基于无人机监测不同修枝处理方式对柏木生长性状和碳储量的影响

基于无人机监测不同修枝处理方式对柏木生长性状和碳储量的影响

 

摘要：为了研究不同修枝处理对柏木幼龄树各种生长性状的影响，筛选出柏木在不同地形的最佳修枝强度，为其修枝技术提供理论依据。在浙江省杭州市万市镇平山村桐毛坞，建立了3个不同地形（Site1：陡坡、Site2：缓坡和Site3：平整地）的柏木未成林样地，在每个样地进行5种不同的修剪处理方式（“不修枝”“修枝1/3”“修枝1/2”“修枝2/3”和“疏枝1/2”）。柏木经过修枝处理后1年的自然生长，通过人工的地面测量与无人机（UAV）的精准测量分别来提取柏木的树高、冠幅和碳储量等生长性状。

 

结果表明，无人机测量与地面真实数据产生了较高的相关性；“修枝2/3”处理时，生长在陡坡和缓坡的柏木出现了较高的树高、冠幅、地径、枝下高和碳储量，而生长在平整地的柏木在“修枝1/2”处理时产生了更高的值；“疏枝1/2”似乎抑制了3种地形柏木的生长；“修枝1/3”对柏木的生长没有显著影响。综上所述，在柏木未成林时进行合理的修枝处理有利于柏木生长，以及无人机对预测柏木生长性状具有良好的便利。

 

柏木（Cupressusfunebris）是柏科（Cupressaceae）柏木属（Cupressus）的一种常绿针叶乔木，原产于我国，广泛分布于长江中上游地区，还是重要的桥梁、家具用材树种和造林更新树种[1-3]。柏木具有四季常青、耐干旱、耐瘠薄、耐寒和抗污染等优点，作为先锋树种广泛应用于我国南方石漠化、荒山林和废弃矿区的生态修复中[4-5]。近年来，柏木在我国南方广泛推广栽植，为速生、优质的高固碳品种选育提供了巨大空间[6]。

 

森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，其碳储量是陆地生态系统的2/3以上[7-8]，准确评估碳储量对森林生态系统碳汇潜力、减缓温室效应等具有重要意义[9]。树木是森林生态系统的重要组成部分，研究单株树木的生长情况对于整个森林生态系统意义重大。传统人工测量方法费时费力，还存在主观性强、误差大等缺点。另外，相比较于农业，林业的挑战在于复杂的生长立地条件和林木的多年生特性，仅适用于当次试验并且缺乏连续观测数据，推广使用具有局限性[10]。

 

无人机（UAV）是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行[11]。近些年，无人机技术飞速发展，催生了无人机低空摄影测量和遥感技术，具有灵活性强、成本低和时效性强等优点，并逐渐成功应用于林业调查和林业测量中。

 

修枝是指人为除去树冠下部枯枝和部分活枝的一种抚育措施，也是中幼林抚育的重要措施之一[12-13]。修枝强度不同，对林木生长作用也不同[14]，合理疏枝和修枝可以优化林分结构、降低林木间的生长压力和提高木材质量[15-16]。目前，对柏木修枝处理的研究尚属空白，本研究调查测定修枝1年后柏木的生长性状，分析不同处理对其树高、冠幅和碳储量等生长性状的影响，以期找到不同地形的最佳修枝强度，从而为柏木人工林的生产及其可持续经营等提供理论指导。

 

1材料与方法

 

1.1试验地概况

 

试验地位于浙江省杭州市富阳区万市镇平山村桐毛坞（119°31′26.41″E、30°05′52.37″N），海拔120～200m。设置3个试验基地，分别为陡坡（Site1）、缓坡（Site2）和平整地（Site3）3种地形，3个标准地面积共计4000m2，其中，陡坡（坡向向阳面，坡度为45°）面积1333m2，缓坡（坡向向阳面，坡度为20°）面积2000m2，平整地面积667m2。3个标准地方位一致，均为向阳面，每块地距离间隔800m左右，土壤条件、肥力基本一致，均属于适生柏木的困难立地。2021年3月中旬造林，采用1年生容器苗，株行距1.3m×1.6m，即每667m2种植柏木幼苗300株，新造林成活率在95%以上。

 

1.2修枝试验设计

 

采用随机区组试验设计，每个试验小区划分为4个修枝处理和1个对照，具体包括：（1）对照：未进行修剪或疏枝；（2）修去树高的1/3以下枝条（轻度修剪）；（3）修去树高的1/2以下枝条（中度修剪）；（4）修去树高的2/3以下枝条（重度修建）；（5）疏枝树高的1/2以下枝条。

 

分别在每个试验地进行5种修枝方法，2022年12月完成修枝。2023年12月，调查柏木在不同修枝处理下所有树的树高、冠幅和胸径等生长性状，其中，采用圆筒测高器进测量树高和枝下高，采用胸径尺测量胸径和地径，采用皮尺测量冠幅，采用生物量清查法估算碳储量，即通过植被的生物量及碳素含量进行估算[17]。将地面人工测量的数据和无人机所获取的数据带回实验室进行分析，最后评估修剪和疏枝对柏木生长的影响。

 

1.3无人机（UAV）采集路线及图像采集

 

为了评估不同处理方式对柏木生长性状及碳储量的影响，于2023年12月5日对3个试验地进行了无人机（UAV）飞行数据采集和人工地面数据采集。根据各试验地的地形特征，确定了相应的飞行高度和路线，每个标记的白色圆点代表1个图像拍摄位置。以陡坡地试验区为例（见图1），共采集了110张RGB图像，整个飞行过程持续3.5min；无人机在起飞点上方65m的高度飞行，覆盖面积1333m2。



