基于SOM神經網絡的通遼市庫倫旗森林健康評價

李雪瑩，李玉寶，梁偉

（1.內蒙古自治區第二林業和草原監測規劃院，烏蘭浩特 137400；2.內蒙古自治區林業和草原局綜合保障中心，呼和浩特 010020）

森林是地球上重要的自然資源，發揮著重要的 生態功能，是人類賴以生存的生態系統。但隨著人類對木材需求的激增和經營管理不善，森林破壞問題日趨嚴峻，恢復森林健康已迫在眉睫。因此，對森林健康進行科學系統的評價，找出森林經營問題，針對問題精準施策，為森林經營提供依據，對森林健康的可持續發展有非常重要的意義。

國內外開展了廣泛的森林健康研究[1-8]，較為先進研究方法的是人工神經網絡法，SOM神經網絡是其中之一，其通過自我學習可以減少主觀因素的影響，使聚類更加客觀準確。因此運用SOM神經網絡模型對庫倫旗森林生態系統健康狀況進行分析，以期為維持森林生態系統健康穩定、指導森林經營提供理論依據。

1 研究區概況

庫倫旗坐落于內蒙古自治區通遼市西南部。地理坐標為北緯42°21′～43°19′，東經121°09′～12°12′。東鄰科爾沁左翼后旗，南接遼寧省阜新蒙古族自治縣和彰武縣，西連奈曼旗，北臨開魯縣。南北長105 km，東西寬89 km，土地總面積為465 000 hm2。庫倫旗地處燕山余脈與科爾沁沙地的交替地段，地勢西南高、東北低，平均海拔365 m。屬于溫帶干旱、半干旱大陸性氣候區。年降水量383.7～447.5 mm，集中在7～8 月份。年蒸發量1 982～2 210 mm。境內較大河流有養畜牧河、鐵牛河、厚很河，屬于遼河水系。植被類型主要有山地森林草原、山地草甸、低山丘陵草原、沙地草原、河泛地低濕草甸等。

2 研究方法

2.1 數據來源

數據來源為2017 年庫倫旗森林資源二類調查數據。

2.2 評價指標篩選

參考借鑒前人研究成果（馬克明等[9]，孔紅梅和姬蘭柱[10]，肖風勁等[11]，陳高等[12]，李靜銳等[13]），結合庫倫旗實際森林經營狀況，初步選取了能夠充分反映庫倫旗森林健康狀況的下列指標：平均樹高、平均胸徑、郁閉度、每公頃蓄積、下木蓋度、土層厚度6個定量指標以及起源、齡組、群落結構3 個定性指標，共9個指標。

對定性指標需先進行量化處理，與定量指標一起進行主成分分析，構建森林健康評價指標[14-17]。根據內蒙古自治區森林資源二類調查技術規程（2017），確定庫倫旗定性指標的量化標準，如表1所示。

表1 定性指標的量化標準表

將定性指標進行量化處理后，為了避免所選評價指標重復，需要剔除具有相關性的指標，同時盡量減少指標包含信息的損失，對所收集的資料做出全面的分析，使評價結果更為客觀合理。文章選擇評價指標篩選方法為主成分分析法，是一種常用的降維方法，它將相關的變量轉換為不相關的線性變量，以此去除有重疊信息的變量，轉換后的變量能夠充分反映課題信息。

應用SPSS23 中的分析—降維—因子分析方法，對上述選出的9 個評價指標，共36 111 個小班數據進行主成分分析，勾選KMO 和巴特利特球形度檢驗，設置因子提取閾值為特征值大于1，結果如下：

