CN106096305A - 森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，属于森林抚育间伐技术领域，根据本发明中提出的一系列模型，以及所建立线性规划目标函数和约束方程，利用OFFICE的EXCEL中的“规划求解”选项，求解拟开展抚育间伐林分的各树种各径级林木的间伐株数和保留株数，并结合设计经验和生产要求以及间伐效果，可通过所提供的部分约束值的人‑机交互，修正方案，使得间伐后林分结构最好、间伐间隔期末的林分总生产量最大，获取满意的间伐设计方案。据此发明得到的优化设计方案，用于开展森林抚育间伐生产，能使森林的结构最好、产量最大，从而最大限度地发挥森林的生态功能和经济效益。

Description

森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法

技术领域

本发明涉及森林抚育间伐技术领域，特别涉及一种森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法。

背景技术

森林结构和生长、功能和质量都影响人类生存环境(气候、水源、土壤、空气等)。在林业的森林经营与管理中，森林抚育间伐是改善森林结构、促进森林生长、强化森林多种功能、提高森林质量的最重要的手段。

然而，我国的森林抚育间伐技术还很落后，没有得到应有的重视。特别是抚育间伐设计技术，简单、粗放，多凭生产经验设计，没有效果预测。具体体现在：

(1)某森林是否有必要开展抚育间伐？间伐效果如何？靠简单判断。

(2)间伐木是哪些？间伐强度多大？凭经验粗放设计。

(3)间隔期是多少？间隔期末产量有多大？不能定量预测。

(4)间伐后郁闭度怎样控制？如何保证间伐后总生产量最大？不能优化计算。

(5)如何将优化法和经验法相结合，进行人机交互快速优化设计，有效解决上述问题？亟待发明。

与本发明相关的现有技术一是：温带寒温带森林抚育间伐方法，发明者：何玉琦(1996年)。

该发明属于森林抚育间伐技术类，是通过森林分别类型的特点和各种树种的生物特性，本着培育优质高价林的原则，对由多种类树种组成的整体森林，按幼、中龄林各种不同的林相、林层结构依据所划分的条件，将森林分成同龄单层林组、同龄近似单层林组、同龄复层林相、异龄复层林组四个林相组和林相类型、林分起源、林层郁闭度等因子，进行抚育间伐措施，最终达到森林最终目标林层结构。

现有技术一的缺点

该发明，只注重分层间伐，人为判断确定间伐对象，调整林分树种组成，没有考虑如何使间伐后林分总生产量保持最大的问题，这也是本发明要解决的主要问题。另外，该技术属“人为主观判断”的“定性”抚育间伐，而本发明属“人机结合优化”的“定量”抚育间伐。

与本发明相关的现有技术二是：一种天然次生林抚育间伐对象木选择方法(专利编号：201310559470，发明人：吕勇；刘发林；曾思齐；肖化顺；熊露桥；吕飞舟；刘玉；罗鹏飞，中南林业科技大学，专利类型：发明专利，申请日：2013.11.12，公开日：2014.02.19)。

该发明公开了“一种天然次生林抚育间伐对象木选择方法”，它结合次生林特点及经营目标，选择影响次生林中林木被确定为抚育间伐对象概率大小的定量指标，如自由度、混交度、健康指数、目的树种特性指数、空间密度指数和开阔比数。应用层次分析法求算6个定量指标的权重。根据构建林木的间伐指数ICIi的指标的生物学意义，分析各指标(作为自变量)与间伐指数(作为因变量)之间的相关关系，以林木的间伐指数ICIi由大至小排序来确定优先抚育间伐对象木。本发明方法使用方便、操作简单、效率高、精度满足要求。

现有技术二的缺点

该发明只提供一种如何确定抚育间伐对象的方法(即ICIi指数法)，用于确定间伐哪些林木(或保留哪些林木)，同样没有解决“如何抚育间伐才能保证间伐后林分的总生产量最大”的问题。

本发明的理论基础、依据及其缩略语和关键术语定义

(1)林分

在森林中，某一区域地段的林木特征或环境特征明显不同于其相邻地区域段，则该区域地段就称为是一个林分，其相邻的其它不同的区域地段就是其它不同的林分。一片森林是由若干林分组成。不同的林分，其特征不同，应该采取不同的经营措施，包括抚育间伐方案也不同。

(2)森林抚育间伐

指自森林郁闭至成熟之前的幼龄林、中龄林、近熟林等生长阶段，进行定期、定量而重复伐除部分林木的森林采伐。目的是促进保留林木生长、改善森林结构、强化森林多种功能。也可称抚育间伐、抚育采伐、抚育伐、间伐等。

