林秀云 孫圓 劉晨曦 姚睿涵 周春國 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)是中國南方重要的用材樹種和造林樹種，具有生長迅速、木材結(jié)構(gòu)細(xì)、紋理通直、耐腐能力強、成林迅速的特點[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、連栽及全樹利用等經(jīng)營方式導(dǎo)致一系列生態(tài)問題[2-3]。采用適合的結(jié)構(gòu)化經(jīng)營方式對提高林分結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，實現(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，營林科技工作者基于藥用植物、速生樹種生長特點及草珊瑚、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的藥用植物重新種到自然環(huán)境下進行野生化栽培及對生長周期較長的珍貴樹種在杉木等速生樹種樹冠等弱光環(huán)境下造林，以期達到“以短養(yǎng)長”的目的[7，12]。

廣西高峰林場是全國綜合實力最強的國有林場之一，通過對高峰林場近29 a的森林資源結(jié)構(gòu)動態(tài)變化分析，高峰林場應(yīng)提高混交林比例，特別是鄉(xiāng)土珍貴樹種的種植，增加森林后備資源和木材儲備，并在多樹種分析中得到杉木為單產(chǎn)最高樹種的結(jié)論[13]。因此，本研究選擇了高峰林場4種常見復(fù)合經(jīng)營方式的杉木人工林為對象，進行蓄積與材種計算，建立專用的區(qū)域樹種材積表和造材表，以期滿足當(dāng)前森林資源監(jiān)測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)營采伐的限制，而地面激光掃描能夠?qū)崿F(xiàn)立木的“實景復(fù)制”[14]，通過點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)立木胸徑、樹高、上部直徑和材積等測樹因子的無損測量，具有實時、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云數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)不同經(jīng)營類型的杉木上部直徑、樹高、材積等測樹因子，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)位于廣西國有高峰林場(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，年相對濕度大于80%，熱量充足，雨水充沛，林木生長迅速。森林覆蓋率87%以上，人工林約為95%，其中速生桉樹為主的純林占比為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)營林、杉木與草珊瑚(Sarcandraglabra(Thunb.) Nakai)復(fù)合經(jīng)營林、杉木與華蓋木(Pachylarnaxsinica(Law))復(fù)合經(jīng)營林(見圖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)營林、杉木與草珊瑚復(fù)合經(jīng)營林、杉木與華蓋木復(fù)合經(jīng)營林，設(shè)立了8塊標(biāo)準(zhǔn)地(25 m×25 m,見圖1)，每個經(jīng)營類型各2塊，均為同齡純林。研究采用多站點掃描，于2018年1月使用Riegl Vz-400i采集，其掃描速率為500 000點/s。各站點云數(shù)據(jù)拼接集成被測樣地的三維信息，依靠儀器的自動拼接功能，拼接精度為0.003 2 m(研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地點云示例如圖1)。拼接完成后對點云數(shù)據(jù)進行去躁和歸一化，采用LiDAR 360軟件提取樣地數(shù)字高程模型(DEM)，再根據(jù)DEM賦予點云數(shù)據(jù)高程，進行上部直徑與特征參數(shù)的提取。研究采用迭代K均值聚類進行單木定位和分割[22]，為得到完整的立木點云，設(shè)置的初始切割閾值較大，所在初步分割后還進行了手動的非立木點云去除，最終得到完整的立木點云[18]。

圖1 研究區(qū)概況

2.2 立木參數(shù)提取

樹高提取利用FUSION/LDV[23]軟件提取立木Z軸方向點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]；材積計算采用中央斷面積區(qū)分求積法，根據(jù)從點云提取的不同高度直徑，選擇2 m為一個區(qū)分段，其余不足2 m區(qū)分段的作為梢頭，立木材積計算公式如下：

(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)分段長度;l′為梢頭長度;n為區(qū)分段個數(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，在材積估測中有廣泛的適用性。研究選擇了5種常見的一元材積方程在SPSS軟件中進行擬合(見表1)。以5 cm為徑階，從每個徑階中隨機選取80%杉木作為建模數(shù)據(jù)，剩余的20%作為檢驗數(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 造材計算與削度模型的選擇

削度方程可以描述樹干的形狀變化，是造材計算的中要依據(jù)。杉木的樹干比較通直，簡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](見表2)。根據(jù)徑階分布隨機選取所有杉木中80%行模型研建，剩余的20%進行模型檢驗，選出最優(yōu)削度模型。同時，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)濟材種規(guī)格參照中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)，共分3個級別：大原木指小頭去皮直徑大于26 cm，材長大于等于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

