基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通遼市庫(kù)倫旗森林健康評(píng)價(jià)

李雪瑩，李玉寶，梁偉

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)第二林業(yè)和草原監(jiān)測(cè)規(guī)劃院，烏蘭浩特 137400；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原局綜合保障中心，呼和浩特 010020）

森林是地球上重要的自然資源，發(fā)揮著重要的 生態(tài)功能，是人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)。但隨著人類對(duì)木材需求的激增和經(jīng)營(yíng)管理不善，森林破壞問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，恢復(fù)森林健康已迫在眉睫。因此，對(duì)森林健康進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，找出森林經(jīng)營(yíng)問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題精準(zhǔn)施策，為森林經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)，對(duì)森林健康的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了廣泛的森林健康研究[1-8]，較為先進(jìn)研究方法的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中之一，其通過(guò)自我學(xué)習(xí)可以減少主觀因素的影響，使聚類更加客觀準(zhǔn)確。因此運(yùn)用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)庫(kù)倫旗森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行分析，以期為維持森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定、指導(dǎo)森林經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫(kù)倫旗坐落于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西南部。地理坐標(biāo)為北緯42°21′～43°19′，東經(jīng)121°09′～12°12′。東鄰科爾沁左翼后旗，南接遼寧省阜新蒙古族自治縣和彰武縣，西連奈曼旗，北臨開(kāi)魯縣。南北長(zhǎng)105 km，東西寬89 km，土地總面積為465 000 hm2。庫(kù)倫旗地處燕山余脈與科爾沁沙地的交替地段，地勢(shì)西南高、東北低，平均海拔365 m。屬于溫帶干旱、半干旱大陸性氣候區(qū)。年降水量383.7～447.5 mm，集中在7～8 月份。年蒸發(fā)量1 982～2 210 mm。境內(nèi)較大河流有養(yǎng)畜牧河、鐵牛河、厚很河，屬于遼河水系。植被類型主要有山地森林草原、山地草甸、低山丘陵草原、沙地草原、河泛地低濕草甸等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源為2017 年庫(kù)倫旗森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

參考借鑒前人研究成果（馬克明等[9]，孔紅梅和姬蘭柱[10]，肖風(fēng)勁等[11]，陳高等[12]，李靜銳等[13]），結(jié)合庫(kù)倫旗實(shí)際森林經(jīng)營(yíng)狀況，初步選取了能夠充分反映庫(kù)倫旗森林健康狀況的下列指標(biāo)：平均樹(shù)高、平均胸徑、郁閉度、每公頃蓄積、下木蓋度、土層厚度6個(gè)定量指標(biāo)以及起源、齡組、群落結(jié)構(gòu)3 個(gè)定性指標(biāo)，共9個(gè)指標(biāo)。

對(duì)定性指標(biāo)需先進(jìn)行量化處理，與定量指標(biāo)一起進(jìn)行主成分分析，構(gòu)建森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-17]。根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)森林資源二類調(diào)查技術(shù)規(guī)程（2017），確定庫(kù)倫旗定性指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 定性指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)表

將定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理后，為了避免所選評(píng)價(jià)指標(biāo)重復(fù)，需要剔除具有相關(guān)性的指標(biāo)，同時(shí)盡量減少指標(biāo)包含信息的損失，對(duì)所收集的資料做出全面的分析，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀合理。文章選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選方法為主成分分析法，是一種常用的降維方法，它將相關(guān)的變量轉(zhuǎn)換為不相關(guān)的線性變量，以此去除有重疊信息的變量，轉(zhuǎn)換后的變量能夠充分反映課題信息。

應(yīng)用SPSS23 中的分析—降維—因子分析方法，對(duì)上述選出的9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，共36 111 個(gè)小班數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，勾選KMO 和巴特利特球形度檢驗(yàn)，設(shè)置因子提取閾值為特征值大于1，結(jié)果如下：

2.2.1 KMO和巴特利特球形度檢驗(yàn)

KMO 和巴特利球體檢驗(yàn)用于檢查變量間的相關(guān)性。見(jiàn)表2。

表2 KMO和巴特利特檢驗(yàn)

KMO 為0.672＞0.6，巴特利特球形檢驗(yàn)的顯著性P＜0.05，說(shuō)明數(shù)據(jù)適合做因子分析。

2.2.2 因子提取

文章設(shè)置因子提取閾值為特征值＞1，見(jiàn)表3、表4。

表3 特征值與方差貢獻(xiàn)表

表4 成分矩陣信息表

如表3 所示：前4 個(gè)主成分的特征值都大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.33%，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，因此取前4個(gè)主成分為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)成分矩陣信息表，第一主成分主要包括平均樹(shù)高、平均胸徑、每公頃蓄積，可作為系統(tǒng)活力性指標(biāo)；第二主成分主要包括起源，可作為功能穩(wěn)定性指標(biāo)；第三主成分主要包括群落結(jié)構(gòu)，可作為結(jié)構(gòu)完整性指標(biāo)；第四主成分主要包括土層厚度、下木蓋度，可作為可持續(xù)性指標(biāo)。

