基于SOM神经网络的通辽市库伦旗森林健康评价

李雪莹，李玉宝，梁伟

（1.内蒙古自治区第二林业和草原监测规划院，乌兰浩特 137400；2.内蒙古自治区林业和草原局综合保障中心，呼和浩特 010020）

森林是地球上重要的自然资源，发挥着重要的 生态功能，是人类赖以生存的生态系统。但随着人类对木材需求的激增和经营管理不善，森林破坏问题日趋严峻，恢复森林健康已迫在眉睫。因此，对森林健康进行科学系统的评价，找出森林经营问题，针对问题精准施策，为森林经营提供依据，对森林健康的可持续发展有非常重要的意义。

国内外开展了广泛的森林健康研究[1-8]，较为先进研究方法的是人工神经网络法，SOM神经网络是其中之一，其通过自我学习可以减少主观因素的影响，使聚类更加客观准确。因此运用SOM神经网络模型对库伦旗森林生态系统健康状况进行分析，以期为维持森林生态系统健康稳定、指导森林经营提供理论依据。

1 研究区概况

库伦旗坐落于内蒙古自治区通辽市西南部。地理坐标为北纬42°21′～43°19′，东经121°09′～12°12′。东邻科尔沁左翼后旗，南接辽宁省阜新蒙古族自治县和彰武县，西连奈曼旗，北临开鲁县。南北长105 km，东西宽89 km，土地总面积为465 000 hm2。库伦旗地处燕山余脉与科尔沁沙地的交替地段，地势西南高、东北低，平均海拔365 m。属于温带干旱、半干旱大陆性气候区。年降水量383.7～447.5 mm，集中在7～8 月份。年蒸发量1 982～2 210 mm。境内较大河流有养畜牧河、铁牛河、厚很河，属于辽河水系。植被类型主要有山地森林草原、山地草甸、低山丘陵草原、沙地草原、河泛地低湿草甸等。

2 研究方法

2.1 数据来源

数据来源为2017 年库伦旗森林资源二类调查数据。

2.2 评价指标筛选

参考借鉴前人研究成果（马克明等[9]，孔红梅和姬兰柱[10]，肖风劲等[11]，陈高等[12]，李静锐等[13]），结合库伦旗实际森林经营状况，初步选取了能够充分反映库伦旗森林健康状况的下列指标：平均树高、平均胸径、郁闭度、每公顷蓄积、下木盖度、土层厚度6个定量指标以及起源、龄组、群落结构3 个定性指标，共9个指标。

对定性指标需先进行量化处理，与定量指标一起进行主成分分析，构建森林健康评价指标[14-17]。根据内蒙古自治区森林资源二类调查技术规程（2017），确定库伦旗定性指标的量化标准，如表1所示。

表1 定性指标的量化标准表

将定性指标进行量化处理后，为了避免所选评价指标重复，需要剔除具有相关性的指标，同时尽量减少指标包含信息的损失，对所收集的资料做出全面的分析，使评价结果更为客观合理。文章选择评价指标筛选方法为主成分分析法，是一种常用的降维方法，它将相关的变量转换为不相关的线性变量，以此去除有重叠信息的变量，转换后的变量能够充分反映课题信息。

应用SPSS23 中的分析—降维—因子分析方法，对上述选出的9 个评价指标，共36 111 个小班数据进行主成分分析，勾选KMO 和巴特利特球形度检验，设置因子提取阈值为特征值大于1，结果如下：

2.2.1 KMO和巴特利特球形度检验

KMO 和巴特利球体检验用于检查变量间的相关性。见表2。

表2 KMO和巴特利特检验

KMO 为0.672＞0.6，巴特利特球形检验的显著性P＜0.05，说明数据适合做因子分析。

2.2.2 因子提取

文章设置因子提取阈值为特征值＞1，见表3、表4。

表3 特征值与方差贡献表

表4 成分矩阵信息表

如表3 所示：前4 个主成分的特征值都大于1，累计方差贡献率达到了74.33%，符合统计学原理，因此取前4个主成分为评价指标。

根据成分矩阵信息表，第一主成分主要包括平均树高、平均胸径、每公顷蓄积，可作为系统活力性指标；第二主成分主要包括起源，可作为功能稳定性指标；第三主成分主要包括群落结构，可作为结构完整性指标；第四主成分主要包括土层厚度、下木盖度，可作为可持续性指标。

由于龄组和郁闭度这两个评价指标的成分值在4 个主成分中低于其他评价指标的成分值，即不能充分表达小班的健康程度，所以将其舍弃。

最终确定平均树高、平均胸径、每公顷蓄积、下木盖度、土层厚度、起源、群落结构7个评价指标，建立森林健康评价指标体系。结果如表5。

表5 森林健康评价指标体系

2.3 评价等级的划分

借鉴前人研究，结合库伦旗实际情况，将森林健康状况分为优质、健康、亚健康、不健康、疾病5个等级，见表6。

表6 森林健康等级评定标准

2.4 SOM神经网络模型构建

SOM神经网络模型计算过程如下：

（1）网络初始化

对输入数据进行归一化处理，得到，j=1,2，…，m；建立初始优胜邻域N J*(0);学习率η赋初始值。

（2）输入向量并计算与权值向量的距离

输入向量X=（x1,x2,…xm）T,采用欧式距离法，计算输入向量和权值向量的距离：

其中，wij为输入层的神经元i和映射层的神经元j之间的权值。通过计算，得到一个具有最小距离的神经元，为胜出神经元j*。

（3）定义优胜邻域Nj*（t）

以j*为中心确定t时刻的权值调整域，一般初始邻域Nj*（0）较大，训练过程中Nj*（t）随训练时间逐渐收缩。

（4）调整权值

对优胜邻域Nj*（t）内的所有节点调整权值：

式中，η（t，N）是训练时间t和邻域内第j个神经元与获胜神经元j*之间的拓扑距离N的函数。

（5）计算输出Ok

（6）结束检查

如果达到预期要求则算法结束，否则返回进入下一轮学习，直至得出结果。

将原库伦旗森林资源二类调查数据按照选定的主成分评价指标进行删减，作为输入数据，将聚类结果分为5类。构建SOM神经网络模型进行数据分析，将评价结果通过绘图技术得到森林健康分等级图。

