【目的】 研究森林火灾发生的时空特征,掌握云南省林火发生的时空分异特征,定量分析林火发生规律,识别林火高发区和易发区,以进行森林火险分布科学区划。【方法】 基于云南省2001—2020年中分辨率成像光谱仪(MODIS)火灾位置/热异常产品数据(MCD14DL),利用火位置信息中所具有的关联性与异质性等,采用统计分析、中心点分析、标准差椭圆法、Ripley’s K 函数、核密度等方法,分析云南省林火发生的时空分布特征。【结果】 ①云南省2001—2020年间林火发生的年际波动较大,2010年出现火点高峰值;季节变化显著,林火主要集中在冬、春两季,春季火点最多且在3月出现高峰值。②林火发生具有显著的区域性特征,林火高发区主要分布在云南省西南部,其次是东南和西北部,东北部林火发生数最少。普洱市是林火发生的中位数中心,其西北部森林火点分布密度最高,核密度值约为0.43;其次是西双版纳州中西部区域,核密度值约为0.34;再者是大理州西北部和文山州东北部区域,这两处核密度值均约为0.26,这4个区域为云南省森林火点分布的热点区。③20年间,林火空间分布的方向性明显,云南省森林火点的总体重心位置正逐步由普洱一带向大理—楚雄—玉溪—红河州一带偏移。④云南省林火的整体空间分布类型为凝聚模式,但聚集程度不高且在逐渐分散。【结论】 2001—2020年云南省林火发生不是完全随机分布的,而是呈现一定的时空分布规律。该特征规律有助于强化区域火情管理,增强重点防火区域的防火建设与宣传,科学安排防火工作,降低林火发生率,实现森林可持续发展。
【目的】 中蒙边境地区二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗草原易发生火灾,对当地生态环境和周边城市安全造成极大威胁。研究中蒙边境草原无风条件下可燃物燃烧火行为参数,可为中蒙边境草原可燃物管理和草原火灾预防提供理论依据。【方法】 通过外业调查、样品采集,运用燃烧床以及热电偶等室内模拟并测定无风条件下可燃物的火行为,对可燃物火行为指标进行模拟分析。【结果】 无风条件下,二连浩特市、东乌旗和新巴尔虎右旗室内模拟燃烧的火强度分别为780.44、805.80和1 195.60 kW/m,蔓延速度分别为0.61、0.45和0.67 m/min,火焰平均高度分别为30.30、35.53、33.90 cm,火焰平均温度分别为481.97、529.33、389.93 ℃,热辐射分别为0.45、1.20、1.44 kW/m2。【结论】 二连浩特市、东乌旗、新巴尔虎右旗草原可燃物阻滞时间分别为28、15、22 s;二连浩特市在发生火灾时温度波动维持的时间较长,火灾隐患大;东乌旗草原可燃物阴燃热辐射接近火焰热辐射,持火力强,具有较大的复燃可能性。
【目的】 探究亚热带地区典型森林类型可燃物载量分配规律,明晰不同森林类型组分单位面积可燃物载量与乔木层蓄积量的关系,为森林可持续经营提供科学依据。【方法】 依据湖州市森林防火普查及补充调查数据,9种亚热带典型森林类型为研究对象,通过样方调查及烘干法,实际测定和计算不同森林类型各组分的单位面积可燃物载量,采用单因素方差分析法分析不同森林类型及各组分的单位面积可燃物载量差异,并对典型森林类型组分的单位面积可燃物载量与乔木层单位面积蓄积量进行线性或非线性回归拟合,分析其相关性。【结果】 绝大多数森林类型的乔木层单位面积可燃物载量显著高于枯倒木层的(P<0.05),枯倒木层的又显著高于灌木层等其他组分(P<0.05),而毛竹(Phyllostachys edulis)纯林枯倒木层单位面积可燃物载量显著高于其他组分(P<0.05);栎类(Quercus spp.)纯林、木荷(Schima superba)纯林及针阔混交林的乔木层单位面积可燃物载量相对其他森林类型较高,针阔混交林、木荷纯林和其他软阔叶林的枯落物层的单位面积可燃物载量较其他森林类型高;回归分析结果表明,绝大多数森林类型单位面积乔木层可燃物载量与蓄积量之间存在着显著的线性正向相关关系,其中栎类纯林相关性最高(R2=0.89),但灌木层、草本层单位面积可燃物载量随着蓄积量的增加呈下降趋势。【结论】 亚热带地区森林的经营管理应充分考虑不同森林类型可燃物载量的分配特征差异及组分间的相互联系。乔木层树种组成对森林地表可燃物的分配具有重要影响,单位面积蓄积量与单位面积可燃物载量关系密切,是森林组分可燃物载量分析和预测的重要参考指标。