(3)抚育间伐方法

①下层间伐法

是指在主林层下层选取树高低、胸径细、生长落后的部分林木做为砍伐对象的一种抚育间伐方法。目的是消除生长不良林木，改善林内卫生、通风、光照条件，提高保留木生长空间、促进保留木生长。

②上层间伐法

是指在主林层上层选取高大、粗壮、生长优势、抑制其它林木生长的部分林木做为砍伐对象的一种抚育间伐方法。目的是消除优势霸王木，解放中、下层大部分林木，促进其生长。

③综合间伐法

是指既在主林层下层选取生长劣势林木、又在上层选取生长优势林木做为砍伐对象的一种抚育间伐方法。目的是促进中庸木的生长。

(4)人机交互

本发明的“人机交互”是指抚育间伐优化方案设计过程中的人机互动。即：抚育间伐设计者在给定一组“设计方案”约束项的数值后，EXCEL进行优化的“规划求解”，根据EXCEL“求解”结果，设计者根据专业知识，结合设计经验和生产要求，再改变某一项或某几项约束值，EXCEL再优化“求解”，设计者通过若干次改变约束项的数值，根据EXCEL若干次“求解”所得的“优化”方案，从中选择“满意”的抚育间伐设计方案。从而发挥计算机EXCEL的规划优化功能和设计者的专业实践知识，此过程可称为“人机交互”式抚育间伐设计。

(5)规划求解

“规划求解”是系统工程学的量化、优化技术，是OFFICE的EXCELL中的加载项。用于对用户在开发有关应用模型的基础上，进行优化求解。本发明的方案设计指标的“优化”是利用EXCEL的“规划求解”加载项功能得以实现的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，旨在解决“如何进行优化设计，使间伐后的林分保证结构良好、总生产量最大”的问题。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：一种森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，包括以下步骤：

S1.通过野外样地调查获取林分的径级株数分布特征数据；

S2.根据S1获取的特征数据，自动生成抚育间伐优化设计所需的样地统计表、株数分布图和间伐设计表；其中，间伐设计表包括下层间伐法优化方案设计表、综合间伐法优化方案设计表和上层间伐法优化方案设计表；

S3.结合S2的各种表项选择至少一种间伐方法，间伐方法包括下层间伐法、综合间伐法和上层间伐法，利用OFFICE的EXCEL中的规划求解选项，根据模型建立线性规划目标函数和约束方程，求解拟开展抚育间伐林分的各径级林木的间伐株数；

S4.如果对EXCEL所得的最优解不满意，再进行人机交互，修改相应的约束项，利用EXCEL的规划求解加载项重新优化求解，获得满意的优化方案为止。

作为优选，S1所述的野外样地调查，采用无边界样圆法，调查工具为林业常用的测高器、轮尺、围尺和测绳。

作为优选，S3所述的模型包括林木冠幅胸径模型：

Cw＝1.1047-0.03113*Ht+0.16662*D

Cw-林木冠幅直径，Ht-林分优势高，D-林木胸径。

作为优选，S3所述的模型还包括林冠覆盖度模型：

P＝N*Cw^2*3.14/4/10000

P-林分林冠覆盖度，Cw-冠幅直径，10000-公顷平米。

作为优选，S3所述的模型还包括间伐蓄积、间伐期末蓄积和总生产量模型：

(1)间伐蓄积

为林分间伐木材积之和：

M_间＝N_间*V_间＝ΣNi_间Vi_间

N_间-间伐木株数，V_间-间伐木平均单株材积，Ni_间-第i径级间伐木株数，Vi_间-第i径级间伐木单株材积；

(2)间伐间隔期末林分蓄积

为间伐林分间伐间隔期末保留木蓄积之和：

M_留＝N_留*V_留＝ΣNi_留Vi_留

N_留-间伐间隔期末保留木株数，V_留-间伐间隔期末保留木平均单株材积，Ni_末-伐间隔期末第i径级间保留木株数，Vi_留-间伐间隔期末第i径级保留木单株材积；

(3)总生产量

为林分间伐蓄积与间伐林分间伐间隔期末林分蓄积之和：

M_总＝M_间+M_留。

作为优选，S3所述的线性规划目标函数如下：

决策变量为间伐林分各径级的保留株数Ni_留，目标函数为间伐林分间隔期末总生产量最大：

max M_总＝M_间+M_留＝N_间V_间+N_留V_留＝ΣNi_间Vi_间+ΣNi_留Vi_留

＝Σ((Ni_前-Ni_留)Vi_间)+Σ(Ni_留Vi_留)

