楊雪春，侯紹梅，劉東蘭，鄭小賢

（1.北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100083；2. 北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，北京 100083）

基于GIS的將樂林場森林健康評價

楊雪春1，侯紹梅2，劉東蘭1，鄭小賢1

（1.北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100083；2. 北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，北京 100083）

以福建省將樂林場為研究對象，根據(jù)研究區(qū)森林調(diào)查數(shù)據(jù)，采用層次分析法構(gòu)建基于GIS的森林健康評價指標(biāo)體系。利用GIS的空間分析功能評價森林的健康狀況，并制作森林健康等級圖。結(jié)果表明：將樂林場參與評價的1154個小班大部分處于健康狀態(tài)，占林場總面積的88.761%，各健康等級比重比例依次為：健康(84.803%)、亞健康(10.116%)、優(yōu)質(zhì)(3.958%)和不健康(1.123%)，結(jié)果可為林場森林健康經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

森林健康評價；評價指標(biāo)；GIS；將樂林場

森林健康評價是進(jìn)行森林健康經(jīng)營的重要基礎(chǔ)。目前對森林健康的評價以定性評價為主，與GIS技術(shù)結(jié)合的定量評價研究相對比較少。如何利用GIS技術(shù)建立森林健康評價體系，已成為亟待解決的問題[1-7]。

鑒于GIS具有空間數(shù)據(jù)處理、顯示和分析等功能方面的優(yōu)勢，本文利用ArcGIS、ENVI等軟件研究森林在小班層次上不同主導(dǎo)功能的森林健康狀況，構(gòu)建基于GIS的含有空間屬性信息的森林健康評價指標(biāo)體系，從空間直觀的觀測森林健康狀況的分布，對小班健康狀況進(jìn)行評估，有利于林場進(jìn)行森林健康監(jiān)測和管理，為林場健康狀評價提供依據(jù)，提高林場的森林經(jīng)營水平，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營。

1 研究區(qū)域概況

福建省三明市將樂縣是中國南方重點(diǎn)林業(yè)縣，地 理 坐 標(biāo) 為 117°05′～ 117°40′E， 26°26′～27°04′N，海拔高在 400 ～ 800 m，年平均氣溫18.7℃，年平均降雨量1 700 mm；土壤以紅壤為主，并分布有黃紅壤，適宜培育以杉木、馬尾松等人工林和常綠闊葉樹種。將樂國有林場經(jīng)營總面積7 190 hm2，森林總蓄積量1 143 000 m3，森林覆蓋率達(dá)93.76%，年木材生產(chǎn)量達(dá)15 000 m3。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源包括4個部分：1) 將樂國有林場1∶1萬地形圖，將樂縣1:5萬地形圖；2）研究區(qū)域2007年TM遙感影像數(shù)據(jù)；3）將樂林場2007年二類調(diào)查數(shù)據(jù)；4）固定樣地觀察數(shù)據(jù)等。

圖1 將樂國有林場分布圖Fig.1 Distribution map of Jiangle forest farm

2.2 研究方法

2.2.1 研究方法

以地理信息系統(tǒng)、森林經(jīng)理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)等知識為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)需求和將樂國有林場森林經(jīng)營實(shí)際，構(gòu)建基于GIS的森林健康評價指標(biāo)體系，并基于此指標(biāo)體系進(jìn)行森林健康評價，為林場森林健康經(jīng)營提供方法和技術(shù)支持。其中，健康評價指標(biāo)采用定性與定量結(jié)合方法，健康評價采用歸納法。

2.2.2 GIS技術(shù)的優(yōu)勢

GIS技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了森林健康評價的空間與屬性的關(guān)聯(lián)，GIS把計算機(jī)圖形和屬性數(shù)據(jù)庫融于一體，將林場地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來，并利用其強(qiáng)大的空間查詢與分析功能，通過各種分析計算森林健康得分，并以主觀圖形的方式顯示或輸出。本文在資料收集整理的基礎(chǔ)上，建立評價指標(biāo)體系，將結(jié)果通過屬性連接或?qū)傩跃庉媽?dǎo)入數(shù)據(jù)庫，最后通過計算對將樂林場森林健康狀況進(jìn)行分析。

3 健康評價體系構(gòu)建

3.1 指標(biāo)選取原則

本研究的指標(biāo)體系的構(gòu)建按照以下原則進(jìn)行：

I 系統(tǒng)性。評價指標(biāo)的選取要能夠全面地反映林分各方面特性，充分體現(xiàn)指標(biāo)整體的協(xié)調(diào)性和一體性。

II 代表性。評價指標(biāo)能反映出林分的自然和社會屬性，以及其變化趨勢和其受干擾、破壞的程度。

III 可操作性。評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)要易獲取、可操作性強(qiáng)，容易測算。

IV 適用性。建立森林健康評價指標(biāo)體系應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域?qū)α謽I(yè)的需求不同，有針對性地選取評價指標(biāo)，最大程度上使指標(biāo)能夠更準(zhǔn)確地反映出評價對象的實(shí)際健康水平。

