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  世界林业研究  2010, Vol. 23 Issue (1): 28-32  
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引用本文  

陈东立, 王戈, 唐源盛, 等. 北美地区景观情景分析探索技术[J]. 世界林业研究, 2010, 23(1): 28-32.
Chen Dongli, Wang Ge, Tang Yuansheng, et al. Tool for Exploratory Landscape Scenario Analyses in North America[J]. World Forestry Research, 2010, 23(1): 28-32.

基金项目

引进国际先进技术项目(2006-4-23)

作者简介

陈东立(1958-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:3S应用及流域管理

文章历史

收稿日期:2009-10-15
北美地区景观情景分析探索技术
陈东立1 , 王戈2 , 唐源盛3 , 杨兴1 , 臧润国4 , 张炜银4     
1. 四川农业大学都江堰分校, 四川都江堰 611830;
2. 四川九顶山自然保护区什邡管理站, 四川什邡 618400;
3. 什邡林场, 四川什邡 618400;
4. 国家林业局森林生态环境重点实验室, 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091
摘要:自1996年以来, 景观情景分析探索技术在北美地区就被作为景观动态模拟工具, 广泛应用于森林植被恢复与管理过程。其能够模拟森林景观在不同演替阶段、自然干扰和森林经营管理措施下的动态变化情况, 进而评价和预测各模拟因子对森林景观的影响程度。着重介绍了景观情景分析探索技术的应用范围、组成体系、输入数据要求和进行景观情景分析的主要步骤。最后, 通过实例说明该技术体系的具体应用。
关键词景观情景分析探索技术    森林植被恢复    应用实例    北美地区    
Tool for Exploratory Landscape Scenario Analyses in North America
Chen Dongli1, Wang Ge2, Tang Yuansheng3, Yang Xing1, Zang Runguo4, Zhang Weiyin4     
1. Dujiangyan Point, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, Sichuan, China;
2. Shifang Management Station of Jiudingshan Nature Reserve of Sichuan Province, Shifang 618400, Sichuan, China;
3. Forest Farm of Shifang City, Shifang 618400, Sichuan, China;
4. Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration, Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: The Tool for Exploratory Landscape Scenario Analyses (TELSA) has been widely used in forest vegetation restoration and management in North America as a tool for landscape dynamic simulation since 1996.TELSA can simulate the dynamic changes of forest landscape under the various seral stages, natural disturbances and forest management activities, and then make evaluations and predicts the effects of the forest landscape simulation parameters on forest landscape.This paper mainly introduced the application range, the component of TELSA, the requirement of input data and the main steps for landscape scenario analyses.At last, case studies in British Columbia of Canada were adopted to showcase the specific application of TELSA.
Key words: Tool for Exploratory Landscape Scenario Analyses (TELSA)    forest vegetation restoration    case study    North America    
1 景观情景分析探索技术简介

景观情景分析探索技术(Tool for Exploratory Landscape Scenario Analyses, TELSA)是北美地区进行景观情景模拟、森林植被恢复与管理过程中正在应用的一种技术体系。TELSA是在美国农业部林务局和加拿大不列颠哥伦比亚省林业厅资助下研发的系统, 它的1.0版本是在1996年由位于加拿大温哥华的ESSA技术公司的Werner Kurz等在非空间的半马尔科夫模型VDDT (Vegetation Dynamics Development Tool)基础上开发的[1-3]。VDDT是建立在对一定景观特征、植被类型、覆盖状况及林分结构目标调整的基础上, 模拟出潜在植被类型(PVT, Potential Vegetation Types)的一种技术体系。这种潜在的植被类型是在一定的环境条件下优化及稳定的类型, 依据时间的变化、干扰(人为的、自然的)的增加、林分年龄的增长等, 也可以模拟出从一种景观类型以最好的途径变化为另一种优化稳定的景观类型, 但VDDT并不反应空间信息[4-9]

TELSA是一种基于矢量斑块的空间显示动态模型, 是对VDDT技术在空间分析上的进一步扩展, 通过将景观视为由大小、形状、属性不同的斑块组成的动态镶嵌体, 结合GIS技术, 更能反应空间格局和生态学过程之间的相互作用, 很好地在景观尺度上模拟各种生态过程及其相互关系。它能够模拟森林演替、自然干扰、森林经营管理等过程对森林景观的影响。其核心是利用这一工具对森林经营管理和自然干扰进行不同的假设, 在不同的假设条件下, 赋予不同的特征值。通过运用蒙特卡罗方法(Monte Carlo)能够在设定的每一时间阶段, 计算用户定义的干扰和经营管理措施(森林火灾、病虫害和人工促进天然更新等)对森林景观的模拟演替, 从而进一步分析, 模拟出多目标景观情景。由于一些干扰对植被动态变化影响的不确定性, 通过这一工具可对每一种设计的情景做多目标随机模拟, 并且对特定情景可以估计出当采取经营管理措施后林分生长特征的平均值、范围和变差等。依据典型区域或一个森林经营单位(林业局或林场)的自然干扰状况、林分状况、人为干扰和经营管理等的特点, 采用景观情景设计的方法, 可以模拟植被的动态变化过程, 筛选出不同情景下的主要影响因子和相应的经营管理措施[10-11]。经过10多年的发展, TELSA技术体系已日渐成熟, 目前其最新版本为2008年12月发布的3.6版[12-13]

