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1、2011 年 8 月第 4 期林业资源管理FOREST RESOURCES MANAGEMENTAugust 2011No?4基于 ArcGIS 和二类调查数据的森林资源动态分析系统张会儒1,何?鹏1,靳爱仙2(1?中国林业科学研究院 资源信息研究所,北京 100091;2?国家林业局调查规划设计院,北京 100714)摘要:以北京市延庆县为例,基于 1999 年和 2004 年森林资源规划设计调查(二类调查)数据以及 ArcGIS Engine开发平台,研建了具有林业行业特色的森林资源动态分析系统软件。系统除具有一般通用的操作和查询统计功能外,还实现了森林资源统计分析、森林景观格局指数计算分
2、析、森林生态效益计算分析等功能,系统操作简便、高效,为森林资源动态变化的统计分析提供了实用的手段和工具,为今后研建森林资源综合分析评价系统奠定了基础。关键词:森林资源;景观格局;生态效益;统计分析;ArcGIS;二类调查数据;延庆县中图分类号:S757;TP39?文献标识码:A?文章编号:1002-6622(2011)04-0102-07Analysis System of Forest Resource DynamicsBased on ArcGIS and Forest Management Survey DataZHANG Huiru1,HE Peng1,JIN Aixian2(1?In
3、stitute of Forest Resource Information Techniques,China Academy of Forestry,Beijing 100091;2?Academy of Forest Inventory and Plan?ning,State Forestry Administration,Beijing 100714,China)Abstract:This study takes Beijing Yanqing county as an example?The analysis system of forest resourcedynamics with
4、 forestry characteristics was built based on the 1999 and 2004 forest management survey(class 2 survey)data and ArcGIS Engine development platform?The system not only has functions of ge?neric operation,inquiry and statistics,but also the functions of forest resources statistics analysis,forestlands
5、cape pattern index calculation and analysis,forest ecological benefit calculation and analysis?Thesystem is easy to operate and has high efficiency?So it provides practical means and tools for statistical a?nalysis of of forest resources dynamic change,and also a foundation for future researchon on
6、building for?est resources comprehensive evaluation system?Key words:forest resource,landscape pattern,ecological benefit statistics and analysis,ArcGIS,forestmanagement inventory data,Yanqing County收稿日期:2011-06-03;修回日期:2011-06-23基金项目:林业公益性行业专项(200804009);国家?十一五?科技支撑计划专题(2006BAD23B0202)作者简介:张会儒(1964
7、-),男,甘肃合水人,研究员,主要从事森林资源管理与决策、森林可持续经营研究。Email:huiru caf.ac?cn?第 4 期张会儒等:基于 ArcGIS 和二类调查数据的森林资源动态分析系统?分析森林资源的动态变化是森林资源评价和制定林业发展方针的前提和基础。近年来,随着计算机和信息技术的飞速发展,给森林资源的动态变化分析提供了新的技术手段。利用计算机和地理信息系统建立森林资源的动态变化分析系统,实现森林资源动态变化分析的自动化和高效率,成为当前新的发展趋势。虽然我国以往在森林资源管理系统中也有一些森林资源统计分析的功能,但仅限于静态的,缺少动态变化的分析,且从分析的内容上来看,仅限于
8、森林资源的数量和质量的分析,未包括景观格局和生态效益的分析。本文以北京市延庆县为例,基于 ArcGIS 和二类调查数据,研究开发了森林资源动态分析系统。系统除具有一般通用的操作和查询统计功能外,主要实现了森林资源动态变化、森林景观格局变化、森林生态效益变化的统计计算和分析,为森林资源动态变化分析提供了实用的手段和工具。1?研究区域概况及数据来源研究区域延庆县位于北京市西北部,县城距北京市城区约 745km,为北京市辖远郊县。地理坐标介于东经115?44?116?34?,北纬40?10?40?47?之间。县域呈东北向西南延伸的长方形,境内地势东北高,西南低,东、南、北三面环山,西面为官厅水库,在