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

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地數(shù)據(jù)的提取

由表3可知，4種經(jīng)營類型的立木參數(shù)中，杉木純林的平均胸徑與樹高值最大，其中杉木-華蓋木混合經(jīng)營相較于其它混合經(jīng)營類型相比，平均胸徑、平均樹高、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)營能有更大的生態(tài)和經(jīng)濟效益；杉木-草珊瑚復(fù)合經(jīng)營、杉木-閩楠復(fù)合經(jīng)營的杉木平均胸徑、平均樹高、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)營方式對杉木生長造成了一定的影響。

表3 基于點云提取的不同經(jīng)營類型立木參數(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，以實測胸徑檢驗點云提取的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達到0.982 1，表明點云提取直徑有較好的精度。

圖2 點云提取胸徑與人工實測胸徑散點圖

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)值進行對比存在較為明顯的偏差，總相對誤差為13.29%，平均系統(tǒng)誤差為13.27%。利用現(xiàn)有材積表為本實驗區(qū)計算材積，整體數(shù)據(jù)偏大，需要制定適合實驗區(qū)立木狀況的一元材積表。

圖3 杉木點云立木材積與一元材積值對比

3.2 材積模型

由圖4可知，根據(jù)徑階分布隨機選取80%的活立木點云計算材積(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的估計值的標(biāo)準(zhǔn)差(SEE)最小，總相對誤差(TRE)及平均系統(tǒng)誤差(MSE)均在±5%以內(nèi)，說明在不同經(jīng)營方式中，模型4的適用性最強且有較好的預(yù)測精度。

表4 一元材積模型檢驗

由表5可知，4種不同經(jīng)營類型(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、總相對誤差和平均相對誤差均在都在±5%的誤差范圍內(nèi)，說明在不同經(jīng)營方式中模型2的適用性最強且有較好的預(yù)測精度。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)營削度方程模型參數(shù)、統(tǒng)計量與檢驗

由表7可知，利用建立的削度方程推導(dǎo)得到累積材長方程，計算實際造材中的大、中、小徑材長度L26、L20、L6，經(jīng)過積分推導(dǎo)得出大、中、小徑級材積的相關(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為杉木純林、杉木-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為杉木純林、杉木-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為杉木-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、材積公式進行實驗區(qū)杉木材種出材率表的編制(見表9)，分徑階記錄了造材后的累計材長、材積和出材率。

表8 不同經(jīng)營類型各徑級材種出材率

表9 杉木材積出材率表

續(xù)(表9)

4 結(jié)論與討論

本研究采用多站點的掃描方式，從多個角度獲取不同復(fù)合經(jīng)營類型杉木人工林的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了非破壞式立木點云完整采集，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)營下杉木生長情況對比與精準(zhǔn)監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，進一步挖掘點云數(shù)據(jù)多元應(yīng)用，如分布信息[27-28]、強度信息[29]。應(yīng)用點云數(shù)據(jù)分析研究區(qū)杉木材積與其它測樹因子的關(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)，其原因為復(fù)合經(jīng)營下的杉木人工林需要重新評估其材積生長。采用地面激光掃描獲取活立木點云提取干形參數(shù)，建立削度方程，反映了立木直徑隨著樹高變化的規(guī)律，改變了傳統(tǒng)解析木的破壞性測量方法[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既保證了方程評價的公平性)，體現(xiàn)了削度方程是為了估計一定高度上直徑的特性，在后期使用削度方程進行材積計算時更為方便。

為了改變研究區(qū)林場桉樹“一種獨大”的局面，以“保生態(tài)、保民生”為主線的國有林場改革，要實現(xiàn)森林樹種組成鄉(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)濟價值、藥用價值和生態(tài)價值[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)。本研究對照純林經(jīng)營分析了3種復(fù)合經(jīng)營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，而大徑材出材量以杉木-華蓋木符合經(jīng)營最優(yōu)。結(jié)合林下復(fù)合經(jīng)營樹種，可以進一步證明復(fù)合經(jīng)營模式更有利于大徑材的培育。

應(yīng)用地面激光點云數(shù)據(jù)為研究區(qū)不同經(jīng)營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，總相對誤差和平均系統(tǒng)誤差均在±5%以內(nèi)，無較為明顯的系統(tǒng)偏差，可用于研究區(qū)杉木立木材積估計。選定改進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，總相對誤差和平均系統(tǒng)誤差均在±5%以內(nèi)，能夠用于反映立木直徑隨著樹高變化的規(guī)律。綜合每個經(jīng)營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)營的單位面積大徑材出材量最大。