[發明專利]高分辨率土地利用及森林景觀過程耦合模擬系統及方法

在審

• 申請號: 202010639670.3
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111783360A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 梁宇;黃超
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽應用生態研究所
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

1.一種高分辨率土地利用及森林景觀過程耦合模擬系統，其特征在于：包括土地利用變化模塊以及森林演替模塊；

所述土地利用變化模塊在神經網絡模型基礎上，利用自適應慣性競爭機制計算未來不同社會經濟和自然條件下土地利用格局變化；所述森林演替模塊為在大時空尺度上模擬森林景觀變化的空間直觀景觀模型，根據4個GSO閾值來定義林分發展的不同階段，該模塊模擬森林演替、種子擴散、林火、采伐、風倒、病蟲害以及可燃物處理過程對森林生態系統結構與功能的影響；在樹種、林分和景觀尺度上該模塊分別模擬樹種更新、生長、死亡及林分動態變化對森林生態系統的影響；在樹種尺度上模擬單個樹木的更新、生長、死亡和繁殖過程；在林分尺度上模擬物種建群、自稀疏、林下再生和成熟過程；景觀尺度上則通過跟蹤樹種的存在與消失來模擬森林演替、種子傳播、種間競爭、林火、采伐、風倒、病蟲害和可燃物處理過程；

所述樹木的生長是由生長空間決定的，生長空間是指能夠為植物生長提供養分、水和光照的面積；在有限的生長空間里，不同樹種為獲取更多的生長空間而競爭，從而引起樹種死亡和幼苗建群；在森林演替模塊中，生長空間是通過林分密度指數(SDI)、胸徑(DBH)和立木密度(TPA)計算得到的，其中林分密度指數公式如下：

式中：TPA為立木密度，即單位面積內高度超過5cm的所有活立木總數；DBH為胸徑，是指離地表1.3m處立木主干的直徑；

所述樹木的繁殖是在林火或采伐導致的樹木死亡或干旱導致的樹木生理破壞之后，樹木通過根蘗方式繁殖；在森林演替模塊中，潛在萌發數和幼苗建群數是通過估算每個年齡級上樹木的株數得到的，幼苗潛在萌發數PPS計算公式如下：

PPS＝NDT×VP

式中，NDT指某一樹種死亡株數，VP指這一樹種的無性繁殖概率；

所述種子傳播是一個空間過程，種子傳播概率P由以下公式得出：

P＝e^-b(x/MD)Ed＜x＜MD

式中，MD為某一樹種的最大傳播距離；x指到種源的距離；b是種子傳播參數；ED為該樹種的種子有效傳播距離；e是指以自然常數e為底的指數函數；

所述自稀疏是不同樹木個體由于對光、水、熱量和營養條件競爭，隨著生長的進行，個體間的差異越來越大，處于劣勢的樹木個體枯死，即隨著森林演替進行而個體密度逐漸降低的過程；-3/2自疏線和占據生長空間(GSO)被用來模擬林分發展過程中的自稀疏過程，具體公式如下：

式中，DBH_v和NT_V分別指某一樹種在第V徑級的平均胸徑和株數；10inch指胸徑為10英寸(25.4cm)的標準樹；timestep為模擬步長；ha為公頃；site_area為像元大小。

2.根據權利要求1所述的一種高分辨率土地利用及森林景觀過程耦合模擬系統，其特征在于，所述4個GSO閾值包括：GSO₁占據部分生長空間階段，除最耐陰的樹種外，所有到達的樹種都萌芽并建群；GSO₁＝1，林冠郁閉階段，此時只有最耐陰的樹種才能萌發并建群；GSO₃，樹種已經占據全部生長空間，激烈的競爭導致所有樹種都不能建群；GSO_thinning，自稀疏階段，林分密度開始降低。