2 TELSA模型的组成

TELSA模型采用模块化设计, 针对不同模块间不同的功能定位, 分别采用Avenue, Visual Basic和C++语言编写相应的模块, 使模型设计更灵活, 更有利于模型的维护、更新及进一步的扩展和完善[4]。它主要由7个模块组成:

图 1 TELSA模型的组成

1) VDDT模块, 这是一个可以单独使用的模块, 主要用于定义演替趋势和干扰强度等生态学过程, 定量地对各种演替和干扰进行不同程度的假设, 最终生成反映景观变化趋势的演替路径图(Transition Pathway Diagram, TPD)。

2) 空间信息设置工具, 基于Arcview的图形用户界面, 用于处理和准备模型运行时所需各种空间信息, 包括专题图准备、研究区域设置、空间情景设置等。

3) 数据库编辑器, 用于编辑存储于数据库中信息的图形用户界面, 编辑内容包括初始信息的导入、演替状态的设置、干扰类型的选取、不同情景的设定等。

4) 模型模拟器, 以批处理的方式从中央数据库中读取和写入信息, 执行已设置好的各种情景, 模拟不同情景下的植被演替动态、自然干扰、人为干扰和管理措施。

5) 空间分析工具, 集成于Arcview中的用于对模拟各阶段的结果进行路径分析和邻域分析等空间分析的模块。

6) 结果输出分析工具集, 包括文件图表输出分析工具和专题图输出分析工具。前者的主要功能是根据用户的不同需求和目的, 输出反映不同情景不同时段信息的文档、表格和统计图; 后者也是基于Arcview的图形用户界面, 主要用于以专题图的形式直观地反映不同情景下景观随时间的推移而发生的动态变化。

7) 中央数据库, 集成Microsoft Access data-base数据库, 用于存储定义初始状态的空间信息和非空间信息、各种模拟情景及其相关参数文件、模型运行的结果等[14-15]。其中, 基于专业GIS软件Arcview的专题图显示和空间分析模块更能以动态直观的方式展现和分析模拟结果, 这也是TELSA相对于其他模型的亮点之一。

3 TELSA模型输入数据的要求[2, 15-17]

TELSA模型主要需要3种类型的数据:1)反映植被覆盖类型及其空间分布状况的数据, 实际操作中通常使用林相图及相应的森林资源二类调查数据, 使用矢量化软件R2V对扫描后的林相图进行数字化处理, 在Arcgis中进行坐标系及投影转换, 通过统一空间数据和森林资源二类调查属性数据的公共字段, 进行图形属性结合, 形成一套具有空间坐标信息的、以小班为单位的森林资源空间数据库。每个小班即可视为一个斑块, 应该包含树种组成、面积、年龄、坡向、坡度、海拔高度、郁闭度和幼树更新等信息。2)反映所研究区域生态过程的信息, 包括群落结构组成、更新演替趋势、各种干扰类型及其强弱和频度等。3)经营管理措施, 包括营林、防火和植被恢复等。

4 用TELSA进行景观情景分析的步骤[2, 14-15]
图 2 景观情景分析流程图
4.1 初始定义

在初始定义中, 需要设置的信息包括研究区域的植被覆盖及其分布状况、森林演替和自然干扰等生态过程及各种经营管理措施。设置研究区域的植被覆盖及其分布状况时, 需要的数据有林相图和森林资源二类调查数据等反映所研究区域某个特定时期植被特征的相关资料。设置森林演替和自然干扰时, 需要了解研究区域的主要植被类型、群落结构组成、更新演替趋势、林龄结构、各种干扰类型及其强弱和频度。因为小班是进行森林经营和组织木材生产的最小单位, 也是调查设计的基本单位, 同一小班有着相似的树种组成、林龄结构和其他相似的植被特征, 所以在实际操作中也把小班作为情景模拟分析的最小的基本单元。使用TELSA时, 需要首先在VDDT模块中定义演替趋势和干扰强度等生态学过程, 在VDDT中, 由不同的植被类型和其所处的不同的演替阶段组合成相应的演替类(Successional Class), 生成反映景观变化趋势的演替路径图(TPD)。TPD定义了不同演替类之间的演替路径、演替时间和随着演替进行而在不同时段发生的病虫害、火灾、人工抚育等事件以及相应事件发生的概率和影响程度。然后再使用空间信息设置工具, 对已矢量化的林相图划分研究区域, 根据研究需要, 设置不同的空间情景, 生成数字化景观分类图。

