一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法

本发明属于红树林建模领域，特别涉及该领域中的一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法。

背景技术：

1、近年来，人们逐渐意识到海岸湿地植被可有效消减外海波浪能量。特别是生长在低纬度地区的潮间带红树林，曾在多起极端灾害事件（如2004年印度洋海啸）中发挥重要的海岸防护作用，研究表明100米宽的红树林植被带（密度为0.3株/平方米）足以将海啸波浪力衰减90%以上。此外，红树林在防洪促淤、适应海平面上升、净化海水、维持生物多样性以及固碳储碳等方面均发挥着极为重要的生态服务作用，被誉为“海岸卫士”和“海洋绿肺”。

2、现阶段，国内外学者围绕红树林消浪开展了大量物理模型试验研究。简便起见，试验中往往将具有复杂结构形态的红树林简化为小尺度刚性圆柱阵列，忽略了不同水位条件下复杂根系和冠层对消浪作用的额外影响。图1（a）是现有技术中概化红树林支柱根的简易模型示意图；图1（b）是现有技术中概化红树林树冠的简易模型示意图。而且，通过野外观测发现，处于不同树龄期的红树林的胸径、树冠、树高及根系的结构形态和数量存在较大差异，其消浪效果也会随之发生改变，然而此方面研究仍存在较大空白，目前人们对于不同树龄红树林对波浪衰减的影响机制知之甚少。以往的简化方法没有考虑红树林的树龄结构组成对波浪衰减的影响效果，难以实现对真实自然环境中处于不同生长期红树林的消浪护岸效果进行精准评估。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，通过历史数据获取不同树龄红树林的胸径、树高、冠层高度、冠层宽度、叶面积指数和分布密度，建立红树林参数数据集；

5、步骤2，基于步骤1所建立的参数数据集，使用非线性回归分析法，构建以树龄为自变量，胸径为因变量的数学模型；

6、步骤3，基于步骤1所建立的参数数据集，使用非线性回归分析法，构建以胸径为自变量，树高、冠层高度、冠层宽度、叶面积指数和分布密度为因变量的数学模型；

7、步骤4，在红树林根系形态模型中，以曲线二次方程的形式表示红树林根系；构建出以胸径为自变量，以根高、根展距离、根直径和根与水平线夹角为因变量的数学模型。

8、进一步的，步骤1中的历史数据包括实测数据和遥感数据。

9、进一步的，步骤2中以树龄为自变量，胸径为因变量的数学模型为：

10、，

11、上式中，dbh为胸径，a为树龄，为拟合dbh-a关系式的曲线系数。

12、进一步的，步骤3中以胸径为自变量，树高、冠层高度、冠层宽度、叶面积指数和分布密度为因变量的数学模型为：

13、，

14、上式中，h为树高，n为分布密度，ch为冠层高度，cw为冠层宽度，lai为叶面积指数，为拟合h-dbh关系式的曲线系数；为拟合n-dbh关系式的曲线系数；为拟合ch-dbh关系式的曲线系数；为拟合cw-dbh关系式的曲线系数；为拟合lai-dbh关系式的曲线系数。

15、进一步的，步骤4中表示红树林根系的曲线二次方程的形式为：

16、，

17、上式中，为根高，为根高为时的红树林树干到树根的根展距离，为根展距离为时树根距离地面的高度，为代求参数；

18、。

19、进一步的，步骤4中以胸径为自变量，以根高、根展距离、根直径和根与水平线夹角为因变量的数学模型为：

20、，

21、上式中，为最高根高；

22、，

23、上式中， m为根数量，为为第个根高；

24、，

25、上式中，为根直径；

26、，

27、上式中，为根与水平线的夹角。

28、进一步的，步骤1中的历史数据包括实测数据和遥感数据。

29、本发明的有益效果是：

30、本发明方法考虑了树木形态和森林特征随树龄的变化，树龄是影响植被波浪衰减效果的重要因素，红树林的大小、形状、树干、树冠和树根密度也是决定其波浪衰减能力的因素，由于树龄和胸径之间具有明显的正相关，并呈一定的规律性变化，通过胸径对红树林物理模型进行建模会对不同树龄红树林对波浪衰减机理的研究起重要作用，更能揭示树龄与植被消波率的相关关系，提高植物消波率的模拟精度，进一步促进红树林的恢复，并扩大复杂红树林模型的应用场景。

31、本发明方法构建了考虑树龄的复杂根系及树冠模型，不仅能够更加接近模拟真实的红树林，还能提高红树林消波率的模拟精度。考虑红树林复杂根系及幼、中龄红树林冠层淹没时对消减波浪的影响，对于促进红树林的养护和恢复以及估计红树林所提供的海岸防护如何随时间演变至关重要。

技术特征：

1.一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于：步骤1中的历史数据包括实测数据和遥感数据。

3.根据权利要求1所述考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于：步骤2中以树龄为自变量，胸径为因变量的数学模型为：

4.根据权利要求1所述考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于：步骤3中以胸径为自变量，树高、冠层高度、冠层宽度、叶面积指数和分布密度为因变量的数学模型为：

5.根据权利要求1所述考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于：步骤4中表示红树林根系的曲线二次方程的形式为：

6.根据权利要求1所述考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，其特征在于：步骤4中以胸径为自变量，以根高、根展距离、根直径和根与水平线夹角为因变量的数学模型为：

技术总结
本发明属于红树林建模领域，本发明公开了一种考虑树龄、树冠、树干、树根的消浪红树林建模方法，包括如下步骤：步骤1，通过历史数据建立红树林参数数据集；步骤2，构建以树龄为自变量，胸径为因变量的数学模型；步骤3，构建以胸径为自变量，树高等为因变量的数学模型；步骤4，以曲线二次方程的形式表示红树林根系；构建数学模型。本发明方法构建了考虑树龄的复杂根系及树冠模型，不仅能够更加接近模拟真实的红树林，还能提高红树林消波率的模拟精度，对于促进红树林的养护和恢复以及估计红树林所提供的海岸防护如何随时间演变至关重要。

技术研发人员：王延续,邱泉林,尹则高,张旋,尹大鹏
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24