專利名稱：判斷林木水平分布格局的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種判斷林木水平分布格局的方法。
背景技術(shù)：
林木水平分布格局是指林木個體在水平空間的配置或分布狀況。分布格局既是種群的 基本數(shù)量特征之一，也是種群所處空間結(jié)構(gòu)的基本特征之一。
森林群落中的各喬木種群是群落和生態(tài)系統(tǒng)的基本組成成分，以其特有的生態(tài)學和形 態(tài)學屬性與環(huán)境因子相互作用，成為森林生態(tài)系統(tǒng)中基本結(jié)構(gòu)與功能單元和聯(lián)結(jié)群落與個 體的紐帶。
而林木分布格局是種群生物學特性、種內(nèi)與種間關(guān)系以及環(huán)境條件的綜合作用的結(jié) 果，對未來森林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性、林木的生長和發(fā)育等產(chǎn)生決定性的影響，與森林 生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)穩(wěn)定性也有關(guān)系。因此，研究森林群落的林木水平分布格局類型及其動 態(tài)，通過分析林木之間的空間關(guān)系、定量描述種群和群落的水平結(jié)構(gòu)，給出種群和群落的 動態(tài)變化，可以為森林群落演替趨勢、群落空間行為調(diào)整、森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營提供 基礎(chǔ)理論。林木分布格局的研究也為生物多樣性保護、森林可持續(xù)經(jīng)營評價等提供可靠依 據(jù)。
基本的林木分布格局分布類型有三種隨機分布、規(guī)則(均勻)分布和集聚(團狀)分布。
隨機分布(random distribution)是指種群個體的分布相互間沒有聯(lián)系，每個個體的 出現(xiàn)都有同等的機會，與其他個體是否存在無關(guān)，林木的位置以連續(xù)而均勻的概率分布在 林地上。對于任意兩個不重疊的樣地，其上的林木數(shù)量是一個隨機變量且相互獨立。也就 是說，林木與其本身所處的位置互不發(fā)生影響。正是由于這個中立性隨機分布才得以作為 一個評價任意林木分布格局的尺度。
規(guī)則分布(regular distribution)， 又稱為低常態(tài)分布(hypodispersion underdistribution)或負集群分布(negative contagious distribution), 是指林木在水 平空間中的分布是均勻等距的，或者說林木對其最近相鄰木以盡可能最大的距離均勻地分 布在林地上，林木之間互相排斥。在所有取樣單元中接近平均株樹的單元最多，密度極大 或極小的情形都很少。
集群分布(contagious distribution), 叉稱為團狀分布(clumped distribution)、 聚集分布 (aggregated distribution) 或超常態(tài)分布 (hyperdistribution overdispersion):與隨機分布相比，林木有相對較高的超平均密度占據(jù)的范圍。也就是說 林木之間互相吸引。
目前，林木水平分布格局的研究方法分為兩類——樣方法和距離法。樣方法是將調(diào)査 樣地分為小樣方并計數(shù)每個小樣方內(nèi)個體數(shù)的調(diào)査方法；距離法是量測任意點或樹木到其 最近相鄰木距離的調(diào)查方法。
樣方法以樣方抽樣為基礎(chǔ)的，由于計算個體出現(xiàn)的頻率必須給定一個空間范圍，因此 試驗都在樣方中進行。這種方法的缺點是以離散樣方的孤立空間格局為研究基礎(chǔ)，檢驗的 結(jié)果依賴于樣方大小和樣本含量，對大面積連續(xù)分布的格局缺乏代表性，綜合分析會帶入 較大的主觀性，影響格局判斷的準確性。
距離法是指通過量測點到個體、或個體之間的距離來進行空間格局的量度。適于研究 自然界中占據(jù)連續(xù)生存空間的生物分布格局。距離法的優(yōu)點是消除了樣方大小對檢測結(jié)果 的影響，缺點是增加了對林分密度的依賴性，野外調(diào)查時需要費時耗力地進行準確的定位 和測距，增加了調(diào)査難度和成本。另外數(shù)據(jù)處理需要應(yīng)用較復雜的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)運 算，不可能在大面積林內(nèi)即時應(yīng)用林木水平分布格局分析結(jié)果指導森林經(jīng)營。
總的說來，傳統(tǒng)的林木水平分布格局分析結(jié)果通常是一個數(shù)值或一個圖形，大都是用 以定性說明空間格局的狀態(tài)和類型，不存在具有明確涵義的單個值的分布，可解釋性和可 操作性都不強，無法直接并即時地利用分布格局的分析結(jié)果進行格局的調(diào)整，或通過格局 調(diào)査來指導林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方便、準確、客觀的判斷林木水平分布格局的方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的-本發(fā)明的判斷林木水平分布格局的方法，包括步驟-
