林秀云 孫圓 劉晨曦 姚睿涵 周春國(guó) 曹林 曹福亮

(南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，南京，210037)

杉木(CunninghamialanceolataLamb. Hook)是中國(guó)南方重要的用材樹(shù)種和造林樹(shù)種，具有生長(zhǎng)迅速、木材結(jié)構(gòu)細(xì)、紋理通直、耐腐能力強(qiáng)、成林迅速的特點(diǎn)[1]。杉木在林業(yè)產(chǎn)業(yè)中擁有不可替代的地位，但單一化種植、連栽及全樹(shù)利用等經(jīng)營(yíng)方式導(dǎo)致一系列生態(tài)問(wèn)題[2-3]。采用適合的結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)方式對(duì)提高林分結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性具有重要意義[4-6]。近些年，營(yíng)林科技工作者基于藥用植物、速生樹(shù)種生長(zhǎng)特點(diǎn)及草珊瑚、閩楠、華蓋木等幼齡期偏陰的生物學(xué)特性[7-11]，興起將適宜林下生長(zhǎng)的藥用植物重新種到自然環(huán)境下進(jìn)行野生化栽培及對(duì)生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)的珍貴樹(shù)種在杉木等速生樹(shù)種樹(shù)冠等弱光環(huán)境下造林，以期達(dá)到“以短養(yǎng)長(zhǎng)”的目的[7，12]。

廣西高峰林場(chǎng)是全國(guó)綜合實(shí)力最強(qiáng)的國(guó)有林場(chǎng)之一，通過(guò)對(duì)高峰林場(chǎng)近29 a的森林資源結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化分析，高峰林場(chǎng)應(yīng)提高混交林比例，特別是鄉(xiāng)土珍貴樹(shù)種的種植，增加森林后備資源和木材儲(chǔ)備，并在多樹(shù)種分析中得到杉木為單產(chǎn)最高樹(shù)種的結(jié)論[13]。因此，本研究選擇了高峰林場(chǎng)4種常見(jiàn)復(fù)合經(jīng)營(yíng)方式的杉木人工林為對(duì)象，進(jìn)行蓄積與材種計(jì)算，建立專用的區(qū)域樹(shù)種材積表和造材表，以期滿足當(dāng)前森林資源監(jiān)測(cè)多目的多功能的需要。編制材積表常用解析木法，但其易受到集約經(jīng)營(yíng)采伐的限制，而地面激光掃描能夠?qū)崿F(xiàn)立木的“實(shí)景復(fù)制”[14]，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)立木胸徑、樹(shù)高、上部直徑和材積等測(cè)樹(shù)因子的無(wú)損測(cè)量，具有實(shí)時(shí)、高效和高精度性[15-19]。本研究將基于地面激光掃描儀獲取的杉木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)不同經(jīng)營(yíng)類型的杉木上部直徑、樹(shù)高、材積等測(cè)樹(shù)因子，構(gòu)建研究區(qū)杉木的一元材積模型和削度模型，編制杉木一元材積表和材種出材率表，為杉木復(fù)合經(jīng)營(yíng)分析、林業(yè)生產(chǎn)決策提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西國(guó)有高峰林場(chǎng)(108°8′～108°53′E，22°49′～23°15′N)，坐落在大明山弧形山脈南側(cè)，南寧盆地北緣，地貌主要為丘陵、低山。海拔150～400 m，坡度20°～30°。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫21 ℃左右，年降水量1 200～1 500 mm，年相對(duì)濕度大于80%，熱量充足，雨水充沛，林木生長(zhǎng)迅速。森林覆蓋率87%以上，人工林約為95%，其中速生桉樹(shù)為主的純林占比為72.79%，混交林僅占24.21%，而杉木混交林僅4.44%[20-21]。主要林種包括杉木純林、杉木與閩楠(Phoebebournei(Hemsl.) Yang)復(fù)合經(jīng)營(yíng)林、杉木與草珊瑚(Sarcandraglabra(Thunb.) Nakai)復(fù)合經(jīng)營(yíng)林、杉木與華蓋木(Pachylarnaxsinica(Law))復(fù)合經(jīng)營(yíng)林(見(jiàn)圖1)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及數(shù)據(jù)采集

