果，可能是樣地均為人工純林的原因；而對大小比數的影響無規律可循，可以在今后的研究中加大模擬樣地間伐的數量，探尋其規律。本研究使用的林分三維可視化模擬系統對樣地真實場景的模擬效果較好，開發的森林結構功能模塊對間伐活動及間伐后樣地的各空間結構參數分析準確，為森林經營者提供了新的決策手段。

在今后研究中，一方面需要考慮大場景森林可視化模擬優化技術，實現大規模、高細節的場景模擬，以及在林分空間結構分析功能模塊中加入聚集指數、開敞度等其他空間結構參數，以直接反映林分的空間結構特征；另一方面應繼續改進考慮林分垂直結構的間伐強度，合理考慮更多的變量，如聚集指數、林分擁擠度等空間結構參數，以期相較原定間伐強度而言，對林分空間結構的改善效果更加顯著。

5 結論

本研究以杉木人工林為研究對象，利用林分三維場景可視化模擬系統中的森林結構功能模塊，通過讀取杉木樣地調查表中的每木坐標、胸徑、樹高、冠幅和枝下高數據，可以在虛擬場景中模擬樣地的真實情況，分析樣地的大小比數、角尺度及A_Pv的平均值，為研究間伐影響下的林分空間結構變化提供了可視化手段。經過考慮林分垂直結構的間伐強度間伐后的4塊樣地與原定間伐強度相比，平均 A_Pv更加趨近于0，說明經過考慮林分垂直結構的間伐強度間伐后樣地內林木競爭狀況更加均勻；平均角尺度無大幅度變化，4塊樣地都維持在0.5左右，呈隨機分布狀態；4塊樣地中，除了3號樣地外，平均大小比數均出現了較大幅度的減少。