A、 在林木分布區(qū)域內(nèi)選擇多株參照樹，并分別分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍 繞該參照樹分布的均勻性
B、 根據(jù)多株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性，分析整個林木的 水平分布格局。
所述的步驟A中，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性時， 首先判斷每株參照樹的多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該參照樹構(gòu)成的夾角大小的范
圍；
然后根據(jù)多個夾角大小的范圍的分布情況，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該 參照樹分布的均勻性。
所述的多株相鄰木為距參照樹最近的4 8株相鄰木。 所述的多株相鄰木為距參照樹最近的4株相鄰木。
所述的多株參照樹為林木分布區(qū)域內(nèi)的所有樹木。此時，所述的多株參照樹大于等于 200棵。
所述的多株參照樹為林木分布區(qū)域內(nèi)的部分樹木，所述的多株參照樹間隔分布于林木 分布區(qū)域內(nèi)。此時，所述的多株參照樹大于等于50棵。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的判斷林木水平分布格局的方 法，由于根據(jù)多株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性，分析整個林木的
水平分布格局。既可以準確、客觀的分析和判斷林木的水平分布格局，又簡單、易行、方 便。 .
又由于通過判斷角度分析林木水平分布格局，不需要復雜的測距，特別適用于大片林 木的水平分布格局的分析判斷。


圖la為參照樹與其3株相鄰木的絕對均勻分布示意圖lb為參照樹與其4株相鄰木的絕對均勻分布示意圖； 圖2為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角示意圖3a為參照樹與其l株相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元示意圖3b為參照樹與其2株相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元示意圖一；
圖3c為參照樹與其2株相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元示意圖二； 圖4a為林木間正六邊形規(guī)則分布示意圖4b為林木間正四邊形規(guī)則分布示意圖； 圖5為標準角優(yōu)化解示意圖6a為60。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖； 圖6b為72。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖； 圖6c為90。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖； 圖7a為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角都大于等于標準角時的分布示意圖7b為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角中有l(wèi)個小于標準角時的分布示意圖;
圖7c為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角中有2個小于標準角時的分布示意圖;
圖7d為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角中有3個小于標準角時的分布示意圖7e為參照樹與其4株相鄰木構(gòu)成的夾角中有4個小于標準角時的分布示意圖8a為林木均勻分布格局示意圖8b為林木隨機分布格局示意圖8C為林木團狀分布格局示意圖9a為林木均勻分布時，單木的角尺度出現(xiàn)的頻率分布圖9b為林木隨機分布時，單木的角尺度出現(xiàn)的頻率分布圖9c為林木團狀分布時，單木的角尺度出現(xiàn)的頻率分布圖。
具體實施例方式
本發(fā)明判斷林木水平分布格局的方法，其較佳的具體實施方式
包括，
步驟l、在林木分布區(qū)域內(nèi)選擇多株參照樹，并分別分析每株參照樹周圍的多株相鄰
木圍繞該參照樹分布的均勻性；
步驟2、根據(jù)多株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性，分析整個林