3 结果分析

3.1 森林健康评价等级分析

通过上述研究，应用绘图技术得到森林健康分等级图，见图1。

图1 库伦旗森林健康评价等级图

库伦旗乔木林小班共36 111个，面积104 338.3 hm2，数据来源为库伦旗2017 年森林资源二类调查。下面从起源、林种、龄组三个维度进行分析，结论如下：

（1）优质小班面积32 560.6 hm2，占乔木林总面积的31.21%。见表7。

表7 优质小班面积统计表

（2）健康小班面积23 484.2 hm2，占乔木林总面积的22.51%。见表8。

表8 健康小班面积统计表

（3）亚健康小班面积19 688.5 hm2，占乔木林总面积的18.87%。见表9。

表9 亚健康小班面积统计表

（4）不健康小班面积16 864.5 hm2，占乔木林总面积的16.16%。见表10。

表10 不健康小班面积统计表

（5）疾病小班面积11 740.5 hm2，占乔木林总面积的11.25%。见表11。

表11 疾病小班面积统计表

3.2 不同因子健康状况分析

（1）不同起源健康状况分析

库伦旗天然乔木林小班面积4 015.9 hm2，占比3.85 %；人工乔木林小班面积100 322.4 hm2，占比96.15%。见表12。

表12 不同起源森林健康等级面积表

天然林面积低于人工林，天然林中，优质小班面积占比96.72%，远远高于人工林；人工林中优质和健康小班共占51.88%，亚健康、不健康、疾病小班面积递减，天然林健康状况较好于人工林。

（2）不同林种健康状况分析

库伦旗公益林小班面积74 689.5 hm2，占比71.58 %；商品林小班面积29 648.8 hm2，占比28.42%。见表13。

表13 不同林种健康等级面积表

库伦旗公益林面积远多于商品林面积，森林健康等级在两个林种小班中占比皆呈优质到疾病递减的趋势，公益林中优质和健康小班占比51.57%，商品林中优质和健康小班占比59.12%。

（3）不同龄组健康状况分析

库伦旗幼龄林小班面积11 270.7hm2，占比10.80%；中龄林小班面积33 814.5 hm2，占比32.41%；近熟林小班面积11 911.8 hm2，占比11.42%；成熟林小班面积27 416.5 hm2，占比26.28%；过熟林小班面积19 924.8 hm2，占比19.10%。见表14。

表14 不同龄组森林健康等级面积表

幼龄林和中龄林森林健康等级呈优质到疾病递减的趋势，其中幼龄林中优质小班占比远多于其他小班；中龄林中优质和健康小班之和占比65.19%；近熟林中优质和健康小班之和占比44.60%，成熟林中优质和健康小班之和占比39.15%，过熟林中优质和健康小班之和占比36.91%，均没有超过50%。

（4）不同优势树种健康状况分析

库伦旗乔木林优势树种为樟子松、油松、榆树、杨树的小班面积和为101 857.1 hm2，占总面积的97.62%，具有代表性。因此，文章以上述4 个优势树种为代表，分析库伦旗不同优势树种健康状况。

库伦旗优势树种为樟子松的小班面积3 049 hm2，占比2.92%；优势树种为油松的小班面积8 756.7 hm2，占比8.39%；优势树种为油松的小班面积4 267.3 hm2，占比4.09%；优势树种为杨树的小班面积85 784.7 hm2，占比82.22%。见表15。

表15 不同优势树种森林健康等级面积表

樟子松和榆树的优质小班面积占比远远多于其他小班；油松的优质小班和健康小班面积之和占比21.69 %，亚健康和不健康小班面积之和占比67.01%；杨树面积在乔木林中最多，高达82.22%，优质和健康小班之和占比52.52%，从优质到疾病小班呈递减趋势。

4 讨论与结论

通过上述分析可知，库伦旗森林健康等级为优质的小班面积占比最高，且优质和健康小班面积之和占比达53.71%，库伦旗森林健康程度整体较好。

以起源划分，库伦旗乔木林多数为人工林，人工林中优质和健康小班面积占比51.89 %，天然林96.72%都是优质小班；以森林类别划分，公益林和商品林中优质和健康小班占比分别为51.57 %和59.12%；以龄组划分，幼龄林和中龄林优质和健康小班占多数，近、成、过熟林中优质和健康小班占比分别为44.60 %、39.15 %和36.91%；以优势树种划分，杨树优质和健康小班占比52.52%，榆树和樟子松中优质小班占多数，油松中优质和健康小班占比仅为21.69%。

库伦旗林业建设近年来取得了优异的成就，林业重点工程的实施，使森林资源持续增长，森林质量不断提高，与2005 年二类资源调查数据相比，龄组结构调整明显，中龄林、成熟林增长幅度较大，群落结构逐步优化，完整结构的乔木林面积增加。单位面积蓄积增加，平均胸径、平均树高增加；森林消耗尤其是采伐消耗明显下降，总生长量大于总消耗量，毁林开垦、乱砍滥伐和乱占林地的现象得到明显遏制，森林经营实现可持续发展。