V相對獨(dú)立性。森林健康評價因子眾多，選取指標(biāo)時應(yīng)盡量相對獨(dú)立，以保證評價的合理與真實(shí)。

3.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究從經(jīng)營目標(biāo)和生態(tài)綜合的角度出發(fā)，參考各類森林健康評價文獻(xiàn)[8-14]，認(rèn)為健康的森林既能維持自身穩(wěn)定性，即有較復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的抗干擾能力；且具有較高生物量，即較高的生產(chǎn)力；同時又能持續(xù)滿足人類對森林的生態(tài)/社會/經(jīng)濟(jì)需求、充分發(fā)揮其主導(dǎo)功能的一種狀態(tài)[15-18]。按此思路，將樂林場健康經(jīng)營評價指標(biāo)從生態(tài)性、穩(wěn)定性、生產(chǎn)力三個方面進(jìn)行劃分，共14個指標(biāo)。結(jié)合將樂林場的實(shí)際情況以及二類調(diào)查數(shù)據(jù)、樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，在遵循指標(biāo)選取原則的基礎(chǔ)上，對指標(biāo)進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建了將樂林場健康評價指標(biāo)體系（圖2）。

該指標(biāo)體系中包括了8個屬性指標(biāo)及6個空間指標(biāo)，如表1所示：

表1 指標(biāo)分類Table 1 Classification of the index

3.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

在計算森林健康指數(shù)時，需要對各個指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)不同指標(biāo)值對森林健康的正負(fù)（正相關(guān)指標(biāo)數(shù)值越大對森林健康越有利；負(fù)相關(guān)指標(biāo)數(shù)值越大對森林健康越不利）影響相關(guān)性，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式如下所示：

(1)正相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式：

一件藝術(shù)品的氣質(zhì)，最本質(zhì)真實(shí)的反映了作者對于世界的認(rèn)知態(tài)度和精神情感。中國傳統(tǒng)繪畫的空間觀念、審美，透露著中華民族的美學(xué)思想的精華，它的形成與發(fā)展深受中華文明的文化品格及老莊哲學(xué)的思想為核心的審美精神的浸潤與影響，形成了一種“天人合一”的哲學(xué)思想，他以線條，筆墨的疏密變化，描繪自然生生不息，循環(huán)往復(fù)的韻律感、節(jié)奏感，形成了中華民族特有的審美意境，對中國傳統(tǒng)繪畫產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。

(2)負(fù)相關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式：

式中，Q為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，Q′為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化前的值、Q′max為該要素指標(biāo)在各小班中的最大值，Q′min為該要素指標(biāo)在各小班中的最小值。

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后乘以指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)公式(2)可以得到小班健康值。

圖2 小班尺度森林健康評價指標(biāo)體系Fig.2 Forest assessment index system on plot scale

3.4 指標(biāo)權(quán)重

本研究首先利用層次分析法經(jīng)過多次調(diào)整獲取預(yù)設(shè)指標(biāo)權(quán)重，然后利用改進(jìn)的熵權(quán)法[19]獲取修正指標(biāo)權(quán)重，最后進(jìn)行加權(quán)得到綜合權(quán)重。

3.4.1 生態(tài)性各指標(biāo)權(quán)重

利用層次分析法獲得的生態(tài)性各指標(biāo)權(quán)重如表2所示。

表2 生態(tài)性指標(biāo)權(quán)重表Table 2 The index weight table of ecological performance

3.4.2 穩(wěn)定性各指標(biāo)權(quán)重

利用層次分析法獲得的穩(wěn)定性各指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 穩(wěn)定性指標(biāo)權(quán)重表Table 3 The index weight table of stability

3.4.3 生產(chǎn)力各指標(biāo)權(quán)重

表4 生產(chǎn)力指標(biāo)權(quán)重表Table 4 The index weight table of productivity

3.4.4 綜合權(quán)重

利用改進(jìn)的熵權(quán)法獲得的修正指標(biāo)權(quán)重以及最后進(jìn)行加權(quán)得到綜合權(quán)重如表5所示。

4 健康評價

4.1 評價模型

4.1.1 準(zhǔn)則層評價模型

本研究從生態(tài)性（Ecological Performance，E）、穩(wěn)定性（Stability，S）、生產(chǎn)力（Productivity，P）三方面構(gòu)建森林健康評價指標(biāo)體系，以森林健康指數(shù)FHI（Forest Health Index）來指示森林健康狀況。其評價模型為：

式中，F(xiàn)HI為森林健康指數(shù)，E代表生態(tài)性能，w1為其權(quán)重；S代表穩(wěn)定性，w2為其權(quán)重；P代表生產(chǎn)力，w3為其權(quán)重，且滿足w1+w2+w3=1。