木的水平分布格局。
上述的步驟l中，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性時， 首先判斷每株參照樹的多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該參照樹構(gòu)成的夾角大小的范
圍；
然后根據(jù)多個夾角大小的分布情況，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹 分布的均勻性。
選擇參照樹周圍的多株相鄰木時，最好選擇距參照樹最近的4 8株相鄰木，可以是 4、 5、 6、 7、 8株等，最好是4株。
本發(fā)明通過判斷相鄰木與參照樹構(gòu)成的夾角大小的范圍，來分析參照樹周圍的多株相 鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性，并根據(jù)多株參照樹周圍的相鄰木圍繞該參照樹分布的均 勻性，分析整個林木分布區(qū)域內(nèi)林木的水平分布格局。
這種方法被稱為角尺度方法，即是指通過分析各單木與其周圍單木所能構(gòu)成的夾角大 小的范圍及其分布來描述相鄰木木圍繞參照樹i的均勻性，并進而分析林木分布格局。下面 對這種方法進行詳細的描述。
如圖la、圖lb所示，參照樹i和它的n株最近相鄰木可構(gòu)成一組位置分布角，絕對均勻 分布時其位置分布角應(yīng)為360。 /n，這個期望值被定義為標準角。如圖2所示，從參照樹出發(fā)，任意兩個最近相鄰木的夾角有兩個，令小角為a，大角 為li,顯然，a+li=360° ，參照樹與其最近相鄰木1和2、 l和4、 2和3、 3和4構(gòu)成的較小 的夾角為"、a 14、 a 23、 a 3"
角尺度(Wi)被定義為n株最近相鄰木與參照樹構(gòu)成的所有ci角中小于標準角a。的比 用下式來表示
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，
由全林分所有單木的Wi取值，可計算出Wi值的分布，也就是每種取值可能在林分中出
現(xiàn)的頻率，以及分布的特征值即均值OP)，兩者能反映出林分整體的分布格局。均值(F) 的計算公式為 <formula>formula see original document page 7</formula> (2)
構(gòu)建角尺度參數(shù)的基礎(chǔ)是相鄰木株數(shù)n和標準角的大小。經(jīng)研究可知n二4，標準角a。 =72°為合理取值。
相鄰木株數(shù)n的大小決定了空間結(jié)構(gòu)單元的大小?？臻g結(jié)構(gòu)單元是指林分內(nèi)最基本的 空間結(jié)構(gòu)單位，由林分中每l株樹(參照樹)以及它的n株最近相鄰木所構(gòu)成。描述林木水平
分布格局的角尺度參數(shù)是在空間結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)上進行構(gòu)建的。
如圖3a、圖3b、圖3c所示，如果在參照樹周圍選擇一株最近相鄰木，即11=1，由2株 樹構(gòu)成l個結(jié)構(gòu)單元，實際上兩個點不能構(gòu)成面，2株樹難以構(gòu)成空間也無法構(gòu)成夾角，無 法計算角尺度；n-2時，只有兩個互補的夾角，占據(jù)的方位太少，或者說3株樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu) 單元最多只能涵蓋參照樹周圍一到兩個方位的樹木空間關(guān)系，其他方位的情況不得而知。 由2株或3株樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元提供的空間信息是殘缺的，信息量很不完整(圖3) 。 n=3 時，由4株樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元其分布類型共有4種很均勻、均勻、不均勻和很不均勻，缺 乏描述隨機分布的中間過渡狀態(tài)，因此信息量也是不夠的。并且3株樹能夠占據(jù)的方位也很 難全面涵蓋參照樹周圍，容易形成格局的有偏估計。
從人的感知和判斷方向的習慣而言，在野外調(diào)查空間結(jié)構(gòu)時，最多可以考慮參照樹周 圍的4個方位東、南、西、北的樹木分布情況，而多于4個方位，直觀判斷起來就一定的 困難。在野外實地調(diào)査時，4個方位已經(jīng)足以概括一株參照樹與之周圍相鄰木的相對方位關(guān) 系，4株最近相鄰木可占據(jù)四個方位，而且4株最近相鄰木與參照樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系有5種 很均勻、均勻、隨機、不均勻、很不均勻，生物學意義十分明顯，因此參照樹與其4株最近
相鄰木就構(gòu)成了比較合適的林分空間結(jié)構(gòu)單元?！?是適宜的相鄰木株數(shù)。
在提出角尺度概念時，考慮到自然界中幾乎沒有正好等于絕對均勻的分布角，故將標