【目的】 利用森林火灾风险图可提高有效巡护,优化有限防火资源,基于地形、人类活动、植被和气象因素数据,采用基于机器学习算法构建了林火发生预测模型,对林火防护提供一定的参考。【方法】 以安徽省滁州韭山为研究对象,提取林区的坡度、海拔、坡向、到居住点的距离、到道路的距离、地形湿度指数、归一化植被指数和温度驱动因素,评估火灾发生驱动因子,将潜在驱动因子分成地形、人类活动、植被与气象因素等4类;使用哨兵火灾产品,提取林区内的历史火点,然后采用机器学习算法建立林火发生的预测模型;最后利用混淆矩阵评估指标和接受者操作特征曲线(ROC)进行精度评价。【结果】 植被、温度和到道路的距离是研究区域火灾发生的主要驱动因素。两种模型的ROC曲线表明,逻辑回归预测模型准确度为71.07%,曲线下面积(AUC)值为0.717 2;随机森林模型具有较好的准确性,准确度达到84.91%,曲线下面积值为0.850 1。【结论】 随机森林模型表现出比逻辑回归模型更好的预测能力。森林火灾风险图表明,随机森林模型预测下,研究区11.91% (29.36 km2)位于高、极高风险级别。森林火灾风险图可有效协助林火防护管理者采取适当的林火预防措施,保护森林资源。
【目的】 评估声学指数在神农架国家公园内对动物声音多样性动态变化的响应,探究神农架国家公园声音多样性的变化特征,为当地生态保护提供量化依据。【方法】 在神农架国家公园较大区域内部署了9个声音采集点,连续采集了2021年5—7月的样点声音数据,采用生态声学的方法,从声音数据中提取了声学复杂度指数(ACI)、生物声学指数(BI)、归一化声景差异指数(NDSI)3个声学指数,并探究这3个声学多样性指数夏季的动态变化特征。【结果】 ACI指数在夏季变化的总体趋势并不显著,BI指数呈双峰变化趋势,NDSI指数呈3峰或4峰变化趋势;经Mann-Kendall突变性检验的结果表明,气候和人为干扰是引起指数值突变的主要原因;日变化结果显示ACI指数不能很好地反映日变化趋势,但BI指数和NDSI指数具有明显的日变化趋势,且变化趋势符合物种黎明/黄昏合唱的习性;声学指数随海拔梯度的空间变化结果表明,ACI、BI指数在中海拔区域具有最大值,且ACI指数与海拔相关性较强,NDSI指数没有显著的变化趋势。【结论】 BI、NDSI指数能较好地反映动物声音多样性随时间动态变化趋势,气候变化和人为活动会造成声音多样性的突变。ACI指数能较好说明动物声音多样性随空间的变化,研究区域内声音多样性在中海拔区域最大。
【目的】 地面激光扫描仪(terrestrial laser scanning, TLS)通过获取植物的稠密激光点云,以精细刻画森林的结构参数,如树木骨架和叶面积等。真实叶面积是林学和植物学中表型研究的一个重要参数,而目前在植物科学领域,还没有很好的表型特征测量手段。因此,本研究提出了一种新颖的地面激光点云的叶面积估算方法来评估树木的表型特征指标。【方法】 首先,设计了一种基于小平面区域定位与生长的植物点云的单叶分割算法,实现精准的单叶点云分割提取;其次,以每片叶片法向量与扫描仪入射激光线的夹角、扫描仪与叶片的距离和单叶的点云数量3个参量为输入特征,并结合训练样本与L1+L2正则化多元回归方法获取拟合系数,以反演树冠内所有叶片的面积。最后,将校园内实验树(紫薇、樱花、银杏和香樟)作为研究对象,并将计算结果与实测值进行比对。【结果】 本研究方法相较最小二乘拟合算法,取得了更优的叶面积反演结果。对于两棵小树而言,本研究方法与实测值比对取得了较好的结果:紫薇(R2=0.95,RMSE为0.42 cm2)、樱花(R2=0.92,RMSE为1.87 cm2);对于两棵具有更大树冠和枝叶的大树,本研究方法也取得了较好的结果,分别为银杏(R2=0.83,RMSE为1.24 cm2)、香樟(R2=0.86,RMSE为1.10 cm2)。【结论】 本研究方法面向林木激光点云数据,运用计算机视觉与机器学习技术准确计算树冠内叶片面积,为林木的叶面积计量提供新颖的思路。