Ni_前-间伐前林分第i径级株数。

作为优选，S3所述的线性规划约束条件方程包括：

(1)各径级保留株数约束之一

各径级保留株数要小于或等于相应径级最大保留株数：

Ni_留≤Ni_前*Pi_大/100

Pi_大-第i径级最大保留株数强度，由人机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构；

(2)各径级保留株数约束之二

Ni_留≥Ni_前*Pi_小/100

Pi_小-第i径级最小保留株数强度，由人机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构；

(3)间伐后林分保留总株数约束

间伐林分总保留株数要小于或等于间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林分株数：

ΣNi_留≤N_末郁1

N_末郁1＝10000/Cw^2/0.5

Cw＝1.1047-0.03113*(Ht+(D_末-D_后))+0.16662*D_末

Cw-间隔期末冠幅直径,Ht-林分优势平均高，D_末-间隔期末林分平均胸径，D_后-间伐后林分平均胸径；

(4)间伐前后林分平均断面积约束

间伐后林分保留木平均断面积要大于或等于间伐前林分林木平均断面积，即间伐后林分平均胸径要大于等于间伐前林分平均胸径：

Σ(Ni_留*Di^2)/N_末郁1≥Σ(Ni_前*Di^2)/N_前总

N_末郁1-间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林木株数，N_前总-间伐前林分的林木株数；

(5)间伐株数强度约束

间伐株数强度要小于或等于最大间伐株数强度：

(N_前总-ΣNi_留)/N_前总*100≤P_株

P_株-最大间伐株数强度，可根据生产需要和设计技术通过人机交互确定输入值；

(6)间伐材积强度约束

间伐材积强度要小于或等于最大间伐材积强度：

Σ((Ni_前-Ni_留)*Vi)/Σ(Ni_前*Vi)≤P_材

Ni_前-间伐前第i径级株数，Ni_留-第i径级保留株数，Vi-第i径级单株材积；P_材-最大间伐材积强度，可根据生产需要和设计技术通过人机交互确定输入值；

(7)间伐间隔期末林分蓄积量约束

间伐间隔期末林分蓄积量要大于等于间伐前蓄积，即保证蓄积量不能越伐越少：

V_末*ΣNi_留≥Σ(Ni_前*Vi)

V_末-间伐间隔期末林分平均单株材积，Ni_留-第i径级保留株数，Ni_前-间伐前第i径级株数，Vi-第i径级单株材积；

(8)间伐后郁闭度约束

间伐后保留木树冠覆盖度要小于等于规定值P：

Σ(Ni_留*Cwi^2*3.14159/4)/10000≤P

Cwi-第i径级冠幅直径，P-间伐后保留木树冠覆盖度限制值。

作为优选，S4所述的人机交互修改约束各项数值时，要根据如下约束原则进行修改：

株数强度≤约束株数强度 保留株数≤最大保留株数

材积强度≤约束材积强度 保留株数≥最小保留株数

伐后冠覆≤约束伐后冠覆 期末蓄积≥伐前蓄积

保留株数≤期末疏1.0株数 伐后胸径≥＝≤伐前胸径

在以上原则约束下，适当增加或减小约束项的数值，修改后再进行规划求解，即得到修改方案参数后的优化方案。

本发明的有益效果：本发明根据林业经营单位的森林现状调查数据(即小班调查)，可进行林业生产中的抚育间伐方案优化设计，利用OFFICE的EXCEL中的“规划求解”选项，根据本发明提出的一系列模型，建立线性规划目标函数和约束方程，求解拟开展抚育间伐林分的各径级林木的间伐株数，并结合生产经验，通过人机交互，修正方案，使得间伐后林分结构最好、间伐期末的林分总生产量最大。据此发明得到的优化设计方案，用于开展森林抚育间伐生产，能使森林的结构最好、产量最大，从而最大限度地发挥森林的生态功能和经济效益。经多方案模拟研究结果表明：与现行的抚育间伐设计技术相比，本发明的森林抚育间伐方案优化设计的设计效率可提高50％以上，使森林总生产量提高10％以上。

附图说明

图1为本发明的流程方法示意图；

图2为间伐前后各树种径级株树分布图；

图3为无边界样圆法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

S1.抚育间伐野外样地调查,若要进行抚育间伐方案设计，必须先开展抚育间伐林分的野外样地调查，获取设计林分的胸径(径级)株数分布等特征数据。

具体操作如下：

a)打印野外调查表(表1、表2)，用于抚育间伐方案设计的野外样地调查。

b)野外样地调查，采用无边界样圆法(图3)。调查工具为林业常用的测高器、轮尺、围尺、测绳等。

图3说明：

1)林分边界(虚线)与样圆分布(十字交叉)

2)样圆半径3～5米，密度大，半径小。

3)样圆间距5～10米，林分大，间距大。

4)在样圆内每木检尺胸径和5株优势树高，填入样地调查表。

c)将调查结果分别填入表1和表2。

d)室内设计前再野外调查表内的数据填入EXCEL电子表格中的表1和表2。

注：如使用iPAD，可直接在野外将调查数据录入EXCEL表格中的表1和表2。

S2.获取“样地统计表、株数分布图、间伐设计表”