本研究選擇杉木純林、杉木與閩楠復(fù)合經(jīng)營(yíng)林、杉木與草珊瑚復(fù)合經(jīng)營(yíng)林、杉木與華蓋木復(fù)合經(jīng)營(yíng)林，設(shè)立了8塊標(biāo)準(zhǔn)地(25 m×25 m,見(jiàn)圖1)，每個(gè)經(jīng)營(yíng)類型各2塊，均為同齡純林。研究采用多站點(diǎn)掃描，于2018年1月使用Riegl Vz-400i采集，其掃描速率為500 000點(diǎn)/s。各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接集成被測(cè)樣地的三維信息，依靠?jī)x器的自動(dòng)拼接功能，拼接精度為0.003 2 m(研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地點(diǎn)云示例如圖1)。拼接完成后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去躁和歸一化，采用LiDAR 360軟件提取樣地?cái)?shù)字高程模型(DEM)，再根據(jù)DEM賦予點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程，進(jìn)行上部直徑與特征參數(shù)的提取。研究采用迭代K均值聚類進(jìn)行單木定位和分割[22]，為得到完整的立木點(diǎn)云，設(shè)置的初始切割閾值較大，所在初步分割后還進(jìn)行了手動(dòng)的非立木點(diǎn)云去除，最終得到完整的立木點(diǎn)云[18]。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 立木參數(shù)提取

樹(shù)高提取利用FUSION/LDV[23]軟件提取立木Z軸方向點(diǎn)云最大值與最小值的差值獲得；提取立木不同高度處直徑，將單木點(diǎn)云每隔1 m取0.04 m的切片圓環(huán),切片圓環(huán)直徑的擬合采用最小二乘法[18]；材積計(jì)算采用中央斷面積區(qū)分求積法，根據(jù)從點(diǎn)云提取的不同高度直徑，選擇2 m為一個(gè)區(qū)分段，其余不足2 m區(qū)分段的作為梢頭，立木材積計(jì)算公式如下：

(1)

式中：V為立木材積;gi為各分段斷面積;g′為梢頭斷面積;l為區(qū)分段長(zhǎng)度;l′為梢頭長(zhǎng)度;n為區(qū)分段個(gè)數(shù)。

2.3 立木一元材積表的編制

一元材積表以胸徑為變量在林業(yè)調(diào)查中有重要的地位，在材積估測(cè)中有廣泛的適用性。研究選擇了5種常見(jiàn)的一元材積方程在SPSS軟件中進(jìn)行擬合(見(jiàn)表1)。以5 cm為徑階，從每個(gè)徑階中隨機(jī)選取80%杉木作為建模數(shù)據(jù)，剩余的20%作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，選出最優(yōu)一元材積方程，建立研究區(qū)的杉木一元材積表。

表1 一元材積表備選方程

2.4 造材計(jì)算與削度模型的選擇

削度方程可以描述樹(shù)干的形狀變化，是造材計(jì)算的中要依據(jù)。杉木的樹(shù)干比較通直，簡(jiǎn)單削度方程能很好的適用于杉木，研究選擇的6種削度方程[24-26](見(jiàn)表2)。根據(jù)徑階分布隨機(jī)選取所有杉木中80%行模型研建，剩余的20%進(jìn)行模型檢驗(yàn)，選出最優(yōu)削度模型。同時(shí)，在優(yōu)選的削度方程基礎(chǔ)上編制了研究區(qū)杉木的出材率表，選用的經(jīng)濟(jì)材種規(guī)格參照中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，共分3個(gè)級(jí)別：大原木指小頭去皮直徑大于26 cm，材長(zhǎng)大于等于2 m，適用特殊用材、膠合板和造船材；中原木指小頭去皮直徑20～26 cm，材長(zhǎng)大于等于2 m，適用一般用材、坑材和樁木；小原木小頭去皮直徑6～20 cm，材長(zhǎng)大于等于2 m，適用民用木材和紙漿材。

表2 削度方程模型備選方程

2.5 模型檢驗(yàn)

模型的優(yōu)選采用決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)，模型的檢驗(yàn)采用誤差平方和(SSE)、總相對(duì)誤差(TRE)和平均系統(tǒng)誤差(MSE)。具體計(jì)算公式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地?cái)?shù)據(jù)的提取

由表3可知，4種經(jīng)營(yíng)類型的立木參數(shù)中，杉木純林的平均胸徑與樹(shù)高值最大，其中杉木-華蓋木混合經(jīng)營(yíng)相較于其它混合經(jīng)營(yíng)類型相比，平均胸徑、平均樹(shù)高、平均材積最大，分別為22.8 cm、18.65 m、0.399 5 m3，與杉木純林較為接近，但杉木-華蓋木的混合經(jīng)營(yíng)能有更大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益；杉木-草珊瑚復(fù)合經(jīng)營(yíng)、杉木-閩楠復(fù)合經(jīng)營(yíng)的杉木平均胸徑、平均樹(shù)高、平均材積較為接近，且均明顯小于純林，表明在林下種植閩楠、草珊瑚的復(fù)合經(jīng)營(yíng)方式對(duì)杉木生長(zhǎng)造成了一定的影響。

