基于ArcGIS技术对落叶松种群结构特征分析及调整的研究

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1、河北省林业科学技术研究项目申请书项目名称：基于ArcGIS技术对落叶松种群结构特征分析及调整的研究 类 别：应用研究申请单位：河北省木兰围场国有林场管理局协作单位： 项目负责人： 起止年限：2016年10月至2017年12月申报日期： 2016 年 8月28 日联系电话：031421一、目的、意义及国内外发展状况及趋势(一)研究目的与意义落叶松是喜光的强阳性树种，适应性强，耐低温寒冷，对土壤、水分条件和养分条件的适应范围很广，但最适宜在湿润、排水、通气良好、土壤深厚而肥沃的土壤条件下生长，在河北北部常组成大面积单纯林，或与其他针阔叶树种混生。树干高大通直，木材重而坚实，抗压及抗弯曲的强度大，而

2、且耐腐朽，木材工艺价值高，是电杆、枕木、桥梁、矿柱、车辆、建筑等优良用材。木兰林管局地处冀北山地和坝上高原的结合部，海拔900-1000米，有着明显的地理、气候和植被分布特点，适合落叶松的生长，既具有天然落叶松的种群分布，又有龄级整齐的人工林。自2010年开始至今，在近自然经营为主导的森林经营中，落叶松纯林及落阔、落油混交林已有47.1万亩。但由于缺乏科学有效的抚育措施，落叶松纯林逐渐发展成为高密度、低生产力的林地，大部分林木个体生长量下降，林分生态效能低，林分生长量低下、出材率低，严重影响了资源培育和可持续发展步伐。由于林业自身有如森林生长的长期性、资源分布的地域辽阔性及再生性、森林成熟的不

3、稳定性等多变因素的存在，用传统的手段管理和展现森林资源信息并以此来知道林业生产已日益暴露其弊端。而先进的GIS技术，能够准确把握林业资源的信息特点，是解决上述诸多弊端的有效途径。地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。而ArcGIS产品正是一个建设完整GIS的软件集合，它包含了一系列部署GIS的框架，是一个可

4、伸缩的、全面的GIS平台。当下将ArcGIS应用于森林经营中对林区的管理，能够使繁重复杂的管理工作变得简单易行，提高数据处理效率，增强森林抚育工作的科学性。2012年，木兰林管局引入ArcGIS技术，在计算机硬、软件系统支持下，实现对林地空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述等功能，辅助完成各类林业作业。ArcGIS已成为林业抚育工作中不可或缺的技术工具，因此，结合GIS技术对落叶松的种群结构特征进行系统的分析，制定科学的抚育方案，实施有效的改良措施，可大大提高落叶松针阔混交林的林分质量，提升森林资源效益和生态效益。（二）国内外发展趋势GIS技术近年来发展十分迅速

5、，已成为国内外研究的热点，至今为止已逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。GIS技术在林业方面的应用，可以使特定区域内的林业经营管理进入到数字化、集成化、智能化、网络化，为林业的可持续发展提供技术支撑，为现代化林业建设提供新的管理手段。但迄今为止，多集中在规划、制图、生产等方面，应用层次相对浅显，鲜有应用GIS技术对林地种群结构进行系统分析的研究。本次基于ArcGIS技术对落叶松种群结构特征分析及调整的研究，以落叶松种群结构特征为例，重点在于深层次的探究ArcGIS软件在种群结构特征分析及调整中的应用，树种组成、现状地类、树高、胸径、亩株数、龄组结合树种、胸径、密度和龄组等因子，

6、利用径级结构分析和空间结构分析等方法，形成科学的理论和实践体系，指导林业生产工作，以期为落叶松纯林向落桦混进林转化的抚育间伐及可持续经营提供参考。二、研究目标、研究内容、预期成果及技术经济指标（说明研究目标和主要研究内容；要解决的关键技术问题；预期成果包括阶段性和最终成果及其提交形式）（一）研究目标1.利用GIS建立落叶松种群的动态管理，主要包括对森林经营、采伐设计、林地信息管理及火灾预测和监控等方面的管理。2.探讨培育高效、可持续经营的落叶松经营模式，并对目前已有的落叶松种群结构进行优化抚育及调整。（2） 主要研究内容这部分建议增加一段理论概述，说明GIS分析之后，到底是采取什么原则或者理论

