专利名称：判断林木水平分布格局的方法
技术领域：
本发明涉及一种判断林木水平分布格局的方法。
背景技术：
林木水平分布格局是指林木个体在水平空间的配置或分布状况。分布格局既是种群的 基本数量特征之一，也是种群所处空间结构的基本特征之一。
森林群落中的各乔木种群是群落和生态系统的基本组成成分，以其特有的生态学和形 态学属性与环境因子相互作用，成为森林生态系统中基本结构与功能单元和联结群落与个 体的纽带。
而林木分布格局是种群生物学特性、种内与种间关系以及环境条件的综合作用的结 果，对未来森林生态系统的物种多样性、林木的生长和发育等产生决定性的影响，与森林 生态系统的生态稳定性也有关系。因此，研究森林群落的林木水平分布格局类型及其动 态，通过分析林木之间的空间关系、定量描述种群和群落的水平结构，给出种群和群落的 动态变化，可以为森林群落演替趋势、群落空间行为调整、森林生态系统可持续经营提供 基础理论。林木分布格局的研究也为生物多样性保护、森林可持续经营评价等提供可靠依 据。
基本的林木分布格局分布类型有三种随机分布、规则(均匀)分布和集聚(团状)分布。
随机分布(random distribution)是指种群个体的分布相互间没有联系，每个个体的 出现都有同等的机会，与其他个体是否存在无关，林木的位置以连续而均匀的概率分布在 林地上。对于任意两个不重叠的样地，其上的林木数量是一个随机变量且相互独立。也就 是说，林木与其本身所处的位置互不发生影响。正是由于这个中立性随机分布才得以作为 一个评价任意林木分布格局的尺度。
规则分布(regular distribution)， 又称为低常态分布(hypodispersion underdistribution)或负集群分布(negative contagious distribution), 是指林木在水 平空间中的分布是均匀等距的，或者说林木对其最近相邻木以尽可能最大的距离均匀地分 布在林地上，林木之间互相排斥。在所有取样单元中接近平均株树的单元最多，密度极大 或极小的情形都很少。
集群分布(contagious distribution), 叉称为团状分布(clumped distribution)、 聚集分布 (aggregated distribution) 或超常态分布 (hyperdistribution overdispersion):与随机分布相比，林木有相对较高的超平均密度占据的范围。也就是说 林木之间互相吸引。
目前，林木水平分布格局的研究方法分为两类——样方法和距离法。样方法是将调査 样地分为小样方并计数每个小样方内个体数的调査方法；距离法是量测任意点或树木到其 最近相邻木距离的调查方法。
样方法以样方抽样为基础的，由于计算个体出现的频率必须给定一个空间范围，因此 试验都在样方中进行。这种方法的缺点是以离散样方的孤立空间格局为研究基础，检验的 结果依赖于样方大小和样本含量，对大面积连续分布的格局缺乏代表性，综合分析会带入 较大的主观性，影响格局判断的准确性。
距离法是指通过量测点到个体、或个体之间的距离来进行空间格局的量度。适于研究 自然界中占据连续生存空间的生物分布格局。距离法的优点是消除了样方大小对检测结果 的影响，缺点是增加了对林分密度的依赖性，野外调查时需要费时耗力地进行准确的定位 和测距，增加了调査难度和成本。另外数据处理需要应用较复杂的数学模型进行数据运 算，不可能在大面积林内即时应用林木水平分布格局分析结果指导森林经营。
总的说来，传统的林木水平分布格局分析结果通常是一个数值或一个图形，大都是用 以定性说明空间格局的状态和类型，不存在具有明确涵义的单个值的分布，可解释性和可 操作性都不强，无法直接并即时地利用分布格局的分析结果进行格局的调整，或通过格局 调査来指导林分空间结构调整。
发明内容
本发明的目的是提供一种方便、准确、客观的判断林木水平分布格局的方法。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的-本发明的判断林木水平分布格局的方法，包括步骤-
A、 在林木分布区域内选择多株参照树，并分别分析每株参照树周围的多株相邻木围 绕该参照树分布的均匀性
B、 根据多株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性，分析整个林木的 水平分布格局。
所述的步骤A中，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性时， 首先判断每株参照树的多株相邻木中相邻两株相邻木与该参照树构成的夹角大小的范
围；
然后根据多个夹角大小的范围的分布情况，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该 参照树分布的均匀性。
所述的多株相邻木为距参照树最近的4 8株相邻木。 所述的多株相邻木为距参照树最近的4株相邻木。
所述的多株参照树为林木分布区域内的所有树木。此时，所述的多株参照树大于等于 200棵。
所述的多株参照树为林木分布区域内的部分树木，所述的多株参照树间隔分布于林木 分布区域内。此时，所述的多株参照树大于等于50棵。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的判断林木水平分布格局的方 法，由于根据多株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性，分析整个林木的
水平分布格局。既可以准确、客观的分析和判断林木的水平分布格局，又简单、易行、方 便。 .
