Based on former work, Xinjiang Tianshan forest ecology station and Xinjiang University, set up a large scale permanent plot in northern Picea schrenkiana var. tianschanica forest covering 8 hm2 and then all-around investigation on the plot have been carried out favourably in order to make the long-term observation and research. On the base of its foundation and investigation, the three-dimension visualization analysis and management of the basic information of the plot have been realized based on GIS. This study work is essential and useful for the long time management and maintenance, the refreshment and analysis of basic information and investigation data, the detailed illustration of forest community movements of this large scale permanent plot. It also provides a beneficial case for same work about forest ecology.
全 文 ：第 !" 卷 第 #$ 期
% $ # # 年 #$ 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1#$
2345!% $ # #
天山云杉森林 Y ;+C 样地的建立及三维可视化管理!
张毓涛#6常顺利%6芦建江#6李6翔#6王6智%6师庆东%6张新平#
"#1新疆林业科学院森林生态研究所6乌鲁木齐 :7$$$%# %1新疆大学绿洲生态教育部重点实验室6乌鲁木齐 :7$$!8$
关键词’6天山云杉# 大型固定样地# h(&# 三维可视化
中图分类号! &"9"666文献标识码!,666文章编号!#$$# A"!::"%$####$ A$#"; A$9
收稿日期’ %$#$ A$# A#:# 修回日期’ %$#$ A$7 A%:&
基金项目’ 国家林业局公益性行业科研专项"%$$:$!$%%’$ !新疆维吾尔自治区林业科技专项资金项目"天山北坡经济带山地森林生态系
统服务功能及其价值研究$ &
!感谢新疆大学资源与环境科学学院生态学专业 $8 级本科生和部分 $: 级研究生付出的辛苦劳动&
6#-4*!:#&*.*-+#’*’$.&,$H*7*&,"*(#’(S$/);-**PH%+*’/%,’
Q*#&%^*(%’)%#’/;#’5,-*/$
n?IFEOP4I/#6’?IFE&?PF0D%6-P JDIF\DIFE#6-DLDIFE#6RIFEn?D%6&?D]DFEU/FE%6n?IFELDFKDFE#
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%18%(91:#$1’#$(#;Y1&-&<.#*#+(#;I-2-&’$(#;
KNC@IFNF4K0/4DF F/C4?NCF @-.%1 &./$%2O-121 [IC5’-12&./12-.1 X/CNV43/[NCDFE: ?@% IFU 4?NF I0‘IC/PFU DF[NV4DEI4D/F /F
4?NK0/4?I[NYNNF 3ICCDNU /P4XI[/PCIY0WDF /CUNC4/@IZN4?N0/FE‘4NC@/YVNC[I4D/F IFU CNVNIC3?52F 4?NYIVN/XD4V
X/PFUI4D/F IFU DF[NV4DEI4D/F! 4?N4?CNN‘UD@NFVD/F [DVPI0D^I4D/F IFI0WVDVIFU @IFIEN@NF4/X4?NYIVD3DFX/C@I4D/F /X4?NK0/4
?I[NYNNF CNI0D^NU YIVNU /F h(&5+?DVV4PUWM/CZ DVNVVNF4DI0IFU PVNXP0X/C4?N0/FE4D@N@IFIEN@NF4IFU @IDF4NFIF3N!
4?NCNXCNV?@NF4IFU IFI0WVDV/XYIVD3DFX/C@I4D/F IFU DF[NV4DEI4D/F UI4I! 4?NUN4ID0NU D0PV4CI4D/F /XX/CNV43/@@PFD4W
@/[N@NF4V/X4?DV0ICENV3I0NKNC@IFNF4K0/45(4I0V/KC/[DUNVIYNFNXD3DI03IVNX/CVI@NM/CZ IY/P4X/CNV4N3/0/EW5
>*9 ?,-(/’6@-.%1 &./$%2O-121 [IC5’-12&./12-.1# 0ICENV3I0NKNC@IFNF4K0/4# h(&# 4?CNN‘UD@NFVD/F [DVPI0D^I4D/F
66大型固定样地"简称大样地$能够为人们系统
地了解生物多样性%群落动态%物种共存机制等问题
提供翔实%充分%长期的数据 "马克平! %$$:# 兰国
玉! %$$"$& 因此!通过建立大型固定样地开展森林
生态系统定位研究越来越受到重视 "叶万辉等!