由于齡組和郁閉度這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的成分值在4 個(gè)主成分中低于其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的成分值，即不能充分表達(dá)小班的健康程度，所以將其舍棄。

最終確定平均樹(shù)高、平均胸徑、每公頃蓄積、下木蓋度、土層厚度、起源、群落結(jié)構(gòu)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)果如表5。

表5 森林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分

借鑒前人研究，結(jié)合庫(kù)倫旗實(shí)際情況，將森林健康狀況分為優(yōu)質(zhì)、健康、亞健康、不健康、疾病5個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表6。

表6 森林健康等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.4 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算過(guò)程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化

對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到，j=1,2，…，m；建立初始優(yōu)勝鄰域N J*(0);學(xué)習(xí)率η賦初始值。

（2）輸入向量并計(jì)算與權(quán)值向量的距離

輸入向量X=（x1,x2,…xm）T,采用歐式距離法，計(jì)算輸入向量和權(quán)值向量的距離：

其中，wij為輸入層的神經(jīng)元i和映射層的神經(jīng)元j之間的權(quán)值。通過(guò)計(jì)算，得到一個(gè)具有最小距離的神經(jīng)元，為勝出神經(jīng)元j*。

（3）定義優(yōu)勝鄰域Nj*（t）

以j*為中心確定t時(shí)刻的權(quán)值調(diào)整域，一般初始鄰域Nj*（0）較大，訓(xùn)練過(guò)程中Nj*（t）隨訓(xùn)練時(shí)間逐漸收縮。

（4）調(diào)整權(quán)值

對(duì)優(yōu)勝鄰域Nj*（t）內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)調(diào)整權(quán)值：

式中，η（t，N）是訓(xùn)練時(shí)間t和鄰域內(nèi)第j個(gè)神經(jīng)元與獲勝神經(jīng)元j*之間的拓?fù)渚嚯xN的函數(shù)。

（5）計(jì)算輸出Ok

（6）結(jié)束檢查

如果達(dá)到預(yù)期要求則算法結(jié)束，否則返回進(jìn)入下一輪學(xué)習(xí)，直至得出結(jié)果。

將原庫(kù)倫旗森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)按照選定的主成分評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行刪減，作為輸入數(shù)據(jù)，將聚類結(jié)果分為5類。構(gòu)建SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)繪圖技術(shù)得到森林健康分等級(jí)圖。

3 結(jié)果分析

3.1 森林健康評(píng)價(jià)等級(jí)分析

通過(guò)上述研究，應(yīng)用繪圖技術(shù)得到森林健康分等級(jí)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 庫(kù)倫旗森林健康評(píng)價(jià)等級(jí)圖

庫(kù)倫旗喬木林小班共36 111個(gè)，面積104 338.3 hm2，數(shù)據(jù)來(lái)源為庫(kù)倫旗2017 年森林資源二類調(diào)查。下面從起源、林種、齡組三個(gè)維度進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）優(yōu)質(zhì)小班面積32 560.6 hm2，占喬木林總面積的31.21%。見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)質(zhì)小班面積統(tǒng)計(jì)表

（2）健康小班面積23 484.2 hm2，占喬木林總面積的22.51%。見(jiàn)表8。

表8 健康小班面積統(tǒng)計(jì)表

（3）亞健康小班面積19 688.5 hm2，占喬木林總面積的18.87%。見(jiàn)表9。

表9 亞健康小班面積統(tǒng)計(jì)表

（4）不健康小班面積16 864.5 hm2，占喬木林總面積的16.16%。見(jiàn)表10。

表10 不健康小班面積統(tǒng)計(jì)表

（5）疾病小班面積11 740.5 hm2，占喬木林總面積的11.25%。見(jiàn)表11。

表11 疾病小班面積統(tǒng)計(jì)表

3.2 不同因子健康狀況分析

（1）不同起源健康狀況分析

庫(kù)倫旗天然喬木林小班面積4 015.9 hm2，占比3.85 %；人工喬木林小班面積100 322.4 hm2，占比96.15%。見(jiàn)表12。

表12 不同起源森林健康等級(jí)面積表

天然林面積低于人工林，天然林中，優(yōu)質(zhì)小班面積占比96.72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工林；人工林中優(yōu)質(zhì)和健康小班共占51.88%，亞健康、不健康、疾病小班面積遞減，天然林健康狀況較好于人工林。