又由于通过判断角度分析林木水平分布格局，不需要复杂的测距，特别适用于大片林 木的水平分布格局的分析判断。
图la为参照树与其3株相邻木的绝对均匀分布示意图lb为参照树与其4株相邻木的绝对均匀分布示意图； 图2为参照树与其4株相邻木构成的夹角示意图3a为参照树与其l株相邻木构成的结构单元示意图3b为参照树与其2株相邻木构成的结构单元示意图一；
图3c为参照树与其2株相邻木构成的结构单元示意图二； 图4a为林木间正六边形规则分布示意图4b为林木间正四边形规则分布示意图； 图5为标准角优化解示意图6a为60。标准角所表示的4株相邻木均匀分布的示意图； 图6b为72。标准角所表示的4株相邻木均匀分布的示意图； 图6c为90。标准角所表示的4株相邻木均匀分布的示意图； 图7a为参照树与其4株相邻木构成的夹角都大于等于标准角时的分布示意图7b为参照树与其4株相邻木构成的夹角中有l个小于标准角时的分布示意图;
图7c为参照树与其4株相邻木构成的夹角中有2个小于标准角时的分布示意图;
图7d为参照树与其4株相邻木构成的夹角中有3个小于标准角时的分布示意图7e为参照树与其4株相邻木构成的夹角中有4个小于标准角时的分布示意图8a为林木均匀分布格局示意图8b为林木随机分布格局示意图8C为林木团状分布格局示意图9a为林木均匀分布时，单木的角尺度出现的频率分布图9b为林木随机分布时，单木的角尺度出现的频率分布图9c为林木团状分布时，单木的角尺度出现的频率分布图。
具体实施例方式
本发明判断林木水平分布格局的方法，其较佳的具体实施方式
包括，
步骤l、在林木分布区域内选择多株参照树，并分别分析每株参照树周围的多株相邻
木围绕该参照树分布的均匀性；
步骤2、根据多株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性，分析整个林
木的水平分布格局。
上述的步骤l中，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性时， 首先判断每株参照树的多株相邻木中相邻两株相邻木与该参照树构成的夹角大小的范
围；
然后根据多个夹角大小的分布情况，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树 分布的均匀性。
选择参照树周围的多株相邻木时，最好选择距参照树最近的4 8株相邻木，可以是 4、 5、 6、 7、 8株等，最好是4株。
本发明通过判断相邻木与参照树构成的夹角大小的范围，来分析参照树周围的多株相 邻木围绕该参照树分布的均匀性，并根据多株参照树周围的相邻木围绕该参照树分布的均 匀性，分析整个林木分布区域内林木的水平分布格局。
这种方法被称为角尺度方法，即是指通过分析各单木与其周围单木所能构成的夹角大 小的范围及其分布来描述相邻木木围绕参照树i的均匀性，并进而分析林木分布格局。下面 对这种方法进行详细的描述。
如图la、图lb所示，参照树i和它的n株最近相邻木可构成一组位置分布角，绝对均匀 分布时其位置分布角应为360。 /n，这个期望值被定义为标准角。如图2所示，从参照树出发，任意两个最近相邻木的夹角有两个，令小角为a，大角 为li,显然，a+li=360° ，参照树与其最近相邻木1和2、 l和4、 2和3、 3和4构成的较小 的夹角为"、a 14、 a 23、 a 3"
角尺度(Wi)被定义为n株最近相邻木与参照树构成的所有ci角中小于标准角a。的比 用下式来表示
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，
由全林分所有单木的Wi取值，可计算出Wi值的分布，也就是每种取值可能在林分中出
现的频率，以及分布的特征值即均值OP)，两者能反映出林分整体的分布格局。均值(F) 的计算公式为 <formula>formula see original document page 7</formula> (2)
构建角尺度参数的基础是相邻木株数n和标准角的大小。经研究可知n二4，标准角a。 =72°为合理取值。
相邻木株数n的大小决定了空间结构单元的大小。空间结构单元是指林分内最基本的 空间结构单位，由林分中每l株树(参照树)以及它的n株最近相邻木所构成。描述林木水平
分布格局的角尺度参数是在空间结构单元的基础上进行构建的。
如图3a、图3b、图3c所示，如果在参照树周围选择一株最近相邻木，即11=1，由2株 树构成l个结构单元，实际上两个点不能构成面，2株树难以构成空间也无法构成夹角，无 法计算角尺度；n-2时，只有两个互补的夹角，占据的方位太少，或者说3株树构成的结构 单元最多只能涵盖参照树周围一到两个方位的树木空间关系，其他方位的情况不得而知。 由2株或3株树构成的结构单元提供的空间信息是残缺的，信息量很不完整(图3) 。 n=3 时，由4株树构成的结构单元其分布类型共有4种很均匀、均匀、不均匀和很不均匀，缺 乏描述随机分布的中间过渡状态，因此信息量也是不够的。并且3株树能够占据的方位也很 难全面涵盖参照树周围，容易形成格局的有偏估计。