%$$:# 张建侯等! #;;!# ’/FUD4! #;;: $& #;:$ 年!
&4NK?NF TPYYN0和 k/YDF Q/V4NC在巴拿马的 GICC/
’/#/CIU/岛建立了第 # 个大型监测样地!美国
&@D4?/FDIF 研究院 热 带 森 林 研 究 所 " &@D4?/FDIF
+C/KD3I0kNVNIC3? (FV4D4P4N$热带森林科学研究中心
"’NF4NCX/C+C/KD3I0Q/CNV4&3DNF3N!’+Q&$建立的热
带森林监测网络则是大型固定样地最优秀的代表之
一& 大样地的建设有效监测了物种的时空分布模
式!为研究物种多样性的维持机制%物种空间分布格
局%群落动态%自然干扰等提供了重要的研究平台!
并取得了大量成果"兰国玉! %$$"$& 因为大型固定
样地的大量信息需要长期连续的积累!因此!建立一
个类似于管理信息系统的大样地基本信息三维可视
化系统是确有必要的&
新疆天山森林在全国森林生态系统网络中独具
特色!天山森林生态系统定位研究站是全国大*十+
字形网络系统中的一个重要环节!是干旱%半干旱区
森林生态定位观测站的典型代表 "张毓涛等!
%$$7$& 开展长期的森林生态定位观测与研究!有
必要借鉴 ’+Q& 大样地建设的思路和方法"周红敏
等! %$$;# 韦希勤! %$$$ $!建设永久性观测的大
样地&
%$$; 年 8(: 月!经过相关调查研究!新疆林业
科学院联合新疆大学在天山北坡的天山森林生态系
统定位研究站建立了一个 : ?@% 的固定样地!并对
样地进行了全面调查& 在大样地调查数据基础之
上!本文借鉴前人在三维处理技术方面的工作 "刘
阳等! %$$;# 解向利等! %$$"# 杨雪银等! %$$:# 韩
敏等! %$$!# 吴协保等! %$$## 孙建军等! %$$;$!利
林 业 科 学 !" 卷6
用 h(& 工具实现了对该大样地基本信息的三维可视
化管理&
@A样地的建设
#1#6样地概况6该 : ?@% 的大型固定样地位于天
山中段北坡的新疆天山森林生态系统定位研究站!
如图 # 所示& 天山森林生态站是国家林业局森林生
态系统定位研究网络 "’?DFNVNQ/CNV4)3/VWV4N@
kNVNIC3? *N4M/CZ!’Q)k*$之一!位于距乌鲁木齐市
9$ Z@的板房沟林场!地理位置为 :"=%"b%:19t(:"=
%:b!"1"t)! !7=%!b!:17t(!7=%8b#"1;t*! 海 拔
# ;$: c% "#$ @!年平均气温 %1$ d!历年平均极端
最高温为 7$19 d%极端最低温为 A7$1% d# <$ d
的无霜期 :;17 天!##$ d积温为 # #"$19 d# 年降
水量 9"%1" @@!最大积雪深度 89 3@# 属温带大陆
性气候!因受造山运动%第四季冰川及独特的生物气
候等因素的长期综合作用!形成了以天山雪岭云杉
"@-.%1 &./$%2O-121$为主体的寒温带山地针叶林&
地被植物主要有天山云杉 "@-.%1 &./$%2O-121 [IC!
