專利名稱：判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法
技術領域：
本發明涉及一種判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法。
背景技術：
林木水平分布格局是指林木個體在水平空間的配置或分布狀況。分布格局既是種群的 基本數量特征之一，也是種群所處空間結構的基本特征之一。
森林群落中的各喬木種群是群落和生態系統的基本組成成分，以其特有的生態學和形 態學屬性與環境因子相互作用，成為森林生態系統中基本結構與功能單元和聯結群落與個 體的紐帶。
而林木分布格局是種群生物學特性、種內與種間關系以及環境條件的綜合作用的結 果，對未來森林生態系統的物種多樣性、林木的生長和發育等產生決定性的影響，與森林 生態系統的生態穩定性也有關系。因此，研究森林群落的林木水平分布格局類型及其動 態，通過分析林木之間的空間關系、定量描述種群和群落的水平結構，給出種群和群落的 動態變化，可以為森林群落演替趨勢、群落空間行為調整、森林生態系統可持續經營提供 基礎理論。林木分布格局的研究也為生物多樣性保護、森林可持續經營評價等提供可靠依 據。
基本的林木分布格局分布類型有三種隨機分布、規則(均勻)分布和集聚(團狀)分布。
隨機分布(random distribution)是指種群個體的分布相互間沒有聯系，每個個體的 出現都有同等的機會，與其他個體是否存在無關，林木的位置以連續而均勻的概率分布在 林地上。對于任意兩個不重疊的樣地，其上的林木數量是一個隨機變量且相互獨立。也就 是說，林木與其本身所處的位置互不發生影響。正是由于這個中立性隨機分布才得以作為 一個評價任意林木分布格局的尺度。
規則分布(regular distribution)， 又稱為低常態分布(hypodispersion underdistribution)或負集群分布(negative contagious distribution), 是指林木在7JC 平空間中的分布是均勻等距的，或者說林木對其最近相鄰木以盡可能最大的距離均勻地分 布在林地上，林木之間互相排斥。在所有取樣單元中接近平均株樹的單元最多，密度極大 或極小的情形都很少。
集群分布(contagious distribution), 又稱為團狀分布(clumped distribution)、 聚集分布 (aggregated distribution) 或超常態分布 (hyperdistribution overdispersion):與隨機分布相比，林木有相對較高的超平均密度占據的范圍。也就是說 林木之間互相吸引。
目前，林木水平分布格局的研究方法分為兩類——樣方法和距離法。樣方法是將調査 樣地分為小樣方并計數每個小樣方內個體數的調査方法；距離法是量測任意點或樹木到其 最近相鄰木距離的調査方法。
樣方法以樣方抽樣為基礎的，由于計算個體出現的頻率必須給定一個空間范圍，因此 試驗都在樣方中進行。這種方法的缺點是以離散樣方的孤立空間格局為研究基礎，檢驗的 結果依賴于樣方大小和樣本含量，對大面積連續分布的格局缺乏代表性，綜合分析會帶入 較大的主觀性，影響格局判斷的準確性。
距離法是指通過量測點到個體、或個體之間的距離來進行空間格局的量度。適于研究 自然界中占據連續生存空間的生物分布格局。距離法的優點是消除了樣方大小對檢測結果 的影響，缺點是增加了對林分密度的依賴性，野外調査時需要費時耗力地進行準確的定位 和測距，增加了調査難度和成本。另外數據處理需要應用較復雜的數學模型進行數據運 算，不可能在大面積林內即時應用林木水平分布格局分析結果指導森林經營。
總的說來，傳統的林木水平分布格局分析結果通常是一個數值或一個圖形，大都是用 以定性說明空間格局的狀態和類型，不存在具有明確涵義的單個值的分布，可解釋性和可 操作性都不強，無法直接并即時地利用分布格局的分析結果進行格局的調整，或通過格局 調查來指導林分空間結構調整。
發明內容
本發明的目的是提供一種方便、準確、客觀的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方 法。運用該方法對單木周圍相鄰木分布均勻性的進行判斷，可以通過單木周圍相鄰木分布 的均勻性分析大片林木的水平分布格局。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
本發明的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，包括步驟
A、 選擇單木周圍的多株相鄰木，并判斷多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該單木構成 的夾角大小的范圍；
B、 根據多個夾角大小的范圍的分布情況，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性。
所述的步驟B包括步驟
Bl、首先，根據需要選擇一個標準角；然后，將所述多個夾角分別與所述標準角進行 比較；
