天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真毕业论文

I目 录摘要.1Abstract31 引言 .51.1 林分生长模型动态仿真研究进展 .51.1.1 国外研究进展 .61.1.2 国内研究进展 .71.2 林分生长模型动态仿真研究存在的问题 .91.2.1 缺乏长期定位研究，模型使用受限 .91.2.2 树木模型过于简单，仿真难度较大 .91.2.3 模型数据库不完善，数据更新困难 .101.3 林分生长模型动态仿真研究对策 .101.3.1 构建模型研究体系 .101.3.2 强化模型深入研究 .101.3.3 完善模型的数据库 .101.4 论文研究的主要内容和技术路线 .111.4.1 论文研究的主要内容 .111.4.2 论文研究的技术路线 .122 试验地概况及研究方法 .132.1 试验地概况 .132.2 研究方法 .132.2.1 试验地设计 .132.2.2 野外调查方法 .162.2.3 数据整理与排查处理方法 .162.2.4 优势树种的确定方法 .172.2.5 林分生长动态模拟方法 .172.2.6 林分生长动态仿真方法 .213 单木生长方程构建 .223.1 最优方程的选择 .233.2 胸径生长过程模拟 .243.3 树高生长过程模拟 .273.4 树木生长过程模拟 .303.4.1 树高曲线模型 .303.4.2 构建材积方程 .363.5 小结 .444 林分生长动态模拟 .454.1 林分直径分布模型 .454.1.1 分布模型选择 .454.1.2 直径拟合结果 .464.1.3 负指数分布模型 .474.2 林分自然枯损模型 .474.2.1 枯损模型的建立 .514.2.2 枯损模型的应用 .524.3 林分空间变化动态 .524.3.1 分析方法 .534.3.2 结果讨论 .544.4 小结 .615 林分生长动态仿真 .635.1 林分分布结构预测 .635.1.1 林分直径分布预测 .635.1.2 林分树高分布状态 .655.2 单木生长虚拟仿真 .695.2.1 OnyxTREE 软件简介 .705.2.2 单木可视化仿真步骤 .715.2.3 单木可视化仿真结果 .715.3 林分生长动态仿真 .745.4 小结 .756 结论与讨论 .766.1 主要结论 .766.2 主要创新 .766.3 讨论与展望 .77参考文献 .78致谢.84福建农林大学 2012 届硕士学位论文1天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真摘 要：森林经营管理的目的是通过人为地对森林进行调控，以充分发挥其最大的生态效益、经济效益和社会效益；若要实现这一目的，就必须掌握林分的性质、林分空间结构分布及林分生长变化规律，便于预测林分的未来发展趋势及对即将采取的经营措施的反应。天然次生林结构复杂，物种多样，若仅依靠简单的数学模型，进行森林经营决策，具有较大的局限性。随着计算机技术的迅猛发展，通过可视化的动态模拟仿真，不仅能为森林的经营决策提供各种可靠的信息，使得森林经营管理变得简便快捷，而且对森林景观的规划设计和林业课程的直观教学具有重大的实用价值。设置于福建省建瓯市大源林业采育场的我国唯一保存完好的中亚热带典型的天然次生林长期跟踪试验样地，在 1996 年已完成群落本底及不同强度择伐后调查和 2006 年已完成自然恢复 10 年后复查的基础上，进行不同强度择伐自然恢复 15 年后的群落特征和林地生态因子的调查。利用这些长期复测数据，构建以择伐强度为主要影响因素的单木胸径生长方程、树高生长方程和树高曲线方程；利用树高曲线方程，推导出适合该地区的一元材积方程；结合所构建的单木模型为基础，进行林分的生长动态模拟。再利用Onyx TREE 和 3Ds MAX 软件进行不同强度择伐样地各时期的林分生长状态仿真，在结合PHOTOSHOP 技术制作林分生长变化的动态画面，实现林分生长变化动态的仿真，为探索中亚热带天然次生林生态采伐与更新技术提供依据。研究结果表明：以树龄为自变量的胸径和树高生长方程都以 Gompertz 方程精度最高，通过对不同强度择伐样地的初步模拟比较，弱度和中度择伐对于林分内大径材的培育更有利；标准树高曲线的拟合精度比普通树高曲线提高了 15.8%，表明了标准树高曲线模型将比普通树高曲线模型具有更广泛的适用性；综合考虑一元材积方程和二元材积方程的优缺点，推导了精度居中的一元材积方程，在胸径和树高数据较易获取时，可采用二元材积方程；若条件受限，可选用推导的一元材积方程。通过构建具有时间序列的负指数分布模型，可预测 30 a 内的林分直径结构，并结合利用伐后 10 a 和 15 a 的实测数据，探讨不同强度择伐样地林分未来发展趋势，未来弱度择样样地将以甜槠和米槠为主导，中度择伐样地将以米槠为主导，两者林分空间结构趋于稳定方向发展；强度择伐样地将以甜槠为主导，极强度择伐样地将以米槠为主导，两者林分空间结构将逐渐变劣；说明了从天然林可持续经营的角度出发，择伐强度以弱度和中度为宜。天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真通过林分生长过程的动态仿真发现，弱度和中度择伐在经过一定时间恢复后，林分总体结构趋向稳定，且中度择伐恢复速度比弱度择伐快；强度、极强度和皆伐在经过一定时间恢复后，林分总体结构开始衰退，特别是皆伐在林分未成熟前就已开始呈现衰退趋势；未采伐在经过一段时间的自然生长成熟后，林分也将衰退；此结论进一步验证了弱度和中度择伐的优越性，将为林业生产决策部门选择合理的森林经营策略提供科学依据。