表3 基于點(diǎn)云提取的不同經(jīng)營(yíng)類型立木參數(shù)匯總

編表立木胸徑按5 cm徑階(d)分布，共有11 cm

由圖2可知，以實(shí)測(cè)胸徑檢驗(yàn)點(diǎn)云提取的120株杉木的胸徑，兩組數(shù)據(jù)建立的方程截距為1.101 4，斜率為0.992 1，擬合直線的R2達(dá)到0.982 1，表明點(diǎn)云提取直徑有較好的精度。

圖2 點(diǎn)云提取胸徑與人工實(shí)測(cè)胸徑散點(diǎn)圖

由圖3可知，用區(qū)分求積法得到每株立木材積，與廣西省杉木純林一元材積表的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比存在較為明顯的偏差，總相對(duì)誤差為13.29%，平均系統(tǒng)誤差為13.27%。利用現(xiàn)有材積表為本實(shí)驗(yàn)區(qū)計(jì)算材積，整體數(shù)據(jù)偏大，需要制定適合實(shí)驗(yàn)區(qū)立木狀況的一元材積表。

圖3 杉木點(diǎn)云立木材積與一元材積值對(duì)比

3.2 材積模型

由圖4可知，根據(jù)徑階分布隨機(jī)選取80%的活立木點(diǎn)云計(jì)算材積(V)和胸徑(D)，擬合所有備選一元材積方程曲線，方程(4)的擬合效果最好，決定系數(shù)(R2)最大，均方根誤差(RMSE)最小，因此選擇方程y=0.000 2x2.379 1作為杉木一元材積表建表的模型。

圖4 一元材積模型擬合曲線

由表4可知，模型4的估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差(SEE)最小，總相對(duì)誤差(TRE)及平均系統(tǒng)誤差(MSE)均在±5%以內(nèi)，說(shuō)明在不同經(jīng)營(yíng)方式中，模型4的適用性最強(qiáng)且有較好的預(yù)測(cè)精度。

表4 一元材積模型檢驗(yàn)

由表5可知，4種不同經(jīng)營(yíng)類型(杉木-草珊瑚、杉木-華蓋木、杉木-閩楠、杉木純林)的杉木立木數(shù)據(jù)擬合的一元材積模型(y=a0xa1)，杉木-華蓋木其決定系數(shù)(R2)最大(0.979 0)，杉木純林決定系數(shù)最低(0.946 1)。

表5 不同經(jīng)營(yíng)類型杉木一元材積模型擬合結(jié)果

3.3 削度模型

由表6可知，4種經(jīng)營(yíng)類型的削度模型，除模型6擬合的精度效果較差外，剩余5種模型建立的削度方程精度均較高(R2>0.8)，且各經(jīng)營(yíng)類型中建立的削度方程均以模型(2)的擬合效果最好，其決定系數(shù)(R2)最大，均方根誤差最小，標(biāo)準(zhǔn)差最小、總相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差均在都在±5%的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明在不同經(jīng)營(yíng)方式中模型2的適用性最強(qiáng)且有較好的預(yù)測(cè)精度。因此，研究選擇4參數(shù)的模型(2)作為編制材種出材率表的基本模型。

表6 不同復(fù)合經(jīng)營(yíng)削度方程模型參數(shù)、統(tǒng)計(jì)量與檢驗(yàn)

由表7可知，利用建立的削度方程推導(dǎo)得到累積材長(zhǎng)方程，計(jì)算實(shí)際造材中的大、中、小徑材長(zhǎng)度L26、L20、L6，經(jīng)過(guò)積分推導(dǎo)得出大、中、小徑級(jí)材積的相關(guān)公式。

表7 不同大小造材公式

由表8可知，在4種不同經(jīng)營(yíng)類型的杉木中，單位面積材種出材量最大的為小徑材(杉木-純林，143.886m3/hm2，出材率44.46%)，出材量由大到小順序?yàn)樯寄炯兞?、杉?華蓋木、杉木-閩楠、杉木-草珊瑚。中徑材出材量依舊為杉木純林最大(124.344m3/hm2，出材率38.42%)，中徑材出材量由大到小排序?yàn)樯寄炯兞?、杉?華蓋木、杉木-閩楠、杉木-草珊瑚。大徑材出材量為杉木-華蓋木最大(60.666m3/hm2，出材率20.26%)，中徑材出材量由大到小排序?yàn)樯寄?華蓋木、杉木純林、杉木-閩楠、杉木-草珊瑚。用削度方程和各材種出材材長(zhǎng)、材積公式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)區(qū)杉木材種出材率表的編制(見(jiàn)表9)，分徑階記錄了造材后的累計(jì)材長(zhǎng)、材積和出材率。

