全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
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应用地理信息系统模拟森林景观动态的研究
邵国凡 赵士洞 赵 光 帅国科学院淤。、用生态研究所
, 沈阳
【摘要 】 根据地理信息系统的结构 , 通过数据文件的转换 , 把它与森林动态模型有机地结合起来 , 可实
现对森林景观动态的模拟和预测 这种模拟方法的数据输入灵活 , 运行速度快 , 尤其是它可以获得
一些以各种图表的形式输出的模拟结果 本文用文字和框图详细描述了地理信息系统的组成与结构 ,
及森林动态模型的选择与运行方式 , 并以长白山森林景观为例 , 叙述了这种模拟方法的整个过程
关键词 森林景观动态 地理信怠系统 森林动态模型 动态模拟方法
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引 言
由于森林景观的生态学功能及区域性的森
林经营活动都具有整体性的特点 , 所以对森林
的发生 、 发展过程也要从 整 体 的 角度加以认
识 随着对森林结构与功能认识的不断加深 ,
以及森林经营管理越来越要求集约化 , 所以对
森林景观动态的模拟与预测正显示出极大的必
要性和必然性 。
从本世纪 年代开始 , 森林生态系统的综
合性研究真正地得到了重视和发展 尤其在近
几年里 , 电算技术 、 信息科学及系统科学已 日
益普及 , 正在渗透于森林生态系统研究之中 ,
从而使我们今天有可 能全面而系统地模拟和预
钡完整森林景观的动态变化 本文是对应用地
理信息系统技术模拟森林景观动态变化的研究
方法的尝试
木文于 王。。 年 月 门收到 。
森林景观动态剖析与研究方法
森林景观是指某一特定区域里数个异质森
林群落或森林类型构成的复合森林生态系统 。
它可在功能上分解为森林树木和森林环境两个
组成部分 。 森林景观内部的异质性对这两个组
成部分均有所指 在林木方面 , 林分的年龄 、
树种组成以及林相都不同 在环境方面 , 各种
白然因素都形成自己特有的环境梯度 , 同时又
相互作用在一起 , 所以森林环境变化多端 然
而 , 森林景观还可以在地域上分解为若干个森
林生态系统单元 , 一个森林景观的动态变化就
是这些森林单元在各种不同环境条件控制下的
,
应 用 生 态 学 报 卷
动态变化的总和 这样 , 要模拟森林景观的动态
变化规律 , 首先要涉及把一个完整的森林景观
划分成许多树木的组成都是同质的森林群落单
元 , 然后 , 区域里的各种有效作用环境梯度还
要用图的形式表示出来 , 再与森林群落类型图
进行叠加 , 以确定各个森林群落单元的环境条
件。 归类后可合成一系列森林与环境综合性同
质单元 这样的叠加过程过去要用手工操作来
完成 , 而现在有了地理信息系统技术 , 即使图
形再多与复杂 , 也可容易地 由计算机自动地实
现 综合性同质单元形成后 , 便要模拟每个同
质单元的林分动态变化 。 由于地理信息系统的
数据分析功能有限 , 这个动态模拟过程要由森
林动态模型来辅助执行 如呆所选用的森林动
态模型在这个森林景观区域内处处有效 , 就可
与地理信息系统进行连接 , 从而可以实现森林
景观动态的自动模拟 , 并以地理信息系统的输
出形式把模拟结果表示出来 这一研究方法可
用图 来表示
织管理系统所组成 匕 ’ 其 中软件系统包含
个基本软件 数据输入与检验软件 ,
数据存贮与数据库管理软件 数据输出与
显示软件 数据转换软件 人机对话
软件 而模拟森林景观动态方法所涉及的
功能主要用这 个软件中的前 个来实现 。
的输入数据是根据森林动态模型的参
数要求和运行的初始条件来确定的 , 它们主要
来 自现场调查与公式推算 图 。 数据的存贮
过程以及相应的数据库操作贯穿于整个计算机
模拟过程之中 它 们 涉 及 到林地上地理元素
点 、 线 、 面 的位置 、 拓扑关系和属性
的显示与输出功能通过相应的计算机硬件可以
把森林景观动态模拟的结果分别以图型 、 数字