7、去经营抚育林分的。这个我看内容里面都没有提及。1.基于ArcGIS技术，实现对落叶松种群基础数据的采集与编辑，从而对包含有落叶松树种的小班进行区划、编辑及修改，形成元数据库。2.利用Arc TOOLbox工具对元数据库进行空间分析，形成不同的斑块，以目标树为架构的近自然经营理念为主导，采取科学抚育措施，调整现有落叶松种群结构。3、（1）落叶松纯林的抚育经营：落叶松纯林抚育技术措施和落叶松纯林抚育经营技术规程。 （2）人工抚育落叶松纯林结构、功能、效益研究通过对落叶松纯林的人工抚育经营，优化林分组成，确定合理密度，促使现有林份向天然复层异龄混交林结构发展，进一步优化林分结构和提升林分的功能和效益

8、。 （3）落桦混交林培育过程中林木生长量与纯林的比较研究：同密度同龄级各林分单株及林分年生长量（3） 预期成果及技术经济指标1.建立冀北山地典型落阔混交林结构模型2.提出冀北山地落叶松种群优化调整的措施和技术体系3.建立异龄复层落阔混交林示范区（4） 技术关键本次研究关键技术包括Arcgis技术的应用、径级结构分析、空间结构分析等。3、 试验规模和地点北沟林场落叶松纯林及落叶松与针、阔叶混交林共计19947亩，从2009年开始，该场已在东沟营林区扫虎沟和北沟营林区的东色树沟等地，结合中央财政森林抚育补贴试点项目、绿化苗木基地建设项目的实施，对5个小班的落叶松纯林和落阔混交林进行了抚育管理，同时

9、分别建设固定标准地5块，对照样地5块，并进行了动态监测。2011年，在北京林业大学的协助下，我们对抚育经营四年后的林分生长情况进行了初步研究，已经获得了一些数据资料。4、 试验研究的依据及拟采用的试验研究方法、技术路线（包括工艺流程、试验方法、可能发生的问题及解决办法）（一）研究方法（野外调查法、航片判读法、样地检测法）利用野外调查的数据生成小班数据属性表，从中选取分类因子，根据分类因子建立分类数据库，结合航片和林地实际情况，对林地类型进行分类，并在ArcGIS中生成斑块图，通过对斑块面积、形状、分布等信息的分析，完成林地抚育措施的映射，确定抚育作业方式。（二）技术路线在对国内现有的经营技术成

10、果进行总结的基础上，对样地进行不同类型的经营抚育，调查各措施下的林木胸径、林木高度、林木生长量、林木生长环境等情况，并对固定标准地进行长期观测。主要步骤如下：基于ArcGIS技术对落叶松种群结构特征分析及调整的研究利用GIS的查询和统计功能出现有落叶松林地分布情况调查材料航片判读野外实地调查数据录入处理建立落叶松种群结构属性的基础数据库目标结构设计冀北山地典型落阔混交林结构模型落叶松种群特征结构分析树种组成空间结构径级结构蓄积结构根据主要分类因子生成不同斑块图，分类采取经营措施纯林落阔混交林制定综合抚育的方案，诱导林分向典型落阔混交林发展经营原则经营目标（3） 组织实施方案1、准备阶段：201

11、6年10月至12月 利用ArcGIS软件，选择出落叶松纯林及落阔混交林基础数据的采集与编辑，从而对包含有落叶松树种的小班进行区划、编辑及修改，形成元数据库；并在所选合适小班内设置的样地及标准地内选择树木解析对象，获取基础数据。2、实施阶段：2017年4月至10月2017年4月：根据解析木数据对比分析并参考相关文献和技术规程，对落叶松纯林及落阔混交林培育技术措施进行研究。2017年5月-6月：监测样地中落叶松纯林及落阔混交林林木生长状况，根据森林抚育措施的条件及作业地块的需求，选择树种组成作为主要分类因子，辅助分类因子包括现状地类、树高、胸径、亩株数、龄组5个影响森林抚育的因子，并将野外调查实验