B2、根據比較的結果，所述多個夾角中小于標準角的夾角所占的比例，判斷多株相鄰 木圍繞所述單木分布的均勻性。
所述的多株相鄰木為距單木最近的4 8株相鄰木。 所述的多株相鄰木為距單木最近的4株相鄰木。 所述的標準角為60。 90° 。 所述的標準角為72。。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻 性的方法，由于根據多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該單木構成的夾角大小的范圍的分布 情況，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性情況。不需要復雜的測距和測角，既可 以準確、客觀的分析和判斷單木周圍相鄰木分布均勻性，又簡單、易行、方便。可通過對單 木周圍相鄰木分布均勻性的判斷，分析大片林木的水平分布格局。
圖la為參照樹與其3株相鄰木的絕對均勻分布示意圖； 圖lb為參照樹與其4株相鄰木的絕對均勻分布示意圖2為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角示意圖3a為參照樹與其l株相鄰木構成的結構單元示意圖3b為參照樹與其2株相鄰木構成的結構單元示意圖一；
圖3c為參照樹與其2株相鄰木構成的結構單元示意圖二； 圖4a為林木間正六邊形規則分布示意圖4b為林木間正四邊形規則分布示意圖； 圖5為標準角優化解示意圖6a為60。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖6b為72。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖6c為90。標準角所表示的4株相鄰木均勻分布的示意圖7a為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角都大于等于標準角時的分布示意圖7b為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角中有l個小于標準角時的分布示意圖
圖7c為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角中有2個小于標準角時的分布示意圖
圖7d為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角中有3個小于標準角時的分布示意圖
圖7e為參照樹與其4株相鄰木構成的夾角中有4個小于標準角時的分布示意圖； 圖8a為林木均勻分布格局示意圖8b為林木隨機分布格局示意圖； 圖8C為林木團狀分布格局示意圖9a為林木均勻分布時，單木的角尺度出現的頻率分布圖9b為林木隨機分布時，單木的角尺度出現的頻率分布圖9c為林木團狀分布時，單木的角尺度出現的頻率分布圖。
具體實施例方式
本發明判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其較佳的具體實施方式
包括， 步驟l、選擇單木周圍的多株相鄰木，并判斷多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該單木
構成的夾角大小的范圍；
步驟2、根據多個夾角大小的范圍的分布情況，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的 均勻性。
所述的步驟2包括，
步驟21、首先，根據需要選擇一個標準角；然后，將所述多個夾角分別與所述標準角
進行比較；
步驟22、根據比較的結果，所述多個夾角中小于標準角的夾角所占的比例，判斷多株 相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性。
上述過程中，選擇單木周圍的多株相鄰木時，最好選擇距單木最近的4 8株相鄰木， 可以是4、 5、 6、 7、 8株等，最好是4株。
當相鄰木為4株時，選擇的標準角為60。 90° ，可以是60、 72、 84、 90°等優選角 度，最好是72° 。
本發明通過判斷相鄰木與參照樹(單木)構成的夾角大小的范圍，來分析參照樹周圍 的多株相鄰木圍繞該參照樹分布的均勻性。
這種方法被稱為角尺度方法，即是指通過分析各單木與其周圍單木所能構成的夾角大 小及其分布來描述相鄰木木圍繞參照樹i的均勻性。下面對這種方法進行詳細的描述。
如圖la、圖lb所示，參照樹i和它的n株最近相鄰木可構成一組位置分布角，絕對均勻 分布時其位置分布角應為360° /n，這個期望值被定義為標準角。
如圖2所示，從參照樹出發，任意兩個最近相鄰木的夾角有兩個，令小角為a，大角
為Ii,顯然，a+1^360° ，參照樹與其最近相鄰木1和2、 l和4、 2和3、 3和4構成的較小 的夾角為Qi2、 a "、 a 23、 a 34。
角尺度(『》被定義為n株最近相鄰木與參照樹構成的所有a角中小于標準角a 。的比 例。用下式來表示-
'l,當第/個a角小于標準角《。 (1)
其中， 7 10,否則