从人的感知和判断方向的习惯而言，在野外调查空间结构时，最多可以考虑参照树周 围的4个方位东、南、西、北的树木分布情况，而多于4个方位，直观判断起来就一定的 困难。在野外实地调査时，4个方位已经足以概括一株参照树与之周围相邻木的相对方位关 系，4株最近相邻木可占据四个方位，而且4株最近相邻木与参照树构成的结构关系有5种 很均匀、均匀、随机、不均匀、很不均匀，生物学意义十分明显，因此参照树与其4株最近
相邻木就构成了比较合适的林分空间结构单元。『4是适宜的相邻木株数。
在提出角尺度概念时，考虑到自然界中几乎没有正好等于绝对均匀的分布角，故将标
准角的大小直接地定义为0。=360° /n(1±(U)。按照角尺度的定义，如果标准角过大， a〈a。的概率就大，均匀分布被误判为不均匀分布的可能性增加；反之，a〉a。的概率就 大，分布格局易被误判为均匀分布。可见，标准角是影响角尺度使用精度的一个关键因 子。它的取值大小必然存在一个优化的选择过程。
对参照树i的4株最近相邻木而言，绝对均匀分布时其位置分布角均为90。，但自然 状态下，绝对均匀几乎不可能达到。
如图4a、图4b所示，理论上，自然界中存在两种具有最大规则性的分布即正六边形分 布和正方形分布，这两种最大均匀分布中相邻木的夹角分别为60°和90° 。据此标准角的 可能取值范围为60°《a。《9(T 。
如果采用60。作为标准角，很容易将单侧分布误判为均匀分布，因此，60°偏小。林 木分布为绝对方形的情况并不常见，说明标准角应小于90。。
因此，如图6a、图6b、图6c所示，标准角必然在60°和90°之间，可能是两者的中
值。两者的中值有三种算术平均值(^=75° )、几何平均值(^G:73.5。)、协调平均值 (^/=72° )。其中，协调平均值？"的计算公式为
60° 90。
由此可知^w《^G《f ，由角尺度的定义((i〈a。)可知，当选择协调平均值
(^^=72。)作为标准角时，其它两种均值亦属于均匀的范畴，覆盖面广，故72°是标准角
的恰当取值。 '
另外，如图5所示，介于6(T和90°之间的a。角，在误差范围都是^时应满足下列方
程
a0》60° (1 + x) (3) a0《90°-(l-x) (4) 当^=0.2，对应的a^72。，也可证明该角度的合理性。
标准角也应该是能够等分圆周的均匀角。72°正好是圆周5等分时的相邻木夹角，从 这一点上看72。也是合适的标准角。
由图6a、图6b、图6c可见，最优的标准角所表示的均匀分布的程度若差于绝对均匀分 布，但较单侧分布而言又不失其均匀性，这也许就是自然界的模糊性所在。
如图7a、图7b、图7c、图7d、图7e所示，在上述基础上构建的角尺度Wi取值共有5 种，从0到1表示4株最近相邻木在参照树周围的分布格局由特别均匀到聚集的分布。
W =0:所有a角都大于或等于a 。(很均匀)；
25: l个a角小于a。(均匀)；' K =0.5: 2个d角小于a。(随机)； ^=0. 75: 3个a角小于a。(不均匀); K =1:所有a角小于cu，(很不均匀)。
如图8a、图8b、图8c、图9a、图9b、图9c所示，整个林木分布区域中，各单木每种Wi 值出现的频率以及角尺度平均值(^)，可反映林分整体的分布格局。当林木的分布格局从 均匀向随机、再向团状分布变化(图9)，角尺度分布则由不对称到对称、再到不对称。典 型的均匀分布林分，角尺度分布0.5取值左侧的频率明显高于右侧，甚至集中于O取值；随 机分布林分的角尺度分布在O. 5取值两侧的频率基本呈对称分布；团状分布中O. 5取值右侧 的频率则明显高于左侧。
当林木的分布格局从均匀到随机再到团状分布时，^由小到大。由此可知，可利用^ 判断林木的分布格局。分布格局从均匀分布到团状分布的渐变过程中，随机分布处于两者 中间，只要界定了随机分布的^取值范围，另外两种分布的^取值范围也就一目了然。
研究证明，株数小于200株或者面积小于2500i^的样地无法有效代表林分的分布格局，
因此为了确定随机分布的『的范围，分别在50X50、 60X60、 70X70、 80X80、 90X90和 100X100m，样地内，株数从200株开始每次递增50株直到株数达到1000株为止，在每种面 积的每种株数下模拟产生1000个随机分布的林木分布格局(在计算Wi值时，为了消除处于样 地边缘树的系统影响，设置缓冲区，将处于缓冲区的林木仅作为潜在的最近相邻木加以计 算)。按照99%的可靠程度，并引入Korf数学模型，确定计算随机分布^临界值的公式。
-0.65173
v 一 0 "2.34454x
上限<formula>formula see original document page 9</formula>，(拟合精度MSE = 0.00021， R2 = 0.96， n=102)
一0 58755jc— o.377668
下限<formula>formula see original document page 9</formula>，(拟合精度MSE = 0.00025， R2 = 0.91， n=102)
其中x为调査株数，y为在此株数下的随机分布^的临界值，MSE为残差平方和，W为 相关指数，n为样本数。 .