12、数据录入属性数据库中，进而对落叶松纯林及落阔混交林培育过程中林木生长量进行研究，研究不同保留密度下单株及林分年生长量。2017年7月-8月：根据属性数据库，对样地的6个分类因子进行分析，结合航片和地类情况可分为落叶松纯林及落阔混交林，并在ArcGIS中生成斑块图。通过对落阔混交林培育措施的研究，将研究区的实际作业需求与抚育措施进行一一映射选择，确定各项抚育措施的施工面积、形状和分布情况。确定合理的混交密度，实现人工促使现有落阔复层异龄混交林结构优化及调整。2017年9月：ArcGIS技术在林业中应用及落阔混交林经营方案的效益分析。3、总结验收阶段：2017年10月至11月 2017年10月根据

13、内业数据结果，得出结论并撰写结题报告。 2017年11月上交结题材料，准备验收。五、成果推广应用前景及年经济效益或社会效益此项目的研究成果将为ArcGIS技术在林业中的应用提供坚实的理论和实践依据，区别于传统的林业制图方法，提供更为准确的数字与图形资料，实现二者的一一对应关系。同时，将落叶松纯林转化培育为结构较好的针阔叶混交林可大大增强森林的生态多样性和稳定性，与此同时，根据软件做出的方案，大大节省了人力和物力，方案的实施有利于缩短木材培育周期，提高单株林木的材积和培养大径级木材，更有利于实现生态效益、经济效益和社会效益多赢的目标。六、准备工作情况（已有的研究基础、技术力量；已有的主要仪器设备

14、。要注明名称、规格、数量）我场已从2009年起在东沟营林区扫虎沟和北沟营林区的东色树沟等地，结合国家重点公益林抚育经营项目、中央财政森林抚育补贴项目、绿化苗木基地建设项目的实施，对5个小班的落阔混交林进行了抚育管理，同时设立固定标准地5块，对照样地5块，并进行了动态监测。累计到2016年我场新建森林抚育成效监测样地16个，并完成我场涉及63个小班、7个树种的收获量表数据调查工作。本项研究课题主要成员为木兰林管局北沟林场具备高、中、初级林业专业技术职称的科技工作者，均长期从事基层林业生产、管理工作。课题组成员结构合理，知识面广，基层实践经验丰富，掌握大量基础数据资料，在森林经营方面具有明显的专业

15、优势，人才和技术力量雄厚。课题主持人张建华近二十年从事林业生产和管理工作，并取得北京林业大学博士学位，其主持的接坝地带落桦混交林优化抚育及改良技术研究课题2015年获得了河北省山区创业三等奖。技术负责人张楠一直在国有林场中从事林业生产技术工作，能够熟练应用ArcGIS软件并用于解决生产技术难题；技术负责人郭宾良一直从事森林经营和种苗生产工作，参加过坝上杨树防护林更新改造技术研究与示范、燕山山区森林对位配置及经营关键技术研究与示范和接坝地带落桦混交林优化抚育及改良技术研究等项目，参与论文发表10余篇，参与著作2部；技术负责人梁文俊北京林业大学全日制博士研究生毕业，山西农业大学副教授，与我场有过长

16、期的科研协作关系。其他课题组人员都工作在林场一线，长期从事基层林业生产、管理工作，大多具备中级以上林业专业技术职称，具有丰富的实践经验，并先后发表论文20余篇，出版著作2部。主要有：河北省北沟林场针阔混交林空间结构优化技术研究、木兰围场林管局华北落叶松人工林林下植物多样性研究、冀北山区各县森林生态系统生态服务功能价值评估、冀北山区林分结构化经营初探、冀北山区典型林分结构特征研究、冀北山地典型华北落叶松群落空间格局、华北落叶松人工林草本植物丰富度与生物量研究、冀北山地华北落叶松混交林土壤水分物理性质研究、基于ARCGIS环境的流域区森林抚育措施探讨等。七、研究工作的总体安排（分年度列出进度要求）