和曲线等形式直观地表示出来
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地理信息系统的组成与结构
地理信息系统
、
, 缩略为 是一种用来捕捉 、
贮存 、 检查 、 合成 、 处理 、 分析和显示具有地
理座标属性的空间数据 的计算机操作系统 川
它是 由计算机硬件系统 、 计算机软件系统及组
数字化仪
数据库管理 系统
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图 森林景观动态模拟方法示 意图
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图 地理信息系统工 作过程示 意图
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期 邵国凡等 应用地理信怠系统模拟森林景观动态的研究
把 应用于模拟森林景观动态变化的方
法明显地具有这样几个优点 处理大批数
据速度快 , 操作过程也简单易行 能给森
林动态模拟增添更强的功能 , 例如任意挑选森
林地域 , 任意合并或分解森林地域 , 迅速分析
数据的空间特性 , 以及快速查寻某一林地的指
定项 目 的 灵活输出形式 , 例如图及
其相应数据库清单 , 可以把森林景观动态模拟
结果明了 、 直观地从各种角度表示出来
森林动态模型的选择与连接
森 林动态模型是用来模拟 、 预测森林动态
过程或揭示森林动态规律的计算机模拟系统
通常它包括 许 多 描 写森林动态子过程的子模
型 , 例如林木更新 、 生长和枯死模型 。 森林动态
过程模型有多种 川 , 用于模拟和预测森林动态
白铆膜型也叫模拟模型 用于揭示森林动态规律
的模型又 叫机理摸型 。 根据模拟最小单位的不
同 , 森林动态模型 还可分为单木模型和林分模
型两大类 要模拟一个完整森林景观的动态变
化 , 单纯靠某一 森 林 动 态模型是不切合实际
的 , 必须把森林动态模型与地理信息系统有机
地联系起来 , 所以对森林动态模型还要有特殊
的要求 在实际应用中要根据具体情况对森林
动态模型进行筛选 。 选择的标准是 运行
速度快 具有机理性 控制变量有可
获得的 工 数据库 输出项 目不单一 另
外 , 模拟对象及 目的不同 , 森林动态模型也应
不同 。
无论是什么类型 的动态摸型 , 其模拟森林
景观动态的运行过程都按图 所表示的方式来
进行 。 运行模型 的输入及输 出 都 用 来控
制 , 运行的中间过程包括由林分类型和运行时
间决定的循环往复的运算过程 模型运行的开
始基于一任意林木与环境同质单元 读入参数
后 , 以一定时间间隔为步长 , 一直运行到所规定
的时问长度结束 一个同质单元运行结束后 ,
接着运行下一个同质单元 , 但同类同质单元不
林分因子 环境因子
输出
动态数字 动态图形
图 森林动态模型 与地理 信息系统连接原理示 意图
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重复运行 , 以免浪费机时 。 按这样的运行方式
把所有单元都运行完 , 记录全部运行结果 , 最
后转换为用 工 进行各种输出
森林动态模型与 的连接是通过数据文
件之 间相互调用和读取来实现的 通常用各种
计算语言编写的数据文件在 中不能直接利
用 , 且 中的数据库文件用计算语言也不能
直接读取 所以 , 在动态模型和 之间需要一
种特别的数据文件转换 而这种转换本身正是
用地理信息
、
系统与森林动态模型联合模拟森林
景观动态方法的关键所在
模拟方法在长白山的应用
模拟方法的应用对象为长白山自然保护区
内及其邻近的针阔混交林分布地带 研究地面
积为 , 分布于长白山北 坡 海 拔 一
之 间 该林地 的森林分布特 征 根 据 比
。
,
应 用 生 态 学 报 卷
例尺为 的假彩色红外航片来确定 根
据优势树种的不同 , 把该地简单地 分为 大类
型 皆伐迹地 、 次生林 、 阔叶林 、 红松阔叶林
和阔叶红松林 。
这里采用的森林动态模型为 〔“ ’