根据填写的EXCEL表1和表2，自动生成抚育间伐优化设计所需的“样地统计表、株数分布图、间伐设计表”。其中，“间伐设计表”包括“下层间伐法优化方案设计表、综合间伐法优化方案设计表、上层间伐法优化方案设计表”(EXCEL表3～表6、图2)。

S3.选择间伐方法，输入表中所需的各项约束值

①选择间伐方法

选择间伐方法是通过“人机交互”，选择“满意”间伐设计方案的基础。

设计者结合林分特征(表1～表3)、生产实际和设计经验选择间伐方法(表4～表6)，可以选择其中之一进行间伐设计，以寻求“满意”间伐设计方案；也可选择其中之二或三种方法进行间伐设计，通过“人机交互”比较，选择其中的一个“满意”间伐设计方案提交上级部门批准、交付抚育间伐生产使用。

②输入表中所需的各项约束值

在表4或表5或表6的“约束1”和“约束2”各项中输入相应的约束要求数值，就是开始“人机交互”间伐设计。具体方法和要求是：

a)如“约束1”中，在“落松最大保留％”的“6”径级单元格内输入“50”(即落松这个树种6cm径级的间伐后最大保留株数强度约束限制数值为50％，亦即最多可以保留50％的6cm径级的落叶松株数)，“落松最小保留％”的“6”径级单元格内输入“0”(即落松这个树种6cm径级的间伐后最小保留株数强度约束限制数值为0％，亦即可以全部间伐砍掉)；

b)再如“约束2”中，在“期末径级”中输入“16”(即抚育间伐间隔期末预期想要达到的径级厘米约束数值为16cm)。

c)其中，表4～表6的约束2中“伐后冠覆”的约束输入值为0.5～1.5(伐后郁闭度越小，“伐后冠覆”的约束输入值越小)；表4“下层间伐法优化方案设计表”中的“约束2”中的“调整系数”约束值输入范围为1.1～1.5(密度越大、被压木越多的林分，其“调整系数”约束值越大)。其它如举例。

d)实际设计中，如果生产方面没有特殊要求，各约束值可不需人为输入，使用系统提供的默认值即可开展优化求解，如果对系统所得的最优解不满意，再进行“人机交互”，根据经验和需求修改相相应的约束项，然后重新优化求解。

S4.间伐设计方案优化“规划求解”

输入并确认上述各约束项的具体数值后，便可实施“规划求解”，即获取间伐设计优化方案。方法如下：

a)“规划求解”有解情况下的“人机交互”获得满意设计方案

选择EXCEL菜单栏“数据”中的“规划求解”选项卡(在屏幕的右上角)，再点击出现选项卡窗口中的“求解”选项。当EXCEL求解后弹出的窗口中有“规划求解找到一解，可满足所有的约束和最优状况”提示时，说明已求出相应约束条件下的间伐设计最优指标值，点击“确定”返回到设计窗口，可查看优化设计结果，如满意(Y)就确定该设计方案为优化的满意方案。否则(N)，通过“人机交互”修改各项“约束”数值，再“规划求解”，寻求其它的满意设计方案。

b)“规划求解”无解情况下的“人机交互”获得满意设计方案

当EXCEL“规划求解”后弹出的窗口中有“规划求解找不到有用的解，规划求解找不到满足所有约束的点”提示时，说明不能求出相应给定约束条件下的间伐设计最优指标值，点击“确定”返回到设计窗口，可查看求解结果，通过“人机交互”修改各项“约束”数值，再“规划求解”，寻求其它的“可求解”的满意设计方案(下一步)。

c)如何“人机交互”修改“约束”各项数值？

“人机交互”修改“约束”各项数值时，要根据如下约束原则进行修改：

在以上原则约束下，适当“增加”或“减小”约束项的“数值”，修改后再进行“规划求解”，可得到修改方案参数后的“优化方案”，根据专业知识和生产要求，比较各“优化方案”，从中选择“满意方案”为抚育间伐生产设计方案。

其中，要特别注意“伐后冠覆”和“期末径级”两个约束项的“增加”或“减小”。这两个约束项的数值对方案优化的“规划求解”的“有解”或“无解”影响较大，二者的约束值如果“太小”，可能造成“无解”，这就需要设计者根据生产要求和专业知识进行“人机交互”具体确定，以体现科学性、灵活性、适用性。

此外，注意“间伐效果”中的“增产％”值，如果出现负值(说明所产生的方案不增产，反而减产)，则需调整有关“约束”值，如：可增加“期末胸径”等约束项的值，再进行“规划求解”，求得其它的优化方案。