【目的】 针对森林碰撞检测研究中存在碰撞检测对象冗余、碰撞响应模式单一性等问题,研究突破碰撞检测算法时间复杂度高、响应模式缺乏与环境因子交互的技术瓶颈,实现虚拟森林场景快速碰撞检测与真实响应。【方法】 以亚热带林业实验中心山下林场的典型林分杉木(Cunninghamia lanceolata)人工纯林为研究对象,选择碰撞检测总消耗的时间t1、包围盒交叉测试时间t2、包围盒构建时间t3、包围盒更新时间t4作为评价指标,比较单一包围盒树(axis-aligned bounding box, AABB)、混合包围盒树体(mixed bounding volume tree, MBVT)算法及引入最近4株树搜索法的MBVT优化算法的碰撞检测效率,分析不同规模大小(20、50、100、200、400、600、800、1 000)及林分株行距(1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m)双因子对碰撞检测效率的影响机制,最后模拟验证考虑光照因子碰撞响应策略的可行性。【结果】 ①相对MBVT算法,基于最近4株树搜索法的混合包围盒层次树MBVT优化算法耗时缩短了13.75 ms,约为原MBVT算法耗时的29%,能有效减少层次包围盒(bounding volume hierarchies, BVHs)交叉测试时间消耗t2与BVHs构建消耗时间t3,而更新时间t4无明显差异。相对单一包围盒层次树AABB,MBVT算法与基于最近4株树搜索法的MBVT优化算法,分别缩短了124.93、138.68 ms,约为单一包围盒层次树法AABB总耗时的73%、81%。②种群规模大小与BVHs碰撞检测总消耗时间t1、BVHs交叉测试时间t2及构建时间t3均表现为正相关性;株行距大小与碰撞检测总耗时间t1与相交测试时间t2呈负相关性,与BVHs构建时间t3无明显关联性;随种群规模增大,株行距减小,总碰撞时间消耗t1、BVHs交叉测试时间t2呈增加趋势,而BVHs构建时间t3几乎没有变化。③相比传统的碰撞响应模式,提出的顾及光照因子碰撞响应模式,考虑了植物的趋光性生长特征,模拟的杉木林虚拟场景更为真实。测试虚拟场景的帧率为8.6 帧/s,准确度为100%,能很好地实现相邻树木之间碰撞检测及其响应。【结论】 引入最近4株树搜索法的MBVT优化碰撞算法,优化混合包围盒层次树法MBVT的碰撞检测对象数量,减少了BVHs交叉测试和构建消耗时间,从而有效提高杉木林虚拟场景的碰撞检测效率;顾及树木生长趋光性的相邻树木碰撞响应算法,通过兰伯特光照模型Lambert Model计算碰撞点周围的光照强度,结合碰撞响应函数完成树木碰撞后可能发生的趋光生长情景模拟,有效解决了森林碰撞响应缺乏与环境因子交互的问题,提高了杉木林虚拟场景的真实感。
【目的】 利用增强Frost局部滤波和单木距离图重构标记技术对冠层高度模型(CHM)进行分割,以提高无人机激光雷达在单木树冠分割的精度和效率。【方法】 选取江西分宜山下实验林场阔叶混交林、针叶混交林和针阔混交林3个不同类型的林分为研究对象,以无人机激光雷达数据为数据源,构建CHM。针对高分辨率CHM树冠区域孔隙较多的问题,利用增强Frost局部滤波处理优化CHM,优化结果与不同滤波方法进行了比较分析;然后应用距离图重构标记分割技术对增强Frost局部滤波优化后的0.1、0.2、0.5及1.0 m分辨率的CHM进行分割与分析;最后确定最佳分辨率的CHM,并其将分割结果与同等分辨率下分水岭算法以及点云分割均值偏移算法结果进行比较。【结果】 采用增强Frost局部滤波处理的CHM优化效果显著,在有效抑制树冠噪音的同时,也能较好地保留图像细节信息。0.2 m分辨率的CHM分割效果最佳。距离图重构标记分割方法分割针叶混交林、针阔混交林、阔叶混交林3种不同林分类型的分割精度(OA)分别为0.96、0.84、0.75;根据树冠分割结果计算单木冠幅,冠幅估测的决定系数R2分别为0.83、0.82、0.71。【结论】 基于增强Frost局部滤波及距离图重构标记技术可实现对激光点云CHM的单木分割和树冠估算,能够满足森林调查和监测的基本需求。