表8 不同經(jīng)營(yíng)類型各徑級(jí)材種出材率

表9 杉木材積出材率表

續(xù)(表9)

4 結(jié)論與討論

本研究采用多站點(diǎn)的掃描方式，從多個(gè)角度獲取不同復(fù)合經(jīng)營(yíng)類型杉木人工林的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了非破壞式立木點(diǎn)云完整采集，確保了直徑提取精度，為研究區(qū)復(fù)合經(jīng)營(yíng)類型杉木提供了精準(zhǔn)立木結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和不同復(fù)合經(jīng)營(yíng)下杉木生長(zhǎng)情況對(duì)比與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步挖掘點(diǎn)云數(shù)據(jù)多元應(yīng)用，如分布信息[27-28]、強(qiáng)度信息[29]。應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析研究區(qū)杉木材積與其它測(cè)樹(shù)因子的關(guān)系，建立相關(guān)模型，發(fā)現(xiàn)廣西原有通用杉木純林一元材積表不適用于該研究區(qū)，其原因?yàn)閺?fù)合經(jīng)營(yíng)下的杉木人工林需要重新評(píng)估其材積生長(zhǎng)。采用地面激光掃描獲取活立木點(diǎn)云提取干形參數(shù)，建立削度方程，反映了立木直徑隨著樹(shù)高變化的規(guī)律，改變了傳統(tǒng)解析木的破壞性測(cè)量方法[30-31]。沿用已有研究總結(jié)的模型形式d2=f(D,H,h)形式(即將模型左邊統(tǒng)一為d2既保證了方程評(píng)價(jià)的公平性)，體現(xiàn)了削度方程是為了估計(jì)一定高度上直徑的特性，在后期使用削度方程進(jìn)行材積計(jì)算時(shí)更為方便。

為了改變研究區(qū)林場(chǎng)桉樹(shù)“一種獨(dú)大”的局面，以“保生態(tài)、保民生”為主線的國(guó)有林場(chǎng)改革，要實(shí)現(xiàn)森林樹(shù)種組成鄉(xiāng)土化、林分結(jié)構(gòu)多層化、綜合功能最大化，逐步形成混交林和復(fù)層林，實(shí)現(xiàn)林分的提質(zhì)增效[20，32]。有研究表明杉木大徑材培育具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、藥用價(jià)值和生態(tài)價(jià)值[33-34]，除了種質(zhì)控制、立地控制和密度控制，更要注重杉木混交林種植[33，35]，保證地力，改善林分結(jié)構(gòu)。本研究對(duì)照純林經(jīng)營(yíng)分析了3種復(fù)合經(jīng)營(yíng)類型樣地的杉木單位面積材種出材量和材種出材率。杉木純林僅在小、中徑材的出材量占優(yōu)勢(shì)，而大徑材出材量以杉木-華蓋木符合經(jīng)營(yíng)最優(yōu)。結(jié)合林下復(fù)合經(jīng)營(yíng)樹(shù)種，可以進(jìn)一步證明復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式更有利于大徑材的培育。

應(yīng)用地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究區(qū)不同經(jīng)營(yíng)類型的杉木編制了一元材積表，所建材積模型的R2在0.94以上，總相對(duì)誤差和平均系統(tǒng)誤差均在±5%以內(nèi)，無(wú)較為明顯的系統(tǒng)偏差，可用于研究區(qū)杉木立木材積估計(jì)。選定改進(jìn)4參數(shù)的schumacher模型(R2=0.936 8)建立了研究區(qū)杉木削度方程，方程經(jīng)檢驗(yàn)，總相對(duì)誤差和平均系統(tǒng)誤差均在±5%以內(nèi)，能夠用于反映立木直徑隨著樹(shù)高變化的規(guī)律。綜合每個(gè)經(jīng)營(yíng)類型單位面積杉木材種出材量和材種出材率，其中杉木純林的小、中徑材材種單位面積出材量最大，杉木-華蓋木混交經(jīng)營(yíng)的單位面積大徑材出材量最大。