由全林分所有單木的Wi取值，可計算出w值的分布，也就是每種取值可能在林分中出
現的頻率，以及分布的特征值即均值(5)，兩者能反映出林分整體的分布格局。均值(5)
的計算公式為
^士l;巧 (2)
構建角尺度參數的基礎是相鄰木株數n和標準角的大小。經研究可知n二4，標準角a,, =72°為合理取值。
相鄰木株數n的大小決定了空間結構單元的大小。空間結構單元是指林分內最基本的 空間結構單位，由林分中每l株樹(參照樹)以及它的n株最近相鄰木所構成。描述林木水平 分布格局的角尺度參數是在空間結構單元的基礎上進行構建的。
如圖3a、圖3b、圖3c所示，如果在參照樹周圍選擇一株最近相鄰木，即n二l，由2株 樹構成l個結構單元，實際上兩個點不能構成面，2株樹難以構成空間也無法構成夾角，無 法計算角尺度；rF2時，只有兩個互補的夾角，占據的方位太少，或者說3株樹構成的結構 單元最多只能涵蓋參照樹周圍一到兩個方位的樹木空間關系，其他方位的情況不得而知。 由2株或3株樹構成的結構單元提供的空間信息是殘缺的，信息量很不完整(圖3) 。 n=3 時，由4株樹構成的結構單元其分布類型共有4種很均勻、均勻、不均勻和很不均勻，缺 乏描述隨機分布的中間過渡狀態，因此信息量也是不夠的。并且3株樹能夠占據的方位也很 難全面涵蓋參照樹周圍，容易形成格局的有偏估計。
從人的感知和判斷方向的習慣而言，在野外調査空間結構時，最多可以考慮參照樹周 圍的4個方位東、南、西、北的樹木分布情況，而多于4個方位，直觀判斷起來就一定的 困難。在野外實地調査時，4個方位已經足以概括一株參照樹與之周圍相鄰木的相對方位關 系，4株最近相鄰木可占據四個方位，而且4株最近相鄰木與參照樹構成的結構關系有5種 很均勻、均勻、隨機、不均勻、很不均勻，生物學意義十分明顯，因此參照樹與其4株最近 相鄰木就構成了比較合適的林分空間結構單元。『4是適宜的相鄰木株數。
在提出角尺度概念時，考慮到自然界中幾乎沒有正好等于絕對均勻的分布角，故將標
準角的大小直接地定義為《。=360° /n(1±(U)。按照角尺度的定義，如果標準角過大， a〈a。的概率就大，均勻分布被誤判為不均勻分布的可能性增加；反之，a〉ciu的概率就 大，分布格局易被誤判為均勻分布。可見，標準角是影響角尺度使用精度的一個關鍵因 子。它的取值大小必然存在一個優化的選擇過程。
對參照樹i的4株最近相鄰木而言，絕對均勻分布時其位置分布角均為90。，但自然 狀態下，絕對均勻幾乎不可能達到。
如圖4a、圖4b所示，理論上，自然界中存在兩種具有最大規則性的分布即正六邊形分 布和正方形分布，這兩種最大均勻分布中相鄰木的夾角分別為6(T和90° 。據此標準角的 可能取值范圍為60°《a。《9(T 。
如果采用6(T作為標準角，很容易將單側分布誤判為均勻分布，因此，60°偏小。林 木分布為絕對方形的情況并不常見，說明標準角應小于9(T 。
因此，如圖6a、圖6b、圖6c所示，標準角必然在60。和90°之間，可能是兩者的中
值。兩者的中值有三種算術平均值(7=75° )、幾何平均值(^0=73.5° )、協調平均值 (^/=72° )。其中，協調平均值^/的計算公式為
、=i 2 i = 72° 60。 90°
由此可知^^《^《f，由角尺度的定義(a〈a。)可知，當選擇協調平均值
(^"=72° )作為標準角時，其它兩種均值亦屬于均勻的范疇，覆蓋面廣，故72°是標準角 的恰當取值。
另外，如圖5所示，介于60°和90°之間的a。角，在誤差范圍都是^時應滿足下列方
程
a0 2 60°.(l + x) (3) a0S90°.(l-X) (4) 當^=0.2，對應的a。:72。，也可證明該角度的合理性。
標準角也應該是能夠等分圓周的均勻角。72°正好是圓周5等分時的相鄰木夾角，從 這一點上看72°也是合適的標準角。
由圖6a、圖6b、圖6c可見，最優的標準角所表示的均勻分布的程度若差于絕對均勻分 布，但較單側分布而言又不失其均勻性,這也許就是自然界的模糊性所在。
如圖7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e所示，在上述基礎上構建的角尺度Wi取值共有5
種，從0到1表示4株最近相鄰木在參照樹周圍的分布格局由特別均勻到聚集的分布。
K =0:所有a角都大于或等于a 。(很均勻);
K =0. 25: l個a角小于a 。(均勻)；
『,=0.5: 2個a角小于a。(隨機)；
『,=0. 75: 3個a角小于a 。(不均勻);
『,=1:所有a角小于a 。，(很不均勻)。 如圖8a、圖8b、圖8c、圖9a、圖％、圖9c所示，整個林木分布區域中，各單木每種Wi 值出現的頻率以及角尺度平均值(i)，可反映林分整體的分布格局。當林木的分布格局從 均勻向隨機、再向團狀分布變化(圖9)，角尺度分布則由不對稱到對稱、再到不對稱。典 型的均勻分布林分，角尺度分布0.5取值左側的頻率明顯高于右側，甚至集中于O取值；隨 機分布林分的角尺度分布在O. 5取值兩側的頻率基本呈對稱分布；團狀分布中O. 5取值右側 的頻率則明顯高于左側。