準角的大小直接地定義為0。=360° /n(1±(U)。按照角尺度的定義，如果標準角過大， a〈a。的概率就大，均勻分布被誤判為不均勻分布的可能性增加；反之，a〉a。的概率就 大，分布格局易被誤判為均勻分布?？梢姡瑯藴式鞘怯绊懡浅叨仁褂镁鹊囊粋€關(guān)鍵因 子。它的取值大小必然存在一個優(yōu)化的選擇過程。
對參照樹i的4株最近相鄰木而言，絕對均勻分布時其位置分布角均為90。，但自然 狀態(tài)下，絕對均勻幾乎不可能達到。
如圖4a、圖4b所示，理論上，自然界中存在兩種具有最大規(guī)則性的分布即正六邊形分 布和正方形分布，這兩種最大均勻分布中相鄰木的夾角分別為60°和90° 。據(jù)此標準角的 可能取值范圍為60°《a?！?(T 。
如果采用60。作為標準角，很容易將單側(cè)分布誤判為均勻分布，因此，60°偏小。林 木分布為絕對方形的情況并不常見，說明標準角應(yīng)小于90。。
因此，如圖6a、圖6b、圖6c所示，標準角必然在60°和90°之間，可能是兩者的中
值。兩者的中值有三種算術(shù)平均值(^=75° )、幾何平均值(^G:73.5。)、協(xié)調(diào)平均值 (^/=72° )。其中，協(xié)調(diào)平均值？"的計算公式為
60° 90。
由此可知^w《^G《f ，由角尺度的定義((i〈a。)可知，當選擇協(xié)調(diào)平均值
(^^=72。)作為標準角時，其它兩種均值亦屬于均勻的范疇，覆蓋面廣，故72°是標準角
的恰當取值。 '
另外，如圖5所示，介于6(T和90°之間的a。角，在誤差范圍都是^時應(yīng)滿足下列方
程
a0》60° (1 + x) (3) a0《90°-(l-x) (4) 當^=0.2，對應(yīng)的a^72。，也可證明該角度的合理性。
標準角也應(yīng)該是能夠等分圓周的均勻角。72°正好是圓周5等分時的相鄰木夾角，從 這一點上看72。也是合適的標準角。
由圖6a、圖6b、圖6c可見，最優(yōu)的標準角所表示的均勻分布的程度若差于絕對均勻分 布，但較單側(cè)分布而言又不失其均勻性，這也許就是自然界的模糊性所在。
如圖7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e所示，在上述基礎(chǔ)上構(gòu)建的角尺度Wi取值共有5 種，從0到1表示4株最近相鄰木在參照樹周圍的分布格局由特別均勻到聚集的分布。
W =0:所有a角都大于或等于a 。(很均勻)；
25: l個a角小于a。(均勻)；' K =0.5: 2個d角小于a。(隨機)； ^=0. 75: 3個a角小于a。(不均勻); K =1:所有a角小于cu，(很不均勻)。
如圖8a、圖8b、圖8c、圖9a、圖9b、圖9c所示，整個林木分布區(qū)域中，各單木每種Wi 值出現(xiàn)的頻率以及角尺度平均值(^)，可反映林分整體的分布格局。當林木的分布格局從 均勻向隨機、再向團狀分布變化(圖9)，角尺度分布則由不對稱到對稱、再到不對稱。典 型的均勻分布林分，角尺度分布0.5取值左側(cè)的頻率明顯高于右側(cè)，甚至集中于O取值；隨 機分布林分的角尺度分布在O. 5取值兩側(cè)的頻率基本呈對稱分布；團狀分布中O. 5取值右側(cè) 的頻率則明顯高于左側(cè)。
當林木的分布格局從均勻到隨機再到團狀分布時，^由小到大。由此可知，可利用^ 判斷林木的分布格局。分布格局從均勻分布到團狀分布的漸變過程中，隨機分布處于兩者 中間，只要界定了隨機分布的^取值范圍，另外兩種分布的^取值范圍也就一目了然。
研究證明，株數(shù)小于200株或者面積小于2500i^的樣地無法有效代表林分的分布格局，
因此為了確定隨機分布的『的范圍，分別在50X50、 60X60、 70X70、 80X80、 90X90和 100X100m，樣地內(nèi)，株數(shù)從200株開始每次遞增50株直到株數(shù)達到1000株為止，在每種面 積的每種株數(shù)下模擬產(chǎn)生1000個隨機分布的林木分布格局(在計算Wi值時，為了消除處于樣 地邊緣樹的系統(tǒng)影響，設(shè)置緩沖區(qū)，將處于緩沖區(qū)的林木僅作為潛在的最近相鄰木加以計 算)。按照99%的可靠程度，并引入Korf數(shù)學模型，確定計算隨機分布^臨界值的公式。
-0.65173
v 一 0 "2.34454x
上限<formula>formula see original document page 9</formula>，(擬合精度MSE = 0.00021， R2 = 0.96， n=102)
一0 58755jc— o.377668
下限<formula>formula see original document page 9</formula>，(擬合精度MSE = 0.00025， R2 = 0.91， n=102)
其中x為調(diào)査株數(shù)，y為在此株數(shù)下的隨機分布^的臨界值，MSE為殘差平方和，W為 相關(guān)指數(shù)，n為樣本數(shù)。 .