2.2.1 KMO和巴特利特球形度檢驗

KMO 和巴特利球體檢驗用于檢查變量間的相關性。見表2。

表2 KMO和巴特利特檢驗

KMO 為0.672＞0.6，巴特利特球形檢驗的顯著性P＜0.05，說明數據適合做因子分析。

2.2.2 因子提取

文章設置因子提取閾值為特征值＞1，見表3、表4。

表3 特征值與方差貢獻表

表4 成分矩陣信息表

如表3 所示：前4 個主成分的特征值都大于1，累計方差貢獻率達到了74.33%，符合統計學原理，因此取前4個主成分為評價指標。

根據成分矩陣信息表，第一主成分主要包括平均樹高、平均胸徑、每公頃蓄積，可作為系統活力性指標；第二主成分主要包括起源，可作為功能穩定性指標；第三主成分主要包括群落結構，可作為結構完整性指標；第四主成分主要包括土層厚度、下木蓋度，可作為可持續性指標。

由于齡組和郁閉度這兩個評價指標的成分值在4 個主成分中低于其他評價指標的成分值，即不能充分表達小班的健康程度，所以將其舍棄。

最終確定平均樹高、平均胸徑、每公頃蓄積、下木蓋度、土層厚度、起源、群落結構7個評價指標，建立森林健康評價指標體系。結果如表5。

表5 森林健康評價指標體系

2.3 評價等級的劃分

借鑒前人研究，結合庫倫旗實際情況，將森林健康狀況分為優質、健康、亞健康、不健康、疾病5個等級，見表6。

表6 森林健康等級評定標準

2.4 SOM神經網絡模型構建

SOM神經網絡模型計算過程如下：

（1）網絡初始化

對輸入數據進行歸一化處理，得到，j=1,2，…，m；建立初始優勝鄰域N J*(0);學習率η賦初始值。

（2）輸入向量并計算與權值向量的距離

輸入向量X=（x1,x2,…xm）T,采用歐式距離法，計算輸入向量和權值向量的距離：

其中，wij為輸入層的神經元i和映射層的神經元j之間的權值。通過計算，得到一個具有最小距離的神經元，為勝出神經元j*。

（3）定義優勝鄰域Nj*（t）

以j*為中心確定t時刻的權值調整域，一般初始鄰域Nj*（0）較大，訓練過程中Nj*（t）隨訓練時間逐漸收縮。

（4）調整權值

對優勝鄰域Nj*（t）內的所有節點調整權值：

式中，η（t，N）是訓練時間t和鄰域內第j個神經元與獲勝神經元j*之間的拓撲距離N的函數。

（5）計算輸出Ok

（6）結束檢查

如果達到預期要求則算法結束，否則返回進入下一輪學習，直至得出結果。

將原庫倫旗森林資源二類調查數據按照選定的主成分評價指標進行刪減，作為輸入數據，將聚類結果分為5類。構建SOM神經網絡模型進行數據分析，將評價結果通過繪圖技術得到森林健康分等級圖。

3 結果分析

3.1 森林健康評價等級分析

通過上述研究，應用繪圖技術得到森林健康分等級圖，見圖1。

圖1 庫倫旗森林健康評價等級圖

庫倫旗喬木林小班共36 111個，面積104 338.3 hm2，數據來源為庫倫旗2017 年森林資源二類調查。下面從起源、林種、齡組三個維度進行分析，結論如下：

（1）優質小班面積32 560.6 hm2，占喬木林總面積的31.21%。見表7。

表7 優質小班面積統計表

（2）健康小班面積23 484.2 hm2，占喬木林總面積的22.51%。見表8。

表8 健康小班面積統計表

（3）亞健康小班面積19 688.5 hm2，占喬木林總面積的18.87%。見表9。

表9 亞健康小班面積統計表

（4）不健康小班面積16 864.5 hm2，占喬木林總面積的16.16%。見表10。

表10 不健康小班面積統計表

（5）疾病小班面積11 740.5 hm2，占喬木林總面積的11.25%。見表11。

表11 疾病小班面積統計表

3.2 不同因子健康狀況分析

（1）不同起源健康狀況分析

庫倫旗天然喬木林小班面積4 015.9 hm2，占比3.85 %；人工喬木林小班面積100 322.4 hm2，占比96.15%。見表12。

表12 不同起源森林健康等級面積表

天然林面積低于人工林，天然林中，優質小班面積占比96.72%，遠遠高于人工林；人工林中優質和健康小班共占51.88%，亞健康、不健康、疾病小班面積遞減，天然林健康狀況較好于人工林。