當林木的分布格局從均勻到隨機再到團狀分布時，^由小到大。由此可知，可利用^ 判斷林木的分布格局。分布格局從均勻分布到團狀分布的漸變過程中，隨機分布處于兩者 中間，只要界定了隨機分布的^取值范圍，另外兩種分布的^取值范圍也就一目了然。
研究證明，株數小于200株或者面積小于2500m2的樣地無法有效代表林分的分布格局，
因此為了確定隨機分布的^的范圍，分別在50X50、 60X60、 70X70、 80X80、 90X90和 100X10(W的樣地內，株數從200株開始每次遞增50株直到株數達到1000株為止，在每種面 積的每種株數下模擬產生1000個隨機分布的林木分布格局(在計算『,值時，為了消除處于樣 地邊緣樹的系統影響，設置緩沖區，將處于緩沖區的林木僅作為潛在的最近相鄰木加以計 算)。按照99%的可靠程度，并引入Korf數學模型，確定計算隨機分布^臨界值的公式。
-0.65173
上限，(擬合精度MSE=0.00021， R2=0.96， n=102) 一O 58755jc_ o.377668
下限_V = 0.5e ,(擬合精度MSE=0.00025， R2=0.91， n=102)
其中x為調查株數，y為在此株數下的隨機分布i的臨界值，MSE為殘差平方和，W為 相關指數，n為樣本數。
^值大于或等于公式上限的林分為團狀分布，^小于或等于公式下限的林分為均勻分布。
角尺度參數是通過分析每株參照樹周圍的4株最近相鄰木的水平分布狀況，以確定整 個林木的水平水平分布格局。根據這一特點，角尺度的調査可分為兩種，抽樣調査和全面 調査。
抽樣調查是在林木分布區域內以機械點抽樣方式，布設50個抽樣點，調査離每個抽樣 點最近的4株樹的角尺度，然后統計樣地的平均角尺度。根據調査株數和隨機分布^臨界值 公式求出林木分布是哪種分布格周。
全面調査是利用判角器判讀林木分布區域內內全部單木的角尺度，計算林木的平均角 尺度；或利用全站儀測量樣地內全部單木的位置，計算每木角尺度和林木平均角尺度。全 面調査主要用于樣地面積不太大(保證有200株以上的樹木)，或需要長期定位監測的林分 空間格局。
本發明的方法通過判斷角度來判斷單木周圍相鄰木分布的均勻性情況，不需要復雜的 測距，簡單方便、可操作性強、成本低、效率高，可通過對單木周圍相鄰木分布均勻性的 判斷，分析大片林木的水平分布格局。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于，包括步驟A、選擇單木周圍的多株相鄰木，并判斷多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該單木構成的夾角大小的范圍；B、根據多個夾角大小的范圍的分布情況，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性。
2、 根據權利要求l所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于，所述 的步驟B包括步驟Bl、首先，根據需要選擇一個標準角；然后，將所述多個夾角分別與所述標準角進行 比較；B2、根據比較的結果，所述多個夾角中小于標準角的夾角所占的比例，判斷多株相鄰 木圍繞所述單木分布的均勻性。
3、 根據權利要求1或2所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于， 所述的多株相鄰木為距單木最近的4 8株相鄰木。
4、 根據權利要求3所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于，所述 的多株相鄰木為距單木最近的4株相鄰木。
5、 根據權利要求4所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于，所述 的標準角為60° 90° 。
6、 根據權利要求4所述的判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，其特征在于，所述 的標準角為72°。
全文摘要
本發明公開了一種判斷單木周圍相鄰木分布均勻性的方法，首先選擇單木周圍的多株相鄰木，并判斷多株相鄰木中相鄰兩株相鄰木與該單木構成的夾角范圍；然后根據多個夾角大小范圍的分布情況，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性。可以首先根據需要選擇一個標準角；然后，將所述多個夾角分別與所述標準角進行比較；根據比較的結果，多個夾角中小于標準角的夾角所占的比例，判斷多株相鄰木圍繞所述單木分布的均勻性。既可以準確、客觀的分析和判斷單木周圍相鄰木分布均勻性，又簡單、易行、方便。可通過對單木周圍相鄰木分布均勻性的判斷，分析大片林木的水平分布格局。
文檔編號A01G23/00GK101199267SQ20061016512
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月13日 優先權日2006年12月13日
發明者惠剛盈 申請人:中國林業科學研究院林業研究所