^值大于或等于公式上限的林分為團狀分布，^小于或等于公式下限的林分為均勻分布。
角尺度參數(shù)是通過分析每株參照樹周圍的4株最近相鄰木的水平分布狀況，以確定整 個林木的水平水平分布格局。根據(jù)這一特點，角尺度的調(diào)査可分為兩種，抽樣調(diào)査和全面
調(diào)查。
抽樣調(diào)查是在林木分布區(qū)域內(nèi)以機械點抽樣方式，布設(shè)50個或50個以上的抽樣點，調(diào) 查離每個抽樣點最近的4株樹的角尺度，然后統(tǒng)計樣地的平均角尺度。根據(jù)調(diào)查株數(shù)和隨機 分布^臨界值公式求出林木分布是哪種分布格局。
全面調(diào)査是利用判角器判讀林分內(nèi)全部單木的角尺度，計算林木的平均角尺度；或利 用全站儀測量樣地內(nèi)全部單木的位置，計算每木角尺度和林木平均角尺度。全面調(diào)査主要 用于樣地面積不太大(保證有200株或200株以上的樹木)，或需要長期定位監(jiān)測的林分空 間格局。
本發(fā)明的方法通過判斷角度分析林木水平分布格局，不需要復雜的測距，可借助于抽 樣調(diào)査獲取數(shù)據(jù)(釆用樣線法即僅需調(diào)査樣線上或距樣線最近的樹的M就可獲得分布信 息)，因此調(diào)查簡單、可操作性強、成本低、效率高。另外利用角尺度分析林木水平分布格
局時，既可利用角尺度均值^將現(xiàn)實林木水平分布格局相對準確地評判為均勻、隨機或團 狀分布，也可以利用單個角尺度W值的分布根據(jù)經(jīng)營目標對林分分布格局進行調(diào)整。借助 角尺度不僅使數(shù)據(jù)調(diào)査費用縮減，而且使一個詳細的格局分析、經(jīng)營和重建成為可能。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，包括步驟A、在林木分布區(qū)域內(nèi)選擇多株參照樹，并分別分析每株參照樹周圍的多株最近相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性；B、根據(jù)多株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性，分析整個林木的水平分布格局。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的步驟A 中，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性時，首先判斷每株參照樹的多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該參照樹構(gòu)成的夾角大小的范圍；然后根據(jù)多個夾角大小的范圍的分布情況，分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該 參照樹分布的均勻性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株相 鄰木為距參照樹最近的4 8株相鄰木。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株相 鄰木為距參照樹最近的4株相鄰木。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株參 照樹為林木分布區(qū)域內(nèi)的所有樹木。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株參 照樹大于等于200棵。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株參 照樹為林木分布區(qū)域內(nèi)的部分樹木，所述的多株參照樹間隔分布于林木分布區(qū)域內(nèi)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的判斷林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株參 照樹大于等于50棵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種判斷林木水平分布格局的方法，首先在林木分布區(qū)域內(nèi)選擇多株參照樹，然后判斷每株參照樹與多株最近相鄰木構(gòu)成的夾角大小范圍，并分析每株參照樹周圍的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性；以此為基礎(chǔ)分析整個林木的水平分布格局。該林木水平分布格局判斷方法操作簡單、易行和方便，不需要精確測距就可以準確、客觀的分析和判斷林木的水平分布格局，特別適用于大片林木的水平分布格局的分析判斷。
文檔編號A01G23/00GK101199266SQ20061016512
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者惠剛盈, 胡艷波 申請人:中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所