根据模型的建立原理 , 该模型属于 森林动
态模型 从系统分析的角度看 图 , 该模型
边形所组成 , 而林分与环境同质单元的类形为
个 , 所以森林动态模型要针对这些同质单元
分别运行 次 运行的结果还要代入所有多边
形 , 经过 的数据库处理后 , 可根据要求用计
算机显示或输出森林景观的各种动态变化图
根据由森林类型确定的森林景观动 态 模 拟 结
果 , 就可做出森林类型面积动态 曲线图 图
森林类型图蜜,
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干燥度等值线图
年积温等值线图
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图 森林动态模型 原理与结构图示
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的控制变量为干燥度 、 妻 ℃年积温和光强
状态变量为森林生物量 , 它是对所有林分变量
的一个统称 , 包括林分直径分布 、 树种组成 、
林分蓄积量以及生物量等 中间变量为林木更
新 、 生长和枯死 基准变量为林木年龄 根据
这些变量之间的数个 单 向 作 用环和反馈作用
环 , 模拟的核心问题是最后确定森林生物量
而森林生物量又直接受林木更新 、 生长和枯死
的影响。 同时 , 林木更新 、 生长和枯死又受外
界环境条件 、 树龄和树种耐阴性的影响 , 以及
还受森林生物量的反作用 。
的输入主要包括森林类型图 、 干燥度
的等值线图和 ℃年积温的等值线图 采用
的 软件为 的叠加是通过
中的 子软件来实现的 ,
据此生成林分与环境综合性同质单元图 图
本例比较简单 , 综合性同质单元图由 个多
森林 环境
同质 单元图
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图 森林 环境同质单元图的叠加生成过程图示
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林龄心年 丫 。
图 不同森林类型 在林地 上的面积比重动态图
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阔叶红松林 ,
红松阔叶林 ,
硬阔林 , 次生林
从该图看出 , 经过 年的森林自然演替 , 该地
, 、
期 邵国凡等 应用地理信息系统模拟森林景观动态的研究
区森林类型的面积比重将要发生明显的变化
阔叶红松林和红松阔叶林趋于增多 , 硬阔林和
次生林趋于减少 , 显示出硬阔林取代次生林 ,
红松阔叶林取代硬阔林和阔叶红松林取代红松
阔叶林的必然演替规律
讨论与结论
森林景观动态的模拟 , 是通过森林动态模
型和 工 的有机结合来实现的 是一静态系
统 , 只要与森林动态模型结合起来 , 就能在森
林景观动态模拟中充分发挥它的潜在能力 , 使
它把人的分析智能结合进去 相反 , 森林动态
模型有了 的协助犹如锦上添花 , 大大增强
了它在森林生态系统动态模拟上的威力 , 从而
可以获得许多单纯靠它自己所不能得到的模拟
输出 根据研究目的的不同 , 林分的 输出
可按不同分类原则和标准做出各种主体图 , 如
树种分布图 、 生产力分布图 、 生物量分布图以
及林相分布图等等 。 这样的输出结果将给研究
人员提供说明力很强的分析资料 , 无疑可增强
他们的科学洞察力
本文提出的森林景观动态的模拟方法适合
于各种森林景观 的 动态模拟 同样 的研究方
法 , 还可以扩充应用于其它自然景观的动态模
拟上 随着计算机硬件的 日益强化 , 这种模拟
方法必然要越来越显示其重要的理论和应用价
值 , 并必将得到广泛的使用 。
今 考 文 献
邵国凡 当代森林动态的计算机模型 述 评
生态学杂志 , 肛 一
邵国凡 , 。 长 白山北坡阔叶红松林
生长与演替的计算机模 型 。 中国科学院沈阳应用生
态研究所博士论文 。
牡 , 田
韶 姗 , ,
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