9、县域 西南 部形成 山间 盆地。土 地总面 积为1 993?755km2,现辖 15 个乡镇。根据北京市公布的?十五?森林资源二类调查结果,延庆县林地面积为151 228?5hm2,占土地面积的 75?9%;林 木绿化 率达 67%,森 林覆 盖率达56?3%,活立木蓄积量达180?9 万 m3。县内森林资源丰富,类型多样,原始植被类型为暖温带落叶阔叶林和温带针叶林,常见的森林类型主要有油松林(Pinus tabulaeformis),蒙古栎林(Quercus mongoli?cus),山杨林(Populus davidiana),阔(落)叶混交林等。此外,白桦(Betula platyphy
10、lla)、山杏(Prunusarmeniaca)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、臭椿(Ai?lanthus altissima)、毛白杨(Populus tomentosa)、旱柳(Salix matsudana)、榆树(Ulmus pumila)、桑树(Mo?rus alba)等华北常见树种也有广泛分布。延庆县人工栽植的树种主要有油松、侧柏(Platycladus orien?talis)、落叶松(Larix principis?rupprechtii)、刺槐(Rob?inia pseudoacacia)、国槐(Sophora japonica)、黄栌(Cotinus c
11、oggygria)、火炬树(Rhus typhina)、元宝枫(Acer truncatum)等。本文的基础数据来源于北京市延庆县 1999 年和 2004 年两期森林资源二类调查结果,以 ArcGIS的 shapefile 矢量形式储存,包含空间数据和属性数据。空间数据的基本元素为多边形,采用北京 54坐标系,高斯-克吕格投影。属性数据严格按照 国家森林资源规划设计调查技术规程 中命名的要求,包括小班号、面积、地类、优势树种组、起源、树种组成、坡度、坡向、海拔等若干数据项。2?系统目标与需求本研究开发的森林资源动态分析系统(AnalysisSystem of Forest Resource
12、Dynamic)所面向的用户主要是从事森林资源管理的研究者或管理人员。基于对业务的需求,结合林业行业的特点和森林资源数据状况,以地理信息系统(GIS)作为系统开发的基本平台,实现森林资源统计分析、森林景观格局指数计算分析、森林生态效益计算分析等功能。具体来讲,主要目标是实现以下几个方面的功能:1)森林资源数据的导入、导出、预览等基本功能,并希望支持多种格式的数据;2)森林资源数据的基础统计分析,包括图像要素的选择、小班数据的查询、数据统计、数据汇总等功能;3)森林资源数据的高级统计分析,希望实现时间的动态变化分析,内容包括地类分析、林种分析、林木起源分析、林分因子分析等方面;4)森林资源数据的
13、生态效益计算和分析,包括森林涵养水源、保育土壤、固碳、空气净化等生态效益的实物量计量和分析;5)对区域的森林资源格局实现景观生态学的分析,包括景观要素组成结构、斑块特征、景观异质性、空间分布格局等指数的计算和分析;6)森林资源的空间动态分析,即专题图的制作生成。103林业资源管理第 4 期?为了实现上述目标,我们以 ArcGIS 作为系统开发的基本平台 1,将相关基础功能进行整合,开发形成一个具有林业行业分析意义的应用软件,满足森林资源动态变化分析的工作需求。3?系统主要功能模块设计根据森林资源动态统计分析系统的设计目标和相关原则,在充分利用现有计算机软硬件资源的条件下,深入挖掘原始数据的利用
14、价值,力求完成全面、深入、可靠的统计和分析功能。图 1 为本系统功能架构。4?系统主要分析模块的实现方法与原理4?1?森林资源统计分析森林资源的动态变化包括时间上和空间上2 个方面 2-4,本研究利用 ArcGIS 具有的强大的归纳统计和空间叠加分析功能,进行研究区域森林资源动态变化的时空分析,包括面积的变化、蓄积的变化、林分因子的变化、优势树种的变化和龄组的变化以及其空间分布等,分析结果以图表的形式显示。104?第 4 期张会儒等:基于 ArcGIS 和二类调查数据的森林资源动态分析系统4?2?森林景观格局分析选择土地利用类型和优势树种组两个因子进行景观划分,形成两级景观类型的体系(表 1)
15、。在此基础上,采用了常见的 10 个景观指数(表 2)对研究区域两年的景观格局进行 4 方面的动态分析,包括景观要素组成结构、斑块特征、景观异质性、空间分布格局等方面 5。表 1?景观要素划分因子及分级列表分类因子分级范围I级:土地利用类型有林地、疏林地、灌木林地、未成林地、苗圃地、无立木林地、宜林地、辅助生产林地、非林地II 级:优势树种组侧柏、落叶松、油松、栎类、桦木、山杨、刺槐、杨树、山杏、阔叶树、经济林表 2?系统中应用的10 个景观指数景观格局景观指数计算公式要素组成斑块个数 NPNPi=ni面积 CACAi=ai=?nj=1aij优势度 DDi=?nj=1aij/A+?nj=1ni
16、j/N?100/2斑块特征(大小、形状)面积加权的平均形状指数 AWMSIAWMSIi=?nj=10?282pij/aijaij/?nj=1aij面积加权的平均分形指数 AWMPFDAWMPFDi=?nj=12ln0.25pij/lnaijaij/?nj=1aij异质性斑块密度 PDPDi=ni/A边缘密度 EDEDi=1A?nj=1pij空间分布平均最近距离 MNNMNNi=?nj=1hij/ni散布与并列指数 IJIIJI=-?m?i=1?m?k=i+1(eik/E)ln(eik/E)?100/ln0.5m(m-1)蔓延度指数 CONTAGCONTAG=?mi=1?nj=1pi-gij/?