’-12&./12-.1$%黑果小檗 "D%$:%$-&/%’%$#=#A1$%红果
小檗"D%$:%$-&20GG0*1$-1$%忍冬" 9#2-.%$1 VK5$%天
山花楸" ,#$:0&’-12&./12-.1$%黑果荀子 ")#’#2%1&’%$
G%*12#.1$=0&$%蔷薇 ">#&1 VK5$%绣线菊 " ,=-$1%1
/(=%$-.-;#*-1$%老鹳草"R%$12-0G A1/0$-.0G$%天山羽
衣草 "3*./%G-*1 ’-12&./12-.1$%羊角芹 "3%+#=#A-0G
=#A1+$1$-1$等&
图 #6固定样地区位示意
QDE5#6&ZN43? @IK /X4?NKNC@IFNF4K0/4
66该 : ?@% 的固定样地为 %$$ @"南北向上坡$ e
!$$ @"东西向等高$!海拔介于 # ;9: c% #:: @之
间& 若以东西向为 $=!则样地向西北顺时针偏
角 #!;=&
#1%6样地建立6通过对站内森林群落分布%地形%
人为干扰等因素进行充分调查后!选定样地坐标原
点!记为*$$$$+& 于图纸上按 %$ @e%$ @的森林
标准样方"共 %$$ 个$逐步划定 : ?@% 大样地!在每
个 %$ @e%$ @样方的顶点规划好样方界桩的坐标
标号!如*$##9+!前 % 位*$#+为行编号!后 % 位*#9+
为列编号!以样地原点开始依次编号&
从原点起始!使用全站仪将按 %$ @e%$ @的森
林标准样方逐步划定 : ?@% 样地& 在每个 %$ @e
%$ @样方的顶点做好临时性标记!然后埋设永久性
标准水泥界桩"#$ 3@e#$ 3@e"$ 3@$!界桩露出地
表 %9 3@!把预先定好的标号用颜料喷涂在对应的
界桩之上&
使用全站仪确定每个界桩基点时!记录每相邻
% 点之间的相对高差%坡面角度%测量方向%斜面距
离等& 由于林间通透性和地形等因素的影响!工作
中适当通过位置转点来确定各样方基点!直至整个
: ?@% 固定样地界桩基点确定工作全部完成&
$:#
6第 #$ 期 张毓涛等’ 天山云杉森林 : ?@% 样地的建立及三维可视化管理
CA样地调查
样地界桩基点全部确定后!组织专业人员分组
依次对每个 %$ @e%$ @的样方内胸径 "距地表
#17 @处$大于 # 3@的所有木本植物"包括藤本植
物和灌木$进行每木检尺& 为便于调查并避免遗
漏!用样方绳将 %$ @e%$ @样方 "以下简称大样
方$继续划分为 ! 个 #$ @e#$ @的样方"以下简称
小样方$!以样方东北角基点坐标为起点!依顺时针
方向将 ! 个小样方以坐标系统命名为 "#!#$!"#!