图像的采集和处理，包括二维及三维重建，通过这些高清图像和三维点云信息———即数字表面模型（见图2），实现了高通量和快速提取柏木树高和冠幅等生长性状。

 

1.4无人机（UAV）树高冠幅数据提取

 

使用结构从运动（SfM）摄影测量技术和DJITerra软件处理带有地理参考的图像，可以创建各个标准地的三维点云。通过将这些点云与数字地形模型（DTM）相结合，生成冠层高度模型（CHM），从而确定每棵树的具体位置、树冠大小和树高。在此基础上，利用lidR软件包中的dalponte2016函数进行单株树木分割和多边形区域的生成，最终得到每棵树的详细信息，并对比分析这些信息与实地调查数据。

 

1.5无人机（UAV）预测柏木的树高与冠幅与实测比较

 

图3展示了地面真实树高和冠幅与无人机测量得到的树高和冠幅（UAV_树高和UAV_冠幅）之间的关系。其中，纵坐标代表无人机的测量值，横坐标代表地面真实值，每个散点代表1个观测数据点，反映了实地测量树高或冠幅与无人机测量树高或冠幅之间的对应关系。由图3可知，地面真实树高（树高/cm）和无人机测量的树高（UAV_树高/cm）之间的关系非常紧密，R2值为0.96，表明两者之间呈很高的正相关性。意味着无人机测量的树高数据与实地测量值非常接近，可作为实地测量的有效替代。

 

地面真实冠幅（冠幅/cm）与无人机测量的冠幅（UAV_冠幅/cm）之间的关系，R2值为0.85，也表明了两者之间高度正相关。尽管相关性略低于树高的相关性，但无人机测量的冠幅同样提供了一个可靠的实地测量值估计。这2个R2值说明无人机技术在林业测量中的可行性和准确性，特别是在树高和冠幅的测量上，证明了无人机遥感数据可以作为传统方法的有效补充，尤其适用于大规模和难以接近的区域。

 

2结果与分析

 

2.1不同处理方式对树高的影响

 

图4黑色柱状图表示无人机测量的树高（UAV_树高），灰色柱状图则表示实地测量的树高（实测）。每个柱状图顶部的黑色线条代表该测量值的标准偏差，显示了数据在重复测量中的波动情况。由图4可知，柏木进行修枝处理1年后树高有明显变化。具体而言，“修枝1/2”和“修枝2/3”在Site1促进了柏木树高的增长，“修枝2/3”促进了Site2树高生长的同时，抑制了Site3树高的生长，“疏枝1/2”对树高生长的促进没有明显作用。

 

2.2不同处理方式对冠幅的影响

 

由图5可知，在Site1上，“修枝2/3”表现出较大的冠幅，而这个处理在Site2和Site3两地并没有明显的促进作用，反而抑制了冠幅的增长；“疏枝1/2”显著降低了3个地点的冠幅，“修枝1/2”和“修枝1/3”对柏木冠幅生长影响不显著。

 

2.3不同处理方式对地径的影响

 

由图6可知，不同的处理方式对柏木的地径生长有不同的影响。“疏枝1/2”处理在3个试验地都抑制了柏木地径的生长，“修枝2/3”处理在Site1的平均地径则较大，而在Site2和Site3的地径较小，两地在“修枝1/3”处理显示出最大的地径。

 

2.4不同处理方式对枝下高地的影响

 

由图7可知，不同的修枝处理方式在各试验地点对枝下高有不同程度的影响。Site1在“修枝1/2”和“修枝2/3”显示出较大的枝下高度，表明这些处理可能促进了树木下部枝条的生长或移除。相比之下，Site2和Site3的枝下高度在各处理方式下的差异较小，显示出这些地点的树木对修枝处理的响应较为一致。

 

2.5不同处理方式对碳储量的影响

 

 

由图8可知，不同的修枝处理对柏木碳储量有不同的影响。在Site1和在Site2上，特定的处理方式，如“修枝1/2”和“修枝2/3”展示了较高的碳储量，而在Site3上，“修枝2/3”显示出最低的碳储量。

 

3结论与讨论

 

在本研究中，用无人机对3个不同地形的柏木幼林进行航拍测量，得到了相应的生长情况信息，确定了无人机技术在预测林木生长性状的可行性。研究表明，不同修枝处理方式经过1年自然生长后对柏木生长性状有不同影响。生长在陡坡的柏树，“修枝2/3”处理显示出最高的树高、冠幅、胸径、地径和碳储量，表明重度修剪处理可能最利于陡坡的柏树生长；生长在缓坡的柏木，5种处理方式对柏树的影响均较小，仅“修枝2/3”和“修枝1/2”处理产生了较高的枝下高，这可能是因为中、重度修枝可能会促进柏木下部枝条的掉落，其他生长性状在各种处理下生长性状较为一致，可能这些地点的环境因素对碳储量有较大的影响，或柏木对修枝的反应在这个地形上比较稳定；生长在平整地的柏木，“修枝1/2”处理产生了最高的树高、冠幅、地径、枝下高和碳储量，“修枝2/3”产生相应最低的值，可能是因为重度修枝处理在平整地时，抑制了柏木的正常生长。“疏枝1/2”处理在所有地形中对柏木各项生长性状均产生了消极影响，可能是因为这种处理降低了柏木的光合作用，从而抑制了柏木生长。

 

研究结果对于了解不同修枝处理影响柏木的生长性状具有重要意义，并对于制定合理的林木管理和修剪策略至关重要。综上所述，生长在陡坡和缓坡的柏木进行重度修枝（“修枝2/3”），更利于柏木生长，在平整地进行中度修枝（“修枝1/2”），更利于柏木生长。