17、nj=1gijlnPi-gij/?nj=1gij/2lnm+1?100?注:i 表示景观要素的种类,取值为1,2,?,m;j 表示某类景观要素的斑块序号,取值为 1,2,?,n;aij表示第 i 种景观要素中第 j 个斑块的面积;pij表示第 i 种景观要素第 j 个斑块的周长;hij表示斑块 ij 到与之最近的同类型斑块的距离;ni表示第 i 种景观要素斑块数目;ai表示第 i 种景观要素的总面积;pi表示第 i 种景观要素的总周长,A 表示景观总体面积;m为景观要素的种类数;eik为与斑块类型 i 相邻的 k 斑块类型的邻接边长;E 为斑块类型 i 的总边长;gij为与斑块类型 i 相邻的
18、 j 斑块类型所占的格网单元数目。4?3?森林生态效益分析综合前人相关研究,使用蓄积、面积、土地利用类型、优势树种等因子进行模型演算,计算出该地区森林涵养水源、保育土壤、固碳、空气净化等 4 个方面的生态效益实物量,并进行时空动态分析 6。4?3?1?水源涵养效益实物量计算森林涵养水源功能主要表现为森林拦蓄降水、涵蓄土壤水分、补充地下水、调节河川径流以及净化水质。森林涵养水源量即森林增加有效水量的计算方法主要有区域水量平衡法、降水再分配法、土壤蓄水估算法和区域年径流量法。本研究采用研究区域中无林地的地表径流与林地的地表径流的差值法,得到该林地持有水分的量,即林地的水源涵养能力,也称之为减少地表
19、径流量。冯秀兰等在北京市北部山区通过人工模拟降雨实验和实测降雨等手段,测算出该区域 8 种不同类型林地的地表径流量 7,本文利用此结果(表 3)来折算出延庆县森林的水源涵养能力。减少地表径流量的数学计算模型为:?W=W0-W=?ni=1(w0si-wisi)=?ni=1?wisi105林业资源管理第 4 期?式中:W 为林地地表径流量(m3/hm2),W0为无林荒地地表径流量(m3/hm2),wi为第 i 种类型林地单位面积地表径流量(m3/hm2),w0为单位面积无林荒地地表径流量(m3/hm2),?wi为第 i 种类型林地单位面积减少地表径流量(m3/hm2),si为第 i 种类型林地的面
20、积(hm2),n 为林地类型总数。表 3?不同类型林地的地表径流量和减少量类型单位面积地表径流量 w/(m3/hm2)单位面积减少地表径流量?w/(m3/hm2)涵盖的地类?优势树种(组)侧柏林604?20462?20针叶林地?侧柏落叶松林236?78829?42针叶林地?落叶松油松林824?64241?56针叶林地?油松刺槐林816?48249?72阔叶林地?刺槐栎类林718?50347?70阔叶林地?栎类山杨林481?72584?48阔叶林地?山杨桦木林106?14960?06阔叶林地?桦木其他类型林地541?21524?99阔叶林地?山杏、杨树、阔叶树;混交林灌木林370?56灌木林地无
21、林荒地 w01066?200?注:实验的环境是50 年一遇暴雨的情况下,不同类型的林地水源涵养的效果监测。4?3?2?土壤保育效益实物量计算森林保育土壤的功能主要表现为减少土地资源损失,减少泥沙滞留和淤积,保护土壤肥力,减少风沙灾害,减少土体崩塌泻溜等。本研究采用无林地和有林地土壤侵蚀差值的计算方法 8,即森林的保土量(减少土壤侵蚀量)等于无林地的土壤侵蚀量与有林地的土壤侵蚀量之差。减少土壤侵蚀量的数学计算模型为:?E=E0-E=?ni=1(e0si-eisi)=?ni=1?eisi式中:E 为有林地土壤侵蚀量(t/a),E0为无林荒地土壤侵蚀量(t/a),ei为第i 种类型林地侵蚀模数(t/