%$!"#!7$!"#!!$!在 ! 个小样方内仍然依顺时针方
向逐步开展工作&
在所有胸径大于 # 3@的木本植物的胸径"距地
表 #17 @处$处!涂上红漆作为标识!并在红漆标识
上方 %$ 3@以上部位按顺序涂写该株树木在大样方
内的编号# 如果某植株在胸径以下有分株!则在每
个胸径大于 # 3@的分株胸径处均漆以油漆标识并
按次序编号# 若在胸径处有分枝!则在梢下方做标
识!编号!视为 # 株# 若植株不及 #17 @高!则视为
幼株加以记录# 对于灌木由于分枝太多!则以丛为
单位编号!选择其中较大分枝进行测量& 比如!标识
编号 *%$a!9+意味着该株树木所在的大样方编号为
%$!并且该株树木在第 %$ 号大样方内为第 !9 株被
调查的树木!依次类推&
对每一株涂写编号和标识的树木"或分株$!用
胸径尺测量胸径%用测高仪测量株高%用皮尺测量其
在大样方的坐标位置"E!($!坐标统一为以样地的
行作为 P轴%以样地的列作为 6轴& 从大样方内第
# 个样方的第 # 个标识植株开始!按编号顺序调查!
直到完成该大样方所有标识植株的调查& 同时!在
统一规范的样方调查表上!记录每株调查树木的样
方编号%植株编号%树种名称%胸径%株高%坐标等信
息& 最后!清查大样方内所有胸径小于 # 3@而未调
查的幼苗种类和株数!清查大样方内所有枯立木
"无论胸径是否大于 # 3@$和倒木"胸径大于 # 3@$
的种类%株数%胸径%株高%坐标等信息!同样记录于
调查表上&
每日工作完成后!对所调查的数据进行整理!并
将整个大样地内的植株按大样方顺序和大样方内的
编号顺序进行排序重编号!起始记录为*$$$$#+!依
次递进& 按此编号制作铭牌!并于次日在对应的植
株上钉上该标号的铭牌&
调查结果表明’ 在该 : ?@% 大样地内!胸径小
于 # 3@的天山云杉幼苗 8 ;"# 株# 胸径大于 # 3@
的天山云杉 ## "77 株!平均胸径 #%1" 3@%平均树高
;1; @# 胸径大于 # 3@的黑果小檗 7% 株%天山花楸
%; 株%忍冬 %" 株%黑果荀子 ! 株!另有蔷薇%绣线菊
各若干丛&
: ?@% 大型固定样地的调查工作完成后!对所
有调查信息归类整理进行初步统计分析并形成初级
数据库!由专家对样地建立情况及调查结果进行复
查%验收& 专家验收合格后!以本次样地建设和调查
为基础!计划逐步将该 : ?@% 固定样地扩展为 9$
?@%!并且每 9 年复查 # 次!为天山云杉森林大型固
定样地的长期定位观测研究打下坚实基础&
E6样地基础信息的三维可视化实现
71#6地形模拟6利用 ,C3h(&;17 等 h(& 软件!将由
hS& 测量的样地 ! 个顶点经纬度数据导入 ,C3h(&
HNVZ4/K 中!生成5V?K 格式的点文件& 由于 hS& 测
点误差以及全站仪在建立样地时的测量误差!! 个
顶点所构成的矩形与标准的 %$$ @e!$$ @存有可
接受的微小差距& 为了使地形模拟得准确!通过软
件编辑功能将顶点略做微调!使得大样地在可视化
的 h(& 图层中为标准的 %$$ @e!$$ @矩形& 按照
小样方基桩的测点信息!按照小样方的实际在软件
内将样地划分为 %$$ 个 %$ @e%$ @的样方!生成所
有基点的5V?K 格式点文件&
根据该样地建立时所测量的各基点之间的坡度
值!配合样地 ! 个顶点的海拔高程值 "hS& 测量$!
编制程序计算出样地内每个基点的海拔!将此高程
信息对应的编辑到每个基桩的空间属性数据中& 通
过 ,C3h(&;17 的空间分析模块!采取适合等高线的
样条曲线插值方法!生成该 : ?@% 固定样地的等高
线地形图!精度为 $19 @!见图 %&
图 %6本大型固定样地等高线地形图
QDE5%6’/F4/PC0DFN4NCCIDF @IK /X4?NKNC@IFNF4K0/4
#:#
林 业 科 学 !" 卷6
71%6植株加载6根据样地调查数据整理!生成字段
分别为植株编号%坐标"E!($%胸径%株高的表文件#
再由校正后的大样地原点的大地坐标!通过编制程
序推算出每株植物的大地坐标!并重新生成表文件!