4.2 情景设置

情景是代表了描述影响景观植被演替动态的一系列模拟参数和规则的结合, 大多数参数和规则都在初始定义时进行设置, 情景设置就是通过选择不同的参数和规则定义不同的情景, 根据研究目的进行生态规划, 如河流缓冲区和特定的野生动植物保护地块的设定等, 从而测试各种假设的情景, 探索最佳的管理方式。

4.3 模型运行

首先进行模型运行的设置, 确定要进行模拟的情景的模拟次数、模拟时间长短等信息; 然后调用模型模拟器, 模拟器就会自动地读取运行指令, 模拟出反映不同经营管理水平、不同干扰类型的情景的植被动态变化, 并将不同模拟时段的结果存储于中央数据库内。

4.4 结果分析

成功运行模型后, 模拟结果可以用空间分析工具进行进一步的处理, 分析研究区域斑块的数量、大小、面积分布的变化和斑块之间的连通性等空间信息的统计学特征; 然后调用结果输出分析工具集, 模拟的结果能以柱状图、饼状图、表格、专题图等方式输出, 从而对所研究区域在不同时段、不同干扰程度和不同管理措施下的景观进行比较分析; 进而对景观现状和不同情景下的预测结果进行比较分析, 从而得出进行模拟的各种因子对景观影响的大小程度。

5 TELSA应用实例

在北美, TELSA被不同的政府科研机构广泛使用。加拿大不列颠哥伦比亚省林业厅、加拿大阿尔伯塔大学景观综合管理项目组、大自然保护协会和美国农业部林务局等使用TELSA分别在加拿大不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省和美国内华达州、蒙大拿州、犹他州等进行了森林植被恢复与管理和野生动植物保护方面的研究[18-20]。TELSA被广泛应用于生物多样性保护、野生动植物栖息地保护、森林和草原等不同类型的植被恢复与管理的实践活动中。

5.1 加拿大国家草原公园情景模拟分析

从2005年起, 加拿大草原生态系统管理项目组(GEMS)就采用TELSA对加拿大国家草原公园(GNPC)进行情景模拟分析, 目的是为国家草原公园的管理者提供图文并茂、空间直观的决策依据。在模拟中, 对一处田云雀的栖息地在多重时空尺度上, 在生物和非生物共同作用下几十年后的动态变化情况作了细致的研究, 在栖息地面临野牛啃噬、火灾和外来物种入侵等干扰的情况下, 通过设定不同模拟情景控制野牛的数量, 以保证田云雀的栖息地不被过度地破坏, 从而在保护野牛和田云雀及其栖息地等多重目标中, 找到最恰当的平衡点[14]

5.2 Tranquille景观区情景模拟分析[21]

Tranquille景观区位于不列颠哥伦比亚省中南部, 面积62 996 hm2, 森林覆盖率74%, 是一片茂密的原始森林, 主要树种为美国黄松、花旗松、黑松和亚高山冷杉, 并且大部分为成过熟林。进行模拟分析的目的是检验在不同自然干扰条件下采用不同的经营管理措施对森林生境演变的影响程度, 从而筛选出合适的措施, 对决策者制定具体的原始森林保护和利用方案起到辅助决策支持作用。

研究重点要解决的问题是:1)确定原始森林核心保护区的范围及其相应的管理措施。2)修定在非核心保护区的采伐方式以降低生境破碎化的程度。为此, Walt Klenner等针对问题一设定了无核心保护区、总面积的15%为核心保护区和总面积的21.5%为核心保护区3大类情景, 针对问题二设定了对景观破碎度较高的区域实施采伐、对景观中斑块面积较大的区域实施采伐和随机采伐3大类情景。分别对不同情景模拟200年, 以25年为间隔期。对模拟结果的分析表明, 以总面积的15%为核心保护区, 对景观中成过熟林所占比例较高、斑块面积较大的区域实施采伐, 最能达到既定的保护和利用目标。

6 结语

TELSA已在北美被广泛应用于生物多样性保护、野生动植物栖息地保护、森林植被的恢复与管理等实践活动中, 具有广泛的应用前景。通过引进、消化和吸收这一技术体系, 可以为我国的景观生态规划、保护、恢复及管理和森林可持续经营提供一种新的方法和途径。

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