22、hm2?a),e0为无林荒地侵蚀模数(t/hm2?a),?ei为第 i 种类型林地土壤侵蚀模数(t/hm2?a),si为第 i种类型林地的面积(hm2),n 为林地类型总数。根据中国土壤侵蚀的研究成果 8-10,无林地土壤中等程度的侵蚀深度为 15 35mm/a,侵蚀模数为150 350m3/(hm2?a)。本文采用侵蚀模数的平均值250m3/(hm2?a)(即 319?8t/(hm2?a)来估算延庆县无林地的土壤侵蚀量。此外,我国有林地的土壤侵蚀模数分别为:阔叶林 0?50 t/(hm2?a),针叶林7?80 t/(hm2?a),混交林4?15 t/(hm2?a),灌木林为0?52 t/(h
23、m2?a)。4?3?3?固碳实物量计算森林固碳效益可以用两种方式来体现,一是年积累量,二是现存储量。碳蓄积量的估测主要研究方法有测树学方法、气体交换方法和模型估算方法等,其过程分别是通过计算林木蓄积、植物生理方程演算和生态系统建模等手段计算出森林的固碳量。本研究主要是利用生物量与林木含碳量成正比的原理,将表述固碳能力的指标转化成生物量指标,来进行分析比较。生物量是利用方精云等人的研究结果(表4),通过不同类型林分蓄积?生物量(V-B)方程或面积?生物量(S-B)方程来分别计算统计 11,以折算出的生物量作为评价森林固碳效益的一个重要指标。4?3?4?净化空气效益实物量计算森林对环境的净化服务就
24、是通过生态系统的物理、化学和生物作用,将人类向环境排放的废弃物利用或作用后,使之得到降解和净化,从而成为生态系统的一部分。由于森林生态系统对空气的净化是多方面的,能够吸收净化的有害气体多达几十种,结合北京市的实际空气状况,本研究在净化空气效益实物量计算中,主要选用了吸收二氧化硫和阻滞粉尘两方面的数据。施晓清等人曾针对不同的林地类型106?第 4 期张会儒等:基于 ArcGIS 和二类调查数据的森林资源动态分析系统对森林净化空气的效益进行了定量的测定 12,本研究结合其研究结论,分别就延庆县的阔叶林、针叶林和混交林3 种地类进行换算统计,演算出延庆县森林资源在净化空气方面的效益。表 4?森林植被
25、蓄积?生物量方程森林植被蓄积?生物量(V-B)或面积?生物量(S-B)方程涵盖的地类?优势树种(组)柏木?B=0?6129V+26?1451针叶林地?侧柏落叶松 B=0?9670V+5?7598针叶林地?落叶松油松?B=0?6129V+26?1451针叶林地?油松杨树?B=0?4754V+30?6034阔叶林地?山杨、杨树桦树?B=0?9644V+0?8485阔叶林地?桦树栎类?B=1?3288V-3?8999阔叶林地?栎类杂木?B=0?7564V+8?3103阔叶林地?刺槐、山杏、阔叶树混交林 B=0?8019V+12?2799混交林地经济林 B=23?7S阔叶林地?经济林疏林、灌木林B=1
26、3?14S疏林地、灌木林地5?系统主要分析模块功能介绍5?1?森林资源统计分析?模块本模块主要实现小班属性因子的变化统计,包括地类变化统计、蓄积量变化统计、起源变化统计、林种变化统计、林分因子变化统计、优势树种变化统计等。?地类变化统计?可实现各种林地类型面积的动态变化统计;?蓄积量变化统计?可实现不同时段林地蓄积的动态变化统计;?起源变化统计?可实现林地各类起源的面积和蓄积动态变化统计。?林种变化统计?可实现各个林种的面积和蓄积动态变化统计;?林分因子变化统计?可实现各个林分因子的最大值、最小值、平均值、标准差等项目的变化统计。?优势树种变化统计?的功能与?属性表分类汇总?类似。图2、图 3