本发明只要确定各项约束值后，“规划求解”很迅速。

兴安落叶松抚育间伐方案优化设计技术指标主要模型说明：

1、林木分级标准

采用林分竞争动态林木分级法对全林分林木进行分级，以确定自然稀疏对象和间伐采伐对象。

定义：林木直径或径级为d，林分平均胸径为D，R＝d/D。则

Ⅰ级(优势木)R≧1.336

Ⅱ级(亚优势木)1.336>R≧1.026

Ⅲ级(中等木)1.026>R≧0.712

Ⅳ级(被压木)0.712>R≧0.383

Ⅴ级(濒死木)R<0.383

(据王立明，1989)

2、单木材积与林分蓄积模型

v＝0.0008701*D^2-0.0060536*D+0.0106236

v-单株材积，D-林木胸径

(据内蒙古大兴安岭落叶松一元材积表)

M＝N*v

M-林分蓄积，N-单位林木株数,v-平均单株材积

3、林木冠幅胸径模型

Cw＝1.1047-0.03113*Ht+0.16662*D

Cw-林木冠幅直径，Ht-林分优势高，D-林木胸径

4、林冠覆盖度模型

P＝N*Cw^2*3.14/4/10000

P-林分林冠覆盖度(简称“冠覆”)，Cw-冠幅直径，10000-公顷平米

5、伐前和间伐间隔期末的疏密度1.0株数密度模型

疏密度1.0株数密度N：

N＝184007*D^-1.7028

R＝0.9998

D-林分平均胸径(为伐前林分平均胸径和人机交互选择约束输入的“期末径级”期望目标值)，D＝{8，22}。

(据林业部调查设计局，森林调查内业资料汇编，中国林业出版社，1956)

6、间伐间隔期末郁闭度1.0株数密度模型

间伐间隔期末郁闭度1.0株数：

N_末郁1＝10000/Cw^2/0.5

Cw-间隔期末冠幅直径

Cw＝1.1047-0.03113*(Ht+(D_末-D_后))+0.16662*D_末

Ht-林分优势平均高，D_末-间隔期末林分平均胸径(为人机交互选择“约束输入”的“期末径级”目标值)，D_后-间伐后林分平均胸径(由间伐对象径级和株数计算得出)

(据内蒙古林学院等，1990；王立明，1996)

7、间伐间隔期末林冠覆盖度模型

间伐间隔期末林冠覆盖度：

P_末＝N_末Cw^2*3.14159/4/10000

Cw-间伐间隔期末平均冠幅直径

Cw＝1.1047-0.03113*(Ht+(D_末-D_后))+0.16662*D_末

Ht-林分优势平均高，D_末-间隔期末林分平均胸径(为人机交互选择“约束输入”的“期末径级”目标值)，D_后-间伐后林分平均胸径(由间伐对象径级和株数计算得出)

(据内蒙古林学院等，1990；王立明，1996)

8、间伐蓄积、间伐期末蓄积、总生产量模型

(1)间伐蓄积

为林分间伐木材积之和：

M_间＝N_间*V_间＝ΣN_i间V_i间

N_间-间伐木株数，V_间-间伐木平均单株材积。N_i间-第i径级间伐木株数，V_i间-第i径级间伐木单株材积。

(2)间伐间隔期末林分蓄积

为间伐林分间伐间隔期末保留木蓄积之和：

M_留＝N_留*V_留＝ΣN_i留V_i留

N_留-间伐间隔期末保留木株数，V_留-间伐间隔期末保留木平均单株材积。N_i末-伐间隔期末第i径级间保留木株数，V_i留-间伐间隔期末第i径级保留木单株材积。

(3)总生产量

为林分间伐蓄积与间伐林分间伐间隔期末林分蓄积之和：

M_总＝M_间+M_留

9、线性规划目标函数

决策变量为间伐林分各径级的保留株数N_i留，目标函数为间伐林分间隔期末总生产量最大：

max M_总＝M_间+M_留＝N_间V_间+N_留V_留＝ΣN_i间V_i间+ΣN_i留V_i留

＝Σ((N_i前-N_i留)V_i间)+Σ(N_i留V_i留)

N_i前-间伐前林分第i径级株数。

10、线性规划约束条件方程

(1)各径级保留株数约束之一

各径级保留株数要小于或等于相应径级最大保留株数：

N_i留≤N_i前*P_i大/100

P_i大-第i径级最大保留株数强度(％)，由人-机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构。

(2)各径级保留株数约束之二

N_i留≥N_i前*P_i小/100

P_i小-第i径级最小保留株数强度(％)，由人-机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构。

(3)间伐后林分保留总株数约束

间伐林分总保留株数要小于或等于间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林分株数：

ΣN_i留≤N_末郁1

N_末郁1＝10000/Cw^2/0.5

Cw＝1.1047-0.03113*(Ht+(D_末-D_后))+0.16662*D_末

Cw-间隔期末冠幅直径,Ht-林分优势平均高，D_末-间隔期末林分平均胸径(为人机交互选择“约束输入”的“期末径级”目标值)，D_后-间伐后林分平均胸径(由间伐对象径级和株数计算得出)

