基于FPS-ATLAS的多目标森林空间规划应用研究

摘要

对森林生态环境、碳、木材产量和生物多样性日益增长的关注要求森林经营管理者在时间和空间上制定合理的森林规划，来满足多目标、多资源的森林需求。本研究基于FPS-ATLAS模型提出了应用于吉林省汪清林业局金沟岭林场16629.53ha的森林的多目标决策支持的森林空间规划方案。目的是为了实现森林资源的动态管理，并能满足多种约束设置，实现多种经营目标，收获木材产品的同时，还能保证森林的生态功能和社会功能，使森林最终达到可持续的理想状态。并且得出了以下的结论:
　　1、FPS-ATLAS模型在空间角度上考虑森林多边形，把营林系统、轮伐期和林分生长与收获都分配至每个多边形，使用分级搜索算法来对多边形进行分级，形成采伐的序列，并根据优先级来安排采伐计划。把这个模型和算法应用于金沟岭林场进行以10年为一个时间周期的运算，实时、准确、动态的反映规划时期内所有小班和林班的变化，并把这些数据显示在图形中。这种方法搜索速度很快，对金沟岭林场1334个小班，设置多种经营目标和约束，以200年为规划时期的运算中，每次所需的时间约为3s～4s。
　　2、根据林分的生态功能和优势树种组来划分复杂的天然和人工混交林，分别是白桦、阔叶混交林、人工落叶松、人工针叶混交林、针阔混交林和针叶混交林。建立了6种林型的蓄积量生长模型，并根据采伐强度，把这6种蓄积量生长模型进行调整，成为可变采伐强度的生长模型系列。并尝试把碳储量模型引入到本研究中，动态反应整个规划时期内碳储量的变化规律，在运行结果中显示了较好的效果。
　　3、对金沟岭林场设置不同的空间约束，包括对保留地带的禁止采伐，对不同龄组的林分采取不同的经营措施，相应设置采伐强度来限制林分的过度采伐，以及保护幼龄林生长发育的郁闭年龄约束等，然后根据每年的木材采伐量来制定最合理的采伐流量，制定了两种供选的规划方案。方案的运行结果都能实时、动态的反映每个小班的面积、蓄积、采伐、碳储量、生态演替等的详细变化。
　　4、对比两种不同的规划方案，具有郁闭年龄约束的规划中，20个时间周期后，森林总蓄积量生长至2034121m3，无郁闭年龄约束的规划中，总蓄积量变为1784082m3。对于实际的采伐量，无郁闭年龄约束的规划平均提高241.37％，需保留的地带平均提高14.82％;对于经营地带，平均降低22.95％;总生长量也是降低的，平均降低20.64％。
　　无郁闭年龄约束的规划在160年以上的林分采伐量小，全部都比有郁闭约束的情况小，平均减少61.57％。在121～140年的林分中，多数为负值;在101～120年的林分中，12时间周期之前都是负值;81～100年林分中，4～10时间周期内为负值。在0～80年的林分中，大多数时间周期内都是正值，变化较大。
　　对于立木材积，无郁闭年龄约束的规划采伐量较大，生长量相对较小，幼龄林中，无郁闭年龄约束的规划的立木材积一般都比有郁闭年龄约束的规划少，平均降低60.43％;中龄林相类似，除1时间周期外，平均是80.48％;近熟林中，除2，3时间周期为正值，平均降低54.92％;成熟林变化幅度较大，最大降低了98.97％（2周期），最大增加了195.88％（15周期）。过熟林除2周期为增加252.86％外，其他最小降低16.25％（16周期），最大是100.00％（4～8周期）。
　　5、经过20个经营周期的规划后，金沟岭林场的有林地面积为16299.55ha，在有郁闭年龄约束和邻接约束的规划中，总蓄积量变化率为7.75％，总采伐量为1516733m3，碳储量总量提高19.58％，在无郁闭年龄约束的规划中，总蓄积量变化率为-5.49％，总采伐量是5391549m3，碳储量总量提高0.32％。
　　基于多目标决策支持技术的森林空间规划方案具有可操作性，在现实森林经营活动中是急需的，这个模型的框架为森林可持续经营带来了新的技术。

目录

摘要

1 森林空间规划与可持续经营概述

1．1 前言

1．2 课题来源

1．3 项目背景及必要性

1．3．1 背景

1．3．2 必要性

1．4 森林可持续经营管理与森林生态系统

1．4．1 采伐方案与生态环境目标

1．4．2 森林的可持续经营必须重视生态系统

1．4．3 森林经营和生态环境保护

1．5 多目标经营与决策支持系统(DSSs)

1．6 森林空间规划概述

1．6．1 非空间结构分析与优化经营模型概述

1．6．2 森林空间规划和优化经营模型概述

1．6．3 森林空间规划的概念

1．6．4 森林空间规划问题

1．7 森林空间规划与优化经营模型研究进展

1．7．1 资源利用空间优化模型

1．7．2 林分空间结构分析与优化经营模型

1．8 本研究主要内容和技术路线

2 研究地概况和基本数据整理

2．1 研究地区概况

2．1．1 自然条件

2．1．2 森林资源状况

2．1．3 森林经营历史

2．1．4 主要开展的科学研究与实践

2．2 金沟岭林场资料收集

2．3 优势树种组的划分

2．3．1 优势树种组生态功能划分

2．3．2 林场林地分布概况

2．3．3 龄组的划分

3 森林空间规划模型建模和求解概述

3．1 森林空间规划建模技术

3．1．1 模型分类

3．1．2 数学优化技术

3．1．3 模拟技术

3．1．4 元启发式技术

3．2 模型求解方法

3．2．1 随机搜索(Random Search)

3．2．2 模拟退火(Simulated Annealing Search)

3．2．3 大洪水算法(Great Deluge Algorithm)

3．2．4 界限接受法(Threshold Accepting Search)

3．2．5 1-opt移动禁忌搜索(1-opt move Tabu Search)

3．2．6 1-opt和2-opt移动禁忌搜索(1-opt and 2-opt moves Tabu Search)

3．2．7 基因算法(Genetic Algorithm)

3．2．8 混合基因算法／禁忌搜索(Hybrid Genetic Algorithm／Tabu Search)

3．2．9 其他方法

4 ·FPS森林空间规划基本功能的实现

4．1 FPS-ATLAS模型简介

4．2 基本空间单位

4．3 FPS基本界面

4．4 地图浏览器

5 基于FPS构建金沟岭林场森林空间规划方案

5．1 森林空间规划的原则、方针和目标

5．1．1 森林空间规划的主要原则

5．1．2 经营方针

5．1．3 森林空间规划目标

5．2 优势树种组蓄积量生长模型的建立

5．3 碳储量模型

5．4 约束条件设置

5．4．1 FPS所执行的约束

5．4．2 郁闭年龄和邻接约束

5．4．3 禁止采伐的约束

5．5 采伐强度和生长曲线的调整

5．5．1 采伐强度的设计

5．5．2 生长曲线随采伐强度调整

5．6 FPS的求解过程

5．7 采伐量设计方案(Harvest Flow)

5．8 FPS空间规划方案

5．8．1 有郁闭年龄约束的规划方案

5．8．2 无郁闭年龄约束的规划方案

5．9 两种规划方案的对比

5．9．1 采伐量、面积和生长量

5．9．2 立木材积的差异

5．10 规划目标的评价

结论与讨论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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