然后导入至 ,C3h(& HNVZ4/K 中& 经加载!得到全部
调查植株的点文件& 由于样地有一定偏角!通过编
辑工具追踪%空间配准等方法!对所有植株点文件进
行校正!最终得到每株被调查的植株在图件中准确
的空间位置!同样生成5V?K 格式的点文件&
地形模拟与植株加载的 % 步工作为整个大样地
基础信息的三维仿真模拟打下了基础&
7176样地三维仿真模拟6利用 h(& 软件中的 7H
分析工具"7HIFI0WVDV‘’CNI4Naf/UDXW+(*’CNI4N+(*
QC/@QNI4PCN$!将等高线地形图"图 %$生成不规则
三角网 "4CDIFEP0I4NU DCCNEP0ICFN4M/CZ!+(*$地形模
型& +(*地形模型是以三角形作为构成地形模型的
基本面元!它直接利用原始采样点进行地形表面的
重建!由连续的%相互联结的三角网组成& 利用晕渲
方法通过选取该 +(*图层的 KC/KNC4DNV‘VW@Y/0/EW!选
择 IUU 添加按钮!选择一种晕渲方法"XI3NN0N[I4D/F
MD4? ECIUPI4NU 3/0/CCI@K$& 根据高程属性赋予图件
一个颜色集!用不同的颜色表现地形的起伏变化!则
生成 +(*地形效果图!见图 7&
图 76大型固定样地 +(*地形效果图
QDE576+(*4NCCIDF NXN34@IK /X4?NKNC@IFNF4K0/4
在 ,C3&3NFN中!同时加入 +(*地形效果图%样
地基点和植株的5V?K 格式点文件!以 +(*表面为相
对基础高程!在 ,C3h(& 自带的三维植株模型库中对
不同树种选取较合适的植株图示!对各基点选用三
维点柱进行叠加!通过飞行录制等操作可得到该大
样地的三维模拟演示效果!见图 !& 图 ! 只是对样
地三维效果进行示例!在实际操作过程中可以根据
需要任意叠加%旋转%飞行等直观查询&
图 !6固定样地三维效果图
QDE5!6+?CNNUD@NFVD/F NXN34@IK /X4?NKNC@IFNF4K0/4
71!6样地基础信息的管理6样地基础信息的三维
可视化实现后!通过 ,C3h(& 软件的相关模块可以实
现对样地本身及植株的各类位置信息和状态信息
"属性$进行定位查询%实时更新%统计分析等工作&
与传统的固定样地信息管理系统不同!除具有完整
的样地数据库!可以对样地属性数据进行查询%更
新%编辑%统计外!更重要的是它具有地理信息!可同
时将地形因子"海拔%坡度%坡向$与森林群落演替%
植物生理%生长%空间格局%多样性%人为干扰等结合
起来开展研究!同时它的可视化效果使得对森林群
落动态的刻画更为直观& 这对该 : ?@% 大型固定样
地的长期管理与维护!对天山云杉森林群落演替特
征分析等具有非常必要的基础性作用&
G6讨论
经新疆林业科学院森林生态研究所与新疆大学
绿洲生态教育部重点实验室合作!历时 7 个多月!在
天山森林生态系统定位研究站终于建立了 : ?@% 的
天山云杉森林大型固定监测样地!并且最终实现了
对该样地基础信息的三维可视化管理与分析&
需要说明的是!由于工作中只对样地内的地形
数据做了实际测量!而对样地外的地形尚未开展大
%:#
6第 #$ 期 张毓涛等’ 天山云杉森林 : ?@% 样地的建立及三维可视化管理
范围的实测工作!所以!虽然样地内的三维模拟场景
与实际情况高度一致!但样地外的地形则与实际情
况有一定出入& 另外!本工作只是在 ,C3h(& 自带的
三维植株模型库中对不同树种选取较合适的植株图
示!而没有综合利用其他软件进行自行创建!这在一
定程度上减弱了最终模拟效果的逼真程度& 后续的
工作将对上诉略微缺憾进行必要的弥补&
在实测地形数据的基础上!利用 ,C3h(&;17 对