17、2016年：在林区普查基础上，结合以前年度的观测数据，并利用ArcGIS软件获得基础数据。2017年：对标准地进行全面监测，完成课题所规定的任务。对监测数据及结果进行分析、应用和总结，并进行成果鉴定。八、参加试验研究人员分工姓名性别年龄专业学历技术职务单位分工备注张建华男42林业博士教授级高工河北省木兰围场国有林场管理局主持人张楠女31园林学士工程师河北省木兰围场国有林场管理局技术负责人郭宾良男27林业学士无保定市林木种苗管理站技术负责人梁文俊男33林学博士副教授山西农业大学技术负责人黄永辉男43林业学士工程师河北省木兰围场国有林场管理局技术负责人任洪江男51林业学士助工河北省木兰围场国有林场

18、管理局技术负责人李淑春女47林业学士工程师河北省木兰围场国有林场管理局技术负责人王辉男34森林培育硕士工程师河北省木兰围场国有林场管理局技术负责人徐国巧女 34森林经理硕士副高工河北省木兰围场国有林场管理局技术负责人王杰女29林业在读研究生无河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人聂鸿飞男45林业学士高工塞罕坝机械林场参加人肖志军男47林业学士副高工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人张春茹女42林业学士副高工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人黄永梅女46统计学士副高工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人马雷男38育种学士助工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人张鹤

19、男30会计学士助工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人刘帅男27园林学士助工河北省木兰围场国有林场管理局参加人曹天琪女26会计学士助工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人李适宇男25林业学士助工河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人姚丽男女25林业学士技术员河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场参加人穆蕾女36林业本科副高工河北省木兰围场国有林场管理局参加人九、所需主要材料、仪器、设备名称规格型号数量解决途径计算机扫描仪GPS数码相机移动硬盘手持罗盘1台1台2台1台2个2个购买购买购买购买购买购买十、经费预算（单位：万元）经费来源总数分年度20162017申请经费1055自筹经费

20、442222预算支出科目包括：、试验林经营抚育费；2、科研业务费；（建立标准地、样品采集、解析木制作、监测、计算、分析、资料、用工等）；3、仪器设备；（注明名称数量、用途）4、其它；结题报告金 额35.015.02.02.0说 明主要用于森林抚育管理主要用于日常科研研究的外业调查和内业分析十一、论证情况主持论证单位：河北省木兰围场国有林场管理局 主持人：曹运强论证方式或地点：会议、木兰林管局 论证日期：2016年8月24日论证意见（包括1、立题依据；2、技术经济指标及预期的技术水平；3、研究方法、工艺技术路线的可行性；4、研究进度；5、推广应用前景及经济效益或社会效益；6、经费预算；7、人员配

21、备；8、是否开题的结论意见等）。 该课题结合河北省北部山区落叶松林种群结构特征的实际，针对地理信息软件ARCGIS在林业生产中的应用，鉴于国内外尚无该方面研究报道而开展的课题研究，并且前期已经做了大量基础工作；确立的技术经济指标科学可行，预期达到的技术水平国内领先；研究方法科学、工艺技术路线可行；研究进度合理；推广应用前景广阔，经济效益和社会效益显著；经费预算合理严谨；人员配备齐全；该课题研究对于河北乃至全国对ARCGIS软件在林业方面的应用了解，利用ArcGIS软件对落叶松种群建立起量化的、直观的数据属性表，将流域区划分为不同经营类型，结合生态特征和经营需要进行分析，生成斑块图，并最终制定科学的抚育措施和经营策略，极大的提高了工作效率，应尽快开题。十二、参加论证人员姓名性别年龄从事专业技术职务职务单位签字丁国栋男55水土保持教授主任北京林业大学曹运强男48林学教授级高工党委书记省木兰林管局谷建才男55森林经理教授河北农业大学高广磊男34水土保持副教授北京林业大学杨新兵男40森林生态副教授河北农业大学十三、申报单位意见 领导签字： 单位盖章： 年 月 日十四、主管部门审核意见： 领导签字： 单位盖章： 年 月 日十五、省林业厅审核意见 领导签字： 单位盖章： 年 月 日