(4)间伐前后林分平均断面积约束

间伐后林分保留木平均断面积要大于或等于间伐前林分林木平均断面积，即间伐后林分平均胸径要大于等于间伐前林分平均胸径：

Σ(N_i留*D_i^2)/N_末郁1≥Σ(N_i前*D_i^2)/N_前总

N_末郁1-间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林木株数，N_前总-间伐前林分的林木株数。

(5)间伐株数强度约束

间伐株数强度(％)要小于或等于最大间伐株数强度：

(N_前总-ΣN_i留)/N_前总*100≤P_株

P_株-最大间伐株数强度(％)。可根据生产需要和设计技术通过人-机交互确定输入值(默认为100％)。

(6)间伐材积强度约束

间伐材积强度(％)要小于或等于最大间伐材积强度：

Σ((N_i前-N_i留)*V_i)/Σ(N_i前*V_i)≤P_材

N_i前-间伐前第i径级株数，N_i留-第i径级保留株数，V_i-第i径级单株材积。P_材-最大间伐材积强度(％)，可根据生产需要和设计技术通过人-机交互确定输入值(默认为100％)。

(7)间伐间隔期末林分蓄积量约束

间伐间隔期末林分蓄积量要大于等于间伐前蓄积，即保证蓄积量不能越伐越少：

V_末*ΣN_i留≥Σ(N_i前*V_i)

V_末-间伐间隔期末林分平均单株材积(根据人-机交互给定的“期末径级”值，由单木材积模型计算)，N_i留-第i径级保留株数，N_i前-间伐前第i径级株数，V_i-第i径级单株材积。

(8)间伐后郁闭度约束

间伐后保留木树冠覆盖度要小于等于规定值P：

Σ(N_i留*Cw_i^2*3.14159/4)/10000≤P

Cw_i-第i径级冠幅直径，P-间伐后保留木树冠覆盖度限制值(由人-机交互给定)。

(以上目标函数和约束条件方程为本设计方法发明而设计)

以兴安落叶松抚育间伐优化设计为实施例:

S1.抚育间伐野外样地调查,根据调查，填写表1和表2。

表1为样地概况调查表，需选设样地后首先调查，获得数据，用于“抚育间伐方案”设计的其它数据(表3～表7)统计与计算，以及写入“设计书文本”之需要。

表2为开展抚育间伐林分的样地每木调查表，需采用无边界样圆法(附件2)调查后填写。此表用于表3的统计，以便开展间伐设计。

S2.获取“样地统计表、株数分布图、间伐设计表”

完成第一步(即表1和表2填写完成)后，系统会自动生成表3(样地统计表)、图2(径级株数分布图)、表4～表6(下层间伐设计表、综合间伐设计表、上层间伐设计表)。其中，表3用于了表4～表6的伐前密度统计，图2可用于确定“约束1”的各项约束数值(即“人机交互”时参考)。

S3.选择间伐方法，输入表中所需的各项约束值

完成第二步后，便可根据林分特征和生产要求选择间伐方法。供选择的间伐方法有：

a)下层间伐法

在“表4下层间伐优化方案设计”中输入表中所需的各项约束值。

b)综合间伐法

在“表5下层间伐优化方案设计”中输入表中所需的各项约束值。

c)上层间伐法

在“表6下层间伐优化方案设计”中输入表中所需的各项约束值。

以下各间伐方法举例中：

“约束1”中的各约束项的输入值：“最大保留％”的值都是“100”(即保留株数最大可100％保留)，“最小保留％”的值都是“0”(即保留株数最小可为0％，即全部伐除)。

“约束2”中的各约束项的输入值：“材积强度”约束和“株数强度”约束均为“100”(即100％可以伐除)，“伐后冠覆”约束为“1”，“期末径级”约束为“16”，即间伐间隔期末(即下次再开始间伐时)的林分平均胸径要达到16cm(间伐前为11.1cm，间伐后为9.9cm)。

以上各约束项的约束值，设计者都可根据林分特征和生产要求及技术规程，通过“人机交互”进行改变，以便寻求“满意”的森林抚育间伐优化方案。

①下层间伐法优化方案设计

表4为“下层间伐优化方案设计”表。设计者可根据自动统计得出的伐前林分各树种、各径级的株数密度及其最大密度和林木分级(用于表明林分竞争状况)，结合专业知识和生产要求(保留树种、保留径级等要求)，输入“约束1”和“约束2”的各项指标约束值。之后，选择EXCEL的“数据”菜单的“规划求解”选项，得到“优化结果”。