关键词：天然次生林；择伐强度；生长动态；林分结构；仿真中图分类号：S7 文献标识码：A福建农林大学 2012 届硕士学位论文3Different Selective Cutting Intensity Stand Growth Simulationof Natural Secondary ForestAbstract：The purpose of forest management is through the human control forest to play its biggest ecological，economic and social benefitsTo achieve this goal，we must know the nature， space structure distribution and the growth change rule of the stand in order to predict the future development tendency of the stand and reaction of the management measuresIt is a big limitation only rely on a simple mathematical model for forest management decision because the structure of natural secondary is complicated and species are variousWith the rapid development of computer technology，it is not only provide reliable information for the forest management decision，make the forest management becomes simple and fast，but also have great practical value on the forest landscape planning and design and forestry simulation teaching through the visual dynamic simulationThe sample plots are the only well-preserved typical subtropical natural secondary forest for long-term tracking set up in Dayuan forest logging and regeneration station in Jianou County，Fujian province in chinaIn 1996 it has already been completed at the end of the community survey and investigation after different intensity selective cuttingIn 2006 the natural recovery after 10 years review has completedOn the basis of these investigations，we carry out community characteristic and forest ecological factor investigation after 15 years of natural recoveryThen these long-term reiteration data are used to construct the selective cutting intensity as the main influencing factors of single wood growth equation of DBH，tree height and tree height curve equation；the tree height curve equation derive the single volume equation suitable for production in the region combining with the construction of single wood models as the basis to simulate the stand growth dynamicFinally，Onyx TREE and 3D MAX software are used to simulate each period of stand growth status in the different intensity selective cutting stand combining with the PHOTOSHOP technology to product the stand growth changes dynamic picture，to realize the dynamic simulation of stand growth and to provide the basis for the subtropical natural secondary forest ecological cutting and updated technology researchThe results of the study show that the Gomperts function is optimal for fitting diameter and 天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真height growth models，which taking age as the independent variableAccording to preliminary simulation in different intensity selective cutting stand，low intensity and medium intensity is benefit to cultivate large diameter timberThe standard height curve is 15.8% increased than the average tree height curve，which shows the standard height curve model has more extensive applicability than the average tree height curve modelConsidering the advantages and disadvantages of single entry volume equation and binary volume equation deduced the one entry volume which have the medium precisionTherefore，when diameter and height data were easy to get，binary volume equation should be used，otherwise，the deduced one