27、 为?蓄积量变化统计?和?林分因子变化统计?功能操作界面。5?2?森林景观格局分析?模块本模块主要是用来完成森林资源景观格局分析的相关功能,实现景观要素级别和整体景观级别的景观生态学指数的计算。同时,为了解决景观格局地图不规范的问题,本模块专门设计了数据预处理的一些功能,能够进行斑块的合并、两期地图的叠加、面积和周长字段的建立或更新等等。图 4、图 5 为景观要素级别格局、整体景观级别格局分析的操作界面。107林业资源管理第 4 期?图 5?整体景观级别格局分析界面5?3?森林生态效益分析?模块本模块主要可以完成各个小班的生物量、减少土壤侵蚀量、减少地表径流量、二氧化硫吸收量和粉尘阻滞量等 5
28、 个指标的计算,形成涵盖水源涵养、土壤保育、固碳效益、净化空气等4 方面的生态效益分析。操作界面如图6 所示。图 6?生态效益分析界面6?结语本研究以北京市延庆县为例,基于二类调查数据和 ArcGIS Engine 的?NET 环境,研建了具有林业行业特色的森林资源动态分析系统软件,实现了森林资源统计分析、森林景观格局指数计算分析、森林生态效益分析等功能,系统操作简便、高效,为我国其他地方研建森林资源动态分析系统提供了范例。?由于目前森林资源动态分析方法不尽统一,特别是在森林景观格局分析和生态效益计量方面缺乏统一的方法和标准,本系统在统计计算方面只是吸收了现有的标准和方法,还需要根据新的研究成
29、果不断地改进。另外,从本质上看,森林资源动态分析的目的是为了进行森林资源的综合评价,最终为决策者制定林业发展方针提供科学的参考依据,因此,森林资源动态分析系统应该是森林资源综合分析评价系统的子系统。研究森林资源综合分析评价的指标、模型、方法,在本系统的基础上增加综合评价功能,建立森林资源综合分析评价系统是本研究今后的努力方向。参考文献:1邱洪钢.ArcGISEngine 开发从入门到精通 M.北京:人民邮电出版社,2010.2赵鹏祥,强建华,张会儒.基于 RS 的黄土高原天然林资源时空动态变化分析 J.林业科学研究,2007,20(3):307-311.3张会儒,赵鹏祥.基于 GIS 和二类调
30、查数据的森林资源时空动态分析与评价 J.东北林业大学学报,2008,36(7):14-15,19.4张会儒,何鹏,李春明.延庆县森林资源时空动态分析与评价 J.森林工程,2010,26(6):4-8.5张会儒,何鹏,郎璞玫.基于二类调查数据的延庆县森林景观格局分析 J.西部林业科学,2010,39(4):1-7.6何鹏,张会儒,徐海生.基于二类调查数据的延庆县森林资源生态效益分析 J.林业资源管理,2010(5):48-54.7冯秀兰,张洪江,王礼先.密云水库上游水源保护林水土保持效益的定量研究 J.北京林业大学学报,1998,20(6):71-77.8欧阳志云,王效科,苗鸿.中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值的初步研究 J.生态学报,1999,19(5):607-613.9刘琳,林逢春.安徽森林生态系统服务功能经济价值评估 J.科技资讯,2006(33):86-87.10彭建,王仰麟,陈燕飞,等.城市生态系统服务功能价值评估初探?以深圳市为例 J.北京大学学报:自然科学版,2005,41(4):96-106.11方精云,刘国华,徐嵩龄.我国森林植被的生物量和净生产量 J.生态学报,1996,16(5):497-508.12施晓清,赵景柱,吴钢,等.生态系统的净化服务及其价值研究 J.应用生态学报,2001,12(6):908-912.108