②综合间伐法优化方案设计

表5为“综合间伐优化方案设计”表。设计者可根据自动统计得出的伐前林分各树种、各径级的株数密度及其最大密度和林木分级(用于表明林分竞争状况)，结合专业知识和生产要求(保留树种、保留径级等要求)，输入“约束1”和“约束2”的各项指标约束值。之后，选择EXCEL的“数据”菜单的“规划求解”选项，得到“优化结果”。

③上层间伐法优化方案设计

表6为“上层间伐优化方案设计”表。设计者可根据自动统计得出的伐前林分各树种、各径级的株数密度及其最大密度和林木分级(用于表明林分竞争状况)，结合专业知识和生产要求(保留树种、保留径级等要求)，输入“约束1”和“约束2”的各项指标约束值。之后，选择EXCEL的“数据”菜单的“规划求解”选项，得到“优化结果”。

S4.间伐效果对比及其优化方案决策

表7是根据表4～表6自动产生的“间伐效果比较”表。用于选择、决策“间伐优化方案”。分析表7，根据专业知识、间伐技术规程和生产实际要求，可选择间伐方法和间伐方案。

本例中，具有专业知识和设计经验的设计者明显要选择“上层间伐法”，其方案的具体设计指标优化结果为：间伐前林分胸径11.1cm，密度2046株/公顷，蓄积111.4立方米/公顷，树种组成7落3杨桦；间伐后林分胸径9.9cm，密度1639株/公顷，蓄积62.6立方米/公顷，树种组成8落2杨桦；间伐间隔期末林分胸径16cm(即当间伐林分生长到16cm时，可开始下一次抚育间伐)，间伐间隔期为6.6cm(以胸径生长代表年龄增长)，间伐间隔期末林分密度1639株/公顷，蓄积223.73立方米/公顷，间伐蓄积量48.7立方米/公顷，总生产量272.4立方米/公顷，树种组成8落2杨桦；该方案的总生产量比未开展抚育间伐的林分总生产量增长23.5％，其总生产量的增长率是其它两种方法的1.5～2.5倍，间伐间隔期末蓄积量是间伐后蓄积量的3.57倍。间伐前冠覆率为1.01，郁闭度为0.9，间伐后冠覆率为0.68，郁闭度为0.68。株数间伐强度(株强)为20％，蓄积间伐强度(蓄强)为44％。

实际中，设计者也可在本举例选择的“上层间伐法”中，输入“约束1”中的“6径级”的“最大保留％”和“最小保留％”的值均为“0”，即将各树种最小的6径级的被压木也全部伐除，这样就更加科学。即间伐方案可以确定为：在“上层间伐法”为主的条件控制下，也适当伐除下层将要被自然稀疏掉的被压木(濒死木)。

通过此抚育间伐优化方案，可以看出：树种组成得到调整(由原来的7落3白调整为8落2杨桦)，伐除了上层霸王木和下层的濒死木，使林内的光照和通风环境改善，必将提高林下植物多样性，并扩大了保留木的地上和地下生长的营养空间，促进了全林分生长，增强了森林的健康性。实现了生态效益和经济效益双赢。

表1到表7如下：

Claims (8)

1.一种森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过野外样地调查获取林分的径级株数分布特征数据；

S2.根据S1获取的特征数据，自动生成抚育间伐优化设计所需的样地统计表、株数分布图和间伐设计表；其中，间伐设计表包括下层间伐法优化方案设计表、综合间伐法优化方案设计表和上层间伐法优化方案设计表；

S3.结合S2的各种表项选择至少一种间伐方法，间伐方法包括下层间伐法、综合间伐法和上层间伐法，利用OFFICE的EXCEL中的规划求解选项，根据模型建立线性规划目标函数和约束方程，求解拟开展抚育间伐林分的各径级林木的间伐株数；

S4.如果对EXCEL所得的最优解不满意，再进行人机交互，修改相应的约束项，利用EXCEL的规划求解加载项重新优化求解，获得满意的优化方案为止。

2.根据权利要求1所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S1所述的野外样地调查，采用无边界样圆法，调查工具为林业常用的测高器、轮尺、围尺和测绳。

3.根据权利要求1或2所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S3所述的模型包括林木冠幅胸径模型：

Cw＝1.1047-0.03113*Ht+0.16662*D

Cw-林木冠幅直径，Ht-林分优势高，D-林木胸径。

4.根据权利要求3所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S3所述的模型还包括林冠覆盖度模型：

P＝N*Cw^2*3.14/4/10000

P-林分林冠覆盖度，Cw-冠幅直径，10000-公顷平米。

5.根据权利要求4所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S3所述的模型还包括间伐蓄积、间伐期末蓄积和总生产量模型：