其进行三维仿真模拟在森林及生态信息资源管理中
尚不多见"张贵等! %$$;# 谢绍锋等! %$$"# %$$;#
冷文芳等! %$$:# 刘献伦等! %$$"$!特别是在对大
型固定样地管理中的应用更少& 该 : ?@% 大型固定
样地是借鉴了 ’+Q& 大样地建设的思路和方法并结
合天山森林生态系统定位研究站实际情况建立起来
的!这为天山北坡云杉森林长期定位监测研究打下
了坚实基础& 相信本工作的有益尝试可以为同类大
型固定样地工作提供有益借鉴&
参 考 文 献
韩6敏! 陈6明! 李威国5%$$!5基于 ,C3h(& 的扎龙湿地三维显示
模块的开发研究5计算机工程与应用! !$"%%$ ’ %$% A%$95
兰国玉5%$$"5世界热带森林生态系统大样地定位研究进展5西北
植物学报! %""#$$ ’ %#!$ A%#!95
冷文芳! 代力民! 贺红士5%$$:5三维可视化软件在辽东山区森林
生态系统管理中的应用5应用生态学报! #;""$ ’ #!7" A#!!%5
刘献伦! 王6丽! 宋光新! 等5%$$"5森林三维场景的综合开发5山
东林业科技! #"#"!$ ’ !$ A!#5
刘6阳! 张培松! 韦仁川! 等5%$$;5基于 ,C3h(& 三维地形可视化
及其应用研究(((以阳江农场为例5广西农业科学! !$ "8 $ ’
""% A""85
马克平5%$$:5大型固定样地’ 森林生物多样性定位研究的平台5
植物生态学报! 7%"%$ ’ %7"5
孙建军! 雷相东! 洪玲霞! 等5%$$;5通用森林样地调查统计分析系
统设计与开发5计算机技术与发展! #;":$ ’ #;7 A#;85
韦希勤5%$$$5几种特殊情况下的固定样地测设方法5华东森林经
理! #!"#$ ’ !# A!%5
吴协保! 丁贵杰5%$$#5试验林固定样地信息处理系统5山地农业
生物学报! %$"!$ ’ %98 A%8$5
谢绍锋! 肖化顺! 郭6丽5%$$;5森林资源信息三维虚拟仿真系统
研究5福建林业科技! 78"#$ ’ #!8 A#9$5
谢绍锋! 肖化顺5%$$"5虚拟森林资源信息三维可视化中树模型的
生成方法5中南林业调查规划! %8"#$ ’ !7 A!"5
解向利! 刘焰春! 皮亦鸣5%$$"5三维地形生成及其可视化处理研
究5计算机仿真! %!""$ ’ %79 A%7:! 7$!5
杨雪银! 万成兵! 吕光荣5%$$:5基于 ,C3&3NFN的三维地形可视化
研究与实现5科技信息! "7%$ ’ %9 A%85
叶万辉! 曹洪麟! 黄忠良! 等5%$$:5鼎湖山南亚热带常绿阔叶林 %$
公顷样地群落特征研究5植物生态学报! 7%"%$ ’ %"! A%:85
张建侯! 张克映! 沙丽清! 等5#;;!5西双版纳生态站热带雨林定位
研究样地的自然概况及其特征5资源生态环境网络研究动态!
9"%$ ’ !" A!:5
张毓涛! 白志强5%$$75新疆天山云杉森林生态系统定位研究的初
步设想5新疆农业科学! !$"!$ ’ %%! A%%85
张6贵! 洪晶波! 谢绍锋5%$$;5森林资源信息三维可视化研究与
实现5中南林业科技大学学报! %;"%$ ’ !; A9!5
周红敏! 惠刚盈! 赵中华! 等5%$$;5林分空间结构分析中样地边界
木的处理方法5林业科学! !9"%$ ’ # A95
’/FUD4k5#;;:5+C/KD3I# X/CNV43NFVPVK0/4V’ @N4?/UVIFU CNVP(4VXC/@
GICC/’/0/CIU/(V0IFU!SIFI@IIFU I3/@KICD/F MD4? /4?NCK0/45
&KCDFENC‘.NC0IEIFU kh-IFUNV’/@KIFW!79 A"$5
!责任编辑6石红青"
7:#