（2）不同林種健康狀況分析

庫(kù)倫旗公益林小班面積74 689.5 hm2，占比71.58 %；商品林小班面積29 648.8 hm2，占比28.42%。見(jiàn)表13。

表13 不同林種健康等級(jí)面積表

庫(kù)倫旗公益林面積遠(yuǎn)多于商品林面積，森林健康等級(jí)在兩個(gè)林種小班中占比皆呈優(yōu)質(zhì)到疾病遞減的趨勢(shì)，公益林中優(yōu)質(zhì)和健康小班占比51.57%，商品林中優(yōu)質(zhì)和健康小班占比59.12%。

（3）不同齡組健康狀況分析

庫(kù)倫旗幼齡林小班面積11 270.7hm2，占比10.80%；中齡林小班面積33 814.5 hm2，占比32.41%；近熟林小班面積11 911.8 hm2，占比11.42%；成熟林小班面積27 416.5 hm2，占比26.28%；過(guò)熟林小班面積19 924.8 hm2，占比19.10%。見(jiàn)表14。

表14 不同齡組森林健康等級(jí)面積表

幼齡林和中齡林森林健康等級(jí)呈優(yōu)質(zhì)到疾病遞減的趨勢(shì)，其中幼齡林中優(yōu)質(zhì)小班占比遠(yuǎn)多于其他小班；中齡林中優(yōu)質(zhì)和健康小班之和占比65.19%；近熟林中優(yōu)質(zhì)和健康小班之和占比44.60%，成熟林中優(yōu)質(zhì)和健康小班之和占比39.15%，過(guò)熟林中優(yōu)質(zhì)和健康小班之和占比36.91%，均沒(méi)有超過(guò)50%。

（4）不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種健康狀況分析

庫(kù)倫旗喬木林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為樟子松、油松、榆樹(shù)、楊樹(shù)的小班面積和為101 857.1 hm2，占總面積的97.62%，具有代表性。因此，文章以上述4 個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為代表，分析庫(kù)倫旗不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種健康狀況。

庫(kù)倫旗優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為樟子松的小班面積3 049 hm2，占比2.92%；優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為油松的小班面積8 756.7 hm2，占比8.39%；優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為油松的小班面積4 267.3 hm2，占比4.09%；優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為楊樹(shù)的小班面積85 784.7 hm2，占比82.22%。見(jiàn)表15。

表15 不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種森林健康等級(jí)面積表

樟子松和榆樹(shù)的優(yōu)質(zhì)小班面積占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他小班；油松的優(yōu)質(zhì)小班和健康小班面積之和占比21.69 %，亞健康和不健康小班面積之和占比67.01%；楊樹(shù)面積在喬木林中最多，高達(dá)82.22%，優(yōu)質(zhì)和健康小班之和占比52.52%，從優(yōu)質(zhì)到疾病小班呈遞減趨勢(shì)。

4 討論與結(jié)論

通過(guò)上述分析可知，庫(kù)倫旗森林健康等級(jí)為優(yōu)質(zhì)的小班面積占比最高，且優(yōu)質(zhì)和健康小班面積之和占比達(dá)53.71%，庫(kù)倫旗森林健康程度整體較好。

以起源劃分，庫(kù)倫旗喬木林多數(shù)為人工林，人工林中優(yōu)質(zhì)和健康小班面積占比51.89 %，天然林96.72%都是優(yōu)質(zhì)小班；以森林類別劃分，公益林和商品林中優(yōu)質(zhì)和健康小班占比分別為51.57 %和59.12%；以齡組劃分，幼齡林和中齡林優(yōu)質(zhì)和健康小班占多數(shù)，近、成、過(guò)熟林中優(yōu)質(zhì)和健康小班占比分別為44.60 %、39.15 %和36.91%；以優(yōu)勢(shì)樹(shù)種劃分，楊樹(shù)優(yōu)質(zhì)和健康小班占比52.52%，榆樹(shù)和樟子松中優(yōu)質(zhì)小班占多數(shù)，油松中優(yōu)質(zhì)和健康小班占比僅為21.69%。

庫(kù)倫旗林業(yè)建設(shè)近年來(lái)取得了優(yōu)異的成就，林業(yè)重點(diǎn)工程的實(shí)施，使森林資源持續(xù)增長(zhǎng)，森林質(zhì)量不斷提高，與2005 年二類資源調(diào)查數(shù)據(jù)相比，齡組結(jié)構(gòu)調(diào)整明顯，中齡林、成熟林增長(zhǎng)幅度較大，群落結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，完整結(jié)構(gòu)的喬木林面積增加。單位面積蓄積增加，平均胸徑、平均樹(shù)高增加；森林消耗尤其是采伐消耗明顯下降，總生長(zhǎng)量大于總消耗量，毀林開(kāi)墾、亂砍濫伐和亂占林地的現(xiàn)象得到明顯遏制，森林經(jīng)營(yíng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。