entry volume equation should be chosenThrough constructing the negative-exponential function which has time sequence can predict the stand diameter structure in 30 yearsThen combing with measured data after 10 years and 15 years recovery，we discuss the future development trend in different intensity selective cutting standIn the future，Castanopsis carlesii and Castanopsis eyrei will become the leader in low intensity stand，Castanopsis carlesii will lead the medium intensity stand， and both these two stand space structure will gradually stability；Castanopsis eyrei will become the leader in high intensity stand，Castanopsis carlesii will lead the over-high intensity stand， and both these two stand space structures will get worseFrom the point view of the sustainable management of natural forest，the selective intensity should choose low intensity and medium intensityThrough the stand growth dynamic process simulation，we found that after a period of time recovery of low intensity and medium intensity square，the stand general structure inline to stabilize，and medium intensity recovery speed faster than low intensityAfter a period of time recovery of the high intensity，over-high intensity and clear cutting square，the stand general structure starts to decline， especially before the maturing of clear cutting squareThe non-cutting square will also decline after a period of natural growth to matureThis conclusion further verified the superiority of low intensity and medium intensity selective cutting，and provide scientific basis to the decision-making for department of forestry production when they choose reasonable forest management strategyKey words： natural secondary forest；selective cutting intensity；growth dynamics；stand structure；simulationCLC number：S7 Document code：A福建农林大学 2012 届硕士学位论文5天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真1 引言林分生长与收获模型作为研究森林生长变化规律及预估林木生长量、收获量的基本手段，一直受到国内外广大林业工作者的高度重视，是林业工作者进行森林经营的指南 1。自1987年Bruce在世界林分生长模型和模拟会议上提出，林分生长模型是指一个或一组数学方程式，用来描述林木生长与林分状态和立地条件的关系 2。迄今为止，由于森林经营决策涵盖多个层次以及人们对模型使用要求的不同，林业工作者为了满足不同情况的需要已经建立了许多复杂程度不一、形式各异、名称与种类繁多的林木生长和收获模型。从最原始的标准收获表到现今的单木模型，已经形成了一个连续的模型统一体 3。林分生长与收获模型的分类方法很多，主要区别在于分类的原则和依据，但最终所分的类别都基本相似，我国采用的是Munro(1974) 根据制作模型的原理把生长模型分为全林分模型、径阶分布模型和单木生长模型三大类 4。从理论上讲，不同的模型所模拟的同一因子得到的结果应该是一样的，但在实际应用中，由于模型的误差及模型自身的问题，不同的模型所模拟的同一因子结果却可能不一致。因此，近年来各国学者都对模型间的相容性问题十分重视，都在追求不同水平模型之间的内部结构的统一，试图通过一定的方法将不同的模型有机耦合起来，形成一个统一整体 5。森林经营管理的实质在于通过对森林进行人为的调控使其充分发挥出最大的生态效益、经济效益和社会效益，而要达到这一目标，就必须掌握林分的生长、分布、性质及变化规律 6。因为，如此复杂的生物系统，影响因子多而且相互关联，树木生长周期长，森林对所实施管理决策的容错性差，这些特点增大了对林分合理经营决策的难度。因此，在正确制定森林经营决策之前，必须要掌握林分结构及其动态变化规律，以及预测林分对即将实施措施的反应。事实上，预测树木或林分的生长与收获以及在不同立地条件下采用某些特定的营林技术措施后林分的动态变化，一直是森林经营决策中的核心问题 7。单木生长模型是构建林分生长模型的基础，也是定量研究树木生长过程的有效手段。构建树木生长模型不仅可以用来预估各测树因子的变化情况，为树木的虚拟仿真提供必要的基础信息；而且还可以为编制和修订各种数表及各类森林经营措施提供必要依据 8,9。因此，为满足科学研究和实际应用的要求，需要运用合理的建模方法构建能精确预测树木生长动态变化趋势的高精度模型。