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1、河北省林业科学技术研究项目河北省林业科学技术研究项目申请书申请书项目名称：基于项目名称：基于 ArcGIS 技术对技术对落叶松种群结构特征分落叶松种群结构特征分析及调整的研究析及调整的研究 类类 别：应用研究别：应用研究申请单位：河北省木兰围场国有林场管理局申请单位：河北省木兰围场国有林场管理局协作单位：协作单位： 项目负责人：张建华项目负责人：张建华 起止年限：起止年限：2016 年年 10 月至月至 2017 年年 12 月月申报日期：申报日期： 2016 年年 8 月月 28 日日联系电话：联系电话：0314-79368032一、目的、意义及国内外发展状况及趋势一、目的、意义及国内外发展
2、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
3、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
4、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3林地空间中的有关地理分布数据进行采
5、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，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
6、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，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。4二、研究目标、研究内容、预期成果及技术经济指标二、研究目标、研究内容、预期成果及技术经济指标（说明
7、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（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
8、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。（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预期成果及技术经济指标51.建立冀北山地
9、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 4）技术关键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。63、试验规模和地点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
10、，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。74、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）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
11、的经营技术成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：89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
12、）组织实施方案1、准备阶段：2016 年 10 月至 12 月 10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
13、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
14、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，11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
15、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。要注明六、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。要注明名称、规格、数量）名称、规格、数量）12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、 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，与我场有过长期的科研协作关系。其他课题组人员都工