^值大于或等于公式上限的林分为团状分布，^小于或等于公式下限的林分为均匀分布。
角尺度参数是通过分析每株参照树周围的4株最近相邻木的水平分布状况，以确定整 个林木的水平水平分布格局。根据这一特点，角尺度的调査可分为两种，抽样调査和全面
调查。
抽样调查是在林木分布区域内以机械点抽样方式，布设50个或50个以上的抽样点，调 查离每个抽样点最近的4株树的角尺度，然后统计样地的平均角尺度。根据调查株数和随机 分布^临界值公式求出林木分布是哪种分布格局。
全面调査是利用判角器判读林分内全部单木的角尺度，计算林木的平均角尺度；或利 用全站仪测量样地内全部单木的位置，计算每木角尺度和林木平均角尺度。全面调査主要 用于样地面积不太大(保证有200株或200株以上的树木)，或需要长期定位监测的林分空 间格局。
本发明的方法通过判断角度分析林木水平分布格局，不需要复杂的测距，可借助于抽 样调査获取数据(釆用样线法即仅需调査样线上或距样线最近的树的M就可获得分布信 息)，因此调查简单、可操作性强、成本低、效率高。另外利用角尺度分析林木水平分布格
局时，既可利用角尺度均值^将现实林木水平分布格局相对准确地评判为均匀、随机或团 状分布，也可以利用单个角尺度W值的分布根据经营目标对林分分布格局进行调整。借助 角尺度不仅使数据调査费用縮减，而且使一个详细的格局分析、经营和重建成为可能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，包括步骤A、在林木分布区域内选择多株参照树，并分别分析每株参照树周围的多株最近相邻木围绕该参照树分布的均匀性；B、根据多株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性，分析整个林木的水平分布格局。
2、 根据权利要求l所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的步骤A 中，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性时，首先判断每株参照树的多株相邻木中相邻两株相邻木与该参照树构成的夹角大小的范围；然后根据多个夹角大小的范围的分布情况，分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该 参照树分布的均匀性。
3、 根据权利要求2所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株相 邻木为距参照树最近的4 8株相邻木。
4、 根据权利要求3所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株相 邻木为距参照树最近的4株相邻木。
5、 根据权利要求l所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株参 照树为林木分布区域内的所有树木。
6、 根据权利要求5所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株参 照树大于等于200棵。
7、 根据权利要求l所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株参 照树为林木分布区域内的部分树木，所述的多株参照树间隔分布于林木分布区域内。
8、 根据权利要求7所述的判断林木水平分布格局的方法，其特征在于，所述的多株参 照树大于等于50棵。
全文摘要
本发明公开了一种判断林木水平分布格局的方法，首先在林木分布区域内选择多株参照树，然后判断每株参照树与多株最近相邻木构成的夹角大小范围，并分析每株参照树周围的多株相邻木围绕该参照树分布的均匀性；以此为基础分析整个林木的水平分布格局。该林木水平分布格局判断方法操作简单、易行和方便，不需要精确测距就可以准确、客观的分析和判断林木的水平分布格局，特别适用于大片林木的水平分布格局的分析判断。
文档编号A01G23/00GK101199266SQ20061016512
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者惠刚盈, 胡艳波 申请人:中国林业科学研究院林业研究所