随着计算机技术的迅猛发展和数学模型理论的日益完善，系统论、控制论、信息论等信息学科的奠定，林木调查技术的变革以及森林可持续经营思想对森林资源信息利用的要求，都促进森林生长模型的研究日渐深入，并呈现许多新动向 10。通过仿真模拟，可以为林业领域的科研、生产、管理提供各种可靠的信息和数据 11，运用合理的建模方法所建立出的模型能精确预测林分中各因子的动态变化趋势，从而对林分的经营管理起指导作用。1.1 林分生长模型动态仿真研究进展林分生长模型是进行林分生长动态模拟的理论依据，是一种间接的估测方法，在林业生长实践中有着极其重要的作用。它可根据对不同树种在不同生长环境条件下、不同福建农林大学 2012 届硕士学位论文7发育阶段的生长状况进行调查，然后用一定的数学处理方法，以图、表、公式或计算机程序等形式来间接预估林分的生长 12。国外已经较早地展开了关于林分生长模型的研究，从德国林学家Reaumur 1921年首次发表林分收获表起，至今已有90余年的历程。从20世纪60年代中期开始之后的10年中，国外林业工作者研究了大量的生长模型，如Richards、Logistic、Gampertz、Mitscherlich 、Korf、Weibull、三次曲线、 “S”曲线、 “e”曲线等多种理论方程；从70年代中期开始，这些模型被广泛地应用于不同类型的林分中；到80年代后，林分生长模型的研发速度开始大幅度地减慢，专家学者们开始关注模型的精度和适用性问题，逐渐倾向于对这些模型进行一些修改和完善的研究 1；到20世纪末，随着一些可以提高非线性问题模型拟合精度的高新技术的迅速崛起，开辟了高精度模型研究的新热潮，并基于各项高新技术构建了各类形式的高精度模型；本世纪初，计算机仿真技术的迅猛发展，为数学模型可视化提供了基础，构建二维、三维林分生长模拟图像和林分生长过程的动态画面，逐渐成为当今林分生长模型研究的热点，也是未来发展的趋势。1.1.1 国外研究进展林分生长动态及收获的模型化和过程模拟研究，于 20 世纪 60 年代初期开始，到 70年代初取得较大的进展 13。林分生长和收获模型最原始的表达形式是林分收获表，它是一种用来预测林分收获量的图表，采用表格的形式针对某一地区，按不同林分类型、分别地位级记载各个生长阶段的林木因子，如蓄积量、密度和平均胸径等。林业领域早期在模型方面的研究比较薄弱，决策者需求最多的是数据支持，而林分收获表法获得数据容易，预测林分收获量简单、方便、快捷，因此至今仍有部分国家和专家学者采用这种方法来模拟林分的生长情况。随着林分生长模型研究的不断深入和决策者素质的提高，迫切需要依靠模型向决策者描述决策过程，比较和选择侯选决策方案的模型支持 4。森林可持续经营研究由早期的定性描述趋向于定性与定量相结合的定量化、模型化方向发展。林分生长模型明确地用数学解析式表达，是森林经营决策的重大转变。在过去的一个世纪，林分生长模型主要受到了以下 4 个方面发展的影响 14： 营林体制由同龄纯林转向混交林； 模型的构建越来越多地考虑了随机关系； 森林经营的目标发生了变化，不仅考虑林分的生长和收获，还考虑生态等方面； 计算机技术的发展和广泛应用。因此，模拟的广度和复杂性也增加，模拟尺度从全林分到单木，从经验模型到过程模型再到混合模型，目标也从林分收获预测到生态过程描述。林分生长动态模拟的基础是树木生长动态模拟及林分空间结构变化的模拟，但是如何有效地进行树木生长过程的预测成为林分生长动态模拟的一项重点、难点和热点问题。Solomon 和 Shugart 认为解决这一问题的有效途径是通过建立计算机模拟系统来模拟和预测森林群落的动态过程 15。为此，以 P Prusinkiewicz 等为首的加拿大卡尔加里大学计算机系 BMV 实验室，根据生物学家 Lindenmayer 于 1986 年提出并以其姓氏首写字母命名的 L系统为植物形态结构的描述框架，对树木的形态结构进行了描述，模拟了单株树木的生长，建立了单株树木虚拟的通用模拟系统 Vlab/L-Studio，实现了对于不同类型树木天然次生林不同择伐强度林分生长动态仿真的模拟 16。美国农业部林务局太平洋西北研究站、华盛顿大学森林资源学院与耶鲁大学全球可持续林业研究所在进行面向森林生态系统可持续经营管理的研究项目中，结合森林资源调查数据和 20 个林区的森林生长模型，开发了集成软件系统 LMS(Landscape Management System)及相应的可视化软件工具 SVS 和 EnVision17。林分生长模型(FVS)作为 LMS 软件系统中主要的软件模块之一，已经被广泛用于评价林分的生长状况和预测不同经营管理措施下林分未来的动态变化。为了更好地模拟单株树木和林分在生理过程、气候变化等环境条件下的日、月和年时间尺度上的生长过程，美国林务局将 FVS 与STAND-BGC 组合在一起，开发了森林生长混合模拟系统 FVS-BGC18。此外，美国的一些商业软件公司也十分重视与树木和林分可视化仿真有关的研究和开发，推出了一系列的相关软件 19,20。1.1.2 国内研究进展虽然，我国关于林分生长模型的研究起步较晚，但经过专家学者的大量研究，也取得了巨大的发展。20世纪50年代，较系统地编制了某些主要树种的生长过程表；60年代中期后，由于历史原因，出现了停滞；80年代后，国家对森林经营关注度的逐渐提高，掀起了林分生长模型研究的热潮，国内专家学者通过对国外已有的林分生长方程的对比研究，探索并研发了一系列符合我国林业生长实际情况的模型；本世纪初，随着国际研究形势的转变，国内部分专家学者也开始对采用高新技术构建高精度模型开展研究；近几年，随着计算机技术及其在“数字林业” 建设中的大力推广，国内关于林分生长模型的可视化动态模拟研究也正在逐步展开。1.1.2.1 林分生长模型建立和选优自1988年起，国家自然科学基金委员会对多个关于模型和模拟方面课题的连续资助，如唐守正院士主持研究的“我国主要人工林生长模型、经营模型和优化控制” 和“林分动态模型模拟技术” 等课题，不仅提高了我国林分生长动态模型的研究水平，也推动了林分生长动态模型研究的热潮。翁国庆 21根据森林生长理论，应用连续的森林资源清查数据推导，建立了可用于森林经营调查数据更新和经营决策优化的林分生长动态模型。惠淑荣22等在 3个参数 Richards生长方程的基础上，提出了日本落叶松5参数的生长方程，并投入生产应用中，得到很好的预测效果。卢军 23应用与PROCNSIS系统相似的方法，建立了长白山地区天然混交林各主要优势树种的单木生长模型。黄增 24利用标准地材料建立了柳杉人工林林分生长模型并提出了相应的预估方法，可以及时有效地掌握柳杉人工林资源动态变化。郭明春