(1)间伐蓄积

为林分间伐木材积之和：

M_间＝N_间*V_间＝ΣNi_间Vi_间

N_间-间伐木株数，V_间-间伐木平均单株材积，Ni_间-第i径级间伐木株数，Vi_间-第i径级间伐木单株材积；

(2)间伐间隔期末林分蓄积

为间伐林分间伐间隔期末保留木蓄积之和：

M_留＝N_留*V_留＝ΣNi_留Vi_留

N_留-间伐间隔期末保留木株数，V_留-间伐间隔期末保留木平均单株材积，Ni_末-伐间隔期末第i径级间保留木株数，Vi_留-间伐间隔期末第i径级保留木单株材积；

(3)总生产量

为林分间伐蓄积与间伐林分间伐间隔期末林分蓄积之和：

M_总＝M_间+M_留。

6.根据权利要求5所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S3所述的线性规划目标函数如下：

决策变量为间伐林分各径级的保留株数Ni留，目标函数为间伐林分间隔期末总生产量最大：

max M_总＝M_间+M_留＝N_间V_间+N_留V_留＝ΣNi_间Vi_间+ΣNi_留Vi_留

＝Σ((Ni_前-Ni_留)Vi_间)+Σ(Ni_留Vi_留)

Ni_前-间伐前林分第i径级株数。

7.根据权利要求6所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于，S3所述的线性规划约束条件方程包括：

(1)各径级保留株数约束之一

各径级保留株数要小于或等于相应径级最大保留株数：

Ni_留≤Ni_前*Pi_大/100

Pi_大-第i径级最大保留株数强度，由人机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构；

(2)各径级保留株数约束之二

Ni_留≥Ni_前*Pi_小/100

Pi_小-第i径级最小保留株数强度，由人机交互根据需要确定，以实现更好地控制径级结构；

(3)间伐后林分保留总株数约束

间伐林分总保留株数要小于或等于间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林分株数：

ΣNi_留≤N_末郁1

N_末郁1＝10000/Cw^2/0.5

Cw＝1.1047-0.03113*(Ht+(D_末-D_后))+0.16662*D_末

Cw-间隔期末冠幅直径,Ht-林分优势平均高，D_末-间隔期末林分平均胸径，D_后-间伐后林分平均胸径；

(4)间伐前后林分平均断面积约束

间伐后林分保留木平均断面积要大于或等于间伐前林分林木平均断面积，即间伐后林分平均胸径要大于等于间伐前林分平均胸径：

Σ(Ni_留*Di^2)/N末郁1≥Σ(Ni_前*Di^2)/N_前总

N_末郁1-间伐间隔期末林分郁闭度1.0的林木株数，N_前总-间伐前林分的林木株数；

(5)间伐株数强度约束

间伐株数强度要小于或等于最大间伐株数强度：

(N_前总-ΣNi_留)/N_前总*100≤P_株

P株-最大间伐株数强度，可根据生产需要和设计技术通过人机交互确定输入值；

(6)间伐材积强度约束

间伐材积强度要小于或等于最大间伐材积强度：

Σ((Ni_前-Ni_留)*Vi)/Σ(Ni_前*Vi)≤P_材

Ni_前-间伐前第i径级株数，Ni_留-第i径级保留株数，Vi-第i径级单株材积；P_材-最大间伐材积强度，可根据生产需要和设计技术通过人机交互确定输入值；

(7)间伐间隔期末林分蓄积量约束

间伐间隔期末林分蓄积量要大于等于间伐前蓄积，即保证蓄积量不能越伐越少：

V_末*ΣNi_留≥Σ(Ni_前*Vi)

V_末-间伐间隔期末林分平均单株材积，Ni_留-第i径级保留株数，Ni_前-间伐前第i径级株数，Vi-第i径级单株材积；

(8)间伐后郁闭度约束

间伐后保留木树冠覆盖度要小于等于规定值P：

Σ(Ni_留*Cwi^2*3.14159/4)/10000≤P

Cwi-第i径级冠幅直径，P-间伐后保留木树冠覆盖度限制值。

8.根据权利要求1所述的森林抚育间伐后林分的总生产量最大的间伐优化设计方法，其特征在于,S4所述的人机交互修改约束各项数值时，要根据如下约束原则进行修改：

株数强度≤约束株数强度 保留株数≤最大保留株数

材积强度≤约束材积强度 保留株数≥最小保留株数

伐后冠覆≤约束伐后冠覆 期末蓄积≥伐前蓄积

保留株数≤期末疏1.0株数 伐后胸径≥＝≤伐前胸径

在以上原则约束下，适当增加或减小约束项的数值，修改后再进行规划求解，即得到修改方案参数后的优化方案。