（2）不同林種健康狀況分析

庫倫旗公益林小班面積74 689.5 hm2，占比71.58 %；商品林小班面積29 648.8 hm2，占比28.42%。見表13。

表13 不同林種健康等級面積表

庫倫旗公益林面積遠多于商品林面積，森林健康等級在兩個林種小班中占比皆呈優質到疾病遞減的趨勢，公益林中優質和健康小班占比51.57%，商品林中優質和健康小班占比59.12%。

（3）不同齡組健康狀況分析

庫倫旗幼齡林小班面積11 270.7hm2，占比10.80%；中齡林小班面積33 814.5 hm2，占比32.41%；近熟林小班面積11 911.8 hm2，占比11.42%；成熟林小班面積27 416.5 hm2，占比26.28%；過熟林小班面積19 924.8 hm2，占比19.10%。見表14。

表14 不同齡組森林健康等級面積表

幼齡林和中齡林森林健康等級呈優質到疾病遞減的趨勢，其中幼齡林中優質小班占比遠多于其他小班；中齡林中優質和健康小班之和占比65.19%；近熟林中優質和健康小班之和占比44.60%，成熟林中優質和健康小班之和占比39.15%，過熟林中優質和健康小班之和占比36.91%，均沒有超過50%。

（4）不同優勢樹種健康狀況分析

庫倫旗喬木林優勢樹種為樟子松、油松、榆樹、楊樹的小班面積和為101 857.1 hm2，占總面積的97.62%，具有代表性。因此，文章以上述4 個優勢樹種為代表，分析庫倫旗不同優勢樹種健康狀況。

庫倫旗優勢樹種為樟子松的小班面積3 049 hm2，占比2.92%；優勢樹種為油松的小班面積8 756.7 hm2，占比8.39%；優勢樹種為油松的小班面積4 267.3 hm2，占比4.09%；優勢樹種為楊樹的小班面積85 784.7 hm2，占比82.22%。見表15。

表15 不同優勢樹種森林健康等級面積表

樟子松和榆樹的優質小班面積占比遠遠多于其他小班；油松的優質小班和健康小班面積之和占比21.69 %，亞健康和不健康小班面積之和占比67.01%；楊樹面積在喬木林中最多，高達82.22%，優質和健康小班之和占比52.52%，從優質到疾病小班呈遞減趨勢。

4 討論與結論

通過上述分析可知，庫倫旗森林健康等級為優質的小班面積占比最高，且優質和健康小班面積之和占比達53.71%，庫倫旗森林健康程度整體較好。

以起源劃分，庫倫旗喬木林多數為人工林，人工林中優質和健康小班面積占比51.89 %，天然林96.72%都是優質小班；以森林類別劃分，公益林和商品林中優質和健康小班占比分別為51.57 %和59.12%；以齡組劃分，幼齡林和中齡林優質和健康小班占多數，近、成、過熟林中優質和健康小班占比分別為44.60 %、39.15 %和36.91%；以優勢樹種劃分，楊樹優質和健康小班占比52.52%，榆樹和樟子松中優質小班占多數，油松中優質和健康小班占比僅為21.69%。

庫倫旗林業建設近年來取得了優異的成就，林業重點工程的實施，使森林資源持續增長，森林質量不斷提高，與2005 年二類資源調查數據相比，齡組結構調整明顯，中齡林、成熟林增長幅度較大，群落結構逐步優化，完整結構的喬木林面積增加。單位面積蓄積增加，平均胸徑、平均樹高增加；森林消耗尤其是采伐消耗明顯下降，總生長量大于總消耗量，毀林開墾、亂砍濫伐和亂占林地的現象得到明顯遏制，森林經營實現可持續發展。