4.1.2 指標(biāo)層評價模型

森林健康指數(shù)（FHI）模型為：

式中，F(xiàn)HI為i小班的森林健康指數(shù)，Qij為該小班第j個指標(biāo)的得分(標(biāo)準(zhǔn)化后的值)，cj為第j個指標(biāo)的權(quán)重，n為評價指標(biāo)的個數(shù)。

表5 指標(biāo)綜合權(quán)重表Table 5 The index weight table

4.2 健康等級劃分

對將樂林場小班健康FHI值進(jìn)行頻度分析，在SPSS軟件中采用K-S法對其頻度分析結(jié)果進(jìn)行正態(tài)檢驗，結(jié)果表明，雙側(cè)近似概率0.3左右，大于0.05，則其頻度分析在值域為［0～1］上，符合正態(tài)分布，小班健康值頻數(shù)直方圖如圖3。對健康值計算結(jié)果在［0～1］區(qū)間內(nèi)劃分為四級：優(yōu)質(zhì)（0.6～1）、健康（0.4～0.59）、亞健康（0.3～0.39）、不健康（0～0.29）。

4.3 健康評價結(jié)果

圖3 小班健康值頻數(shù)直方圖Fig.3 The frequency histogram of subcompartments’health value

將樂林場進(jìn)行健康評價的小班共1 291個，其中不健康的小班5個，面積86.3 hm2，占總面積的1.123%；亞健康小班129個，面積777.606 hm2，占總面積10.116%；健康小班1 100個，面積6 519.017 hm2，占總面積84.803%；優(yōu)質(zhì)小班57個，面積304.240 hm2，占總面積3.958%。

表6 健康評價匯總表Table 6 The summary table of health assessment

由表3可知，處于優(yōu)質(zhì)和健康狀態(tài)的小班面積比重為88.761%；而處于亞健康與不健康狀態(tài)的比重為11.239%，這部分小班需要及時采取調(diào)整措施，以提高林分的健康水平。

依據(jù)健康等級值的不同進(jìn)行分類賦顏色，得到將樂林場森林健康等級圖（如圖4所示）。

圖4 將樂林場森林健康等級圖Fig.4 Subcompartments’ health grading map in Jiangle forest farm

5 小 結(jié)

(1)森林健康評價指標(biāo)體系的建立是比較復(fù)雜采用定性與定量、空間與非空間相結(jié)合的方法確定評價指標(biāo)體系，并采用層次分析法賦予指標(biāo)權(quán)重，能夠保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。

(2)森林健康評價指標(biāo)體系包括3大類14個指標(biāo)。生態(tài)性指標(biāo)包括坡度、土壤厚度、樹木活力、樹種組成指數(shù)；穩(wěn)定性指標(biāo)包括起源、群落結(jié)構(gòu)、郁閉度、優(yōu)勢樹種、海拔、坡向、與防火道距離；生產(chǎn)力指標(biāo)包括平均蓄積、平均胸徑、可及度。

(3)將樂林場參與評價的1 291個小班大部分處于健康狀態(tài) ，占林場總面積的88.761%，健康比重所占比例依次為：健康(84.803%)＞亞健康(10.116%)＞優(yōu)質(zhì)(3.958%)＞不健康(1.123%)。盡管林場森林整體處于健康狀態(tài)，但亞健康狀態(tài)的森林比例仍然很大，這就需要林場采取切實(shí)可行的森林經(jīng)營管理措施，提高經(jīng)營管理水平，進(jìn)一步提高森林健康水平。

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GIS based forest-health evaluation for Jiangle forest farm

YANG Xue-chun1, HOU Shao-mei2, LIU Dong-lan1, ZHENG Xiao-xian1
(1. The Key Laboratory of State Forestry Administration for Forest Resources and Environmental Management, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. Peace Map Co.,Ltd., Beijing 100083, China)

Using JiangLe Forest Farm in Fujian Province as the research object，according to the study area forest inventory data, to build the forest-health evaluation system the using of forest health AHP based on GIS. Using spatial analysis function of GIS to evaluate the forest health level of production fi gure of timber production and to make the health levels map of Jiangle forest farm. The results show that:most of 1291classes of Jiangle Forest Farm is at healthy levels,with a percent of 88.761.And 84.803%of the total assessment areas were healthy,10.116%of the total assessment areas were sub-healthy,3.958%of the total assessment areas were at high quality,and 1.123%of the total assessment areas were unhealthy.

forest-health; evaluation; evaluation indicator; GIS; Jiangle Forest Farm

S718.55+7

A

1673-923X(2016)04-0051-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.010

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-11-11

“十二五”國家科技支撐計劃“南方集體林區(qū)生態(tài)公益林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究與示范” （2012BAD22B05）

楊雪春，碩士

劉東蘭，副教授；E-mail：dong8666@bjfu.edu.cn

楊雪春，侯紹梅，劉東蘭，等. 基于GIS的將樂林場森林健康評價[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(4): 51-55.

[本文編校：吳 彬]