大型固定样地(简称大样地)能够为人们系统地了解生物多样性、群落动态、物种共存机制等问题提供翔实、充分、长期的数据(马克平，2008；兰国玉，2007)。因此，通过建立大型固定样地开展森林生态系统定位研究越来越受到重视(叶万辉等，2008；张建侯等，1994；Condit，1998)。1980年，Stephen Hubbell和Robin Foster在巴拿马的Barro Co1orado岛建立了第1个大型监测样地，美国Smithonian研究院热带森林研究所(Smithonian Tropical Research Institute)热带森林科学研究中心(Center for Tropical Forest Science，CTFS)建立的热带森林监测网络则是大型固定样地最优秀的代表之一。大样地的建设有效监测了物种的时空分布模式，为研究物种多样性的维持机制、物种空间分布格局、群落动态、自然干扰等提供了重要的研究平台，并取得了大量成果(兰国玉，2007)。因为大型固定样地的大量信息需要长期连续的积累，因此，建立一个类似于管理信息系统的大样地基本信息三维可视化系统是确有必要的。

新疆天山森林在全国森林生态系统网络中独具特色，天山森林生态系统定位研究站是全国大“十”字形网络系统中的一个重要环节，是干旱、半干旱区森林生态定位观测站的典型代表(张毓涛等，2003)。开展长期的森林生态定位观测与研究，有必要借鉴CTFS大样地建设的思路和方法(周红敏等，2009；韦希勤，2000)，建设永久性观测的大样地。

2009年6—8月，经过相关调查研究，新疆林业科学院联合新疆大学在天山北坡的天山森林生态系统定位研究站建立了一个8 hm²的固定样地，并对样地进行了全面调查。在大样地调查数据基础之上，本文借鉴前人在三维处理技术方面的工作(刘阳等，2009；解向利等，2007；杨雪银等，2008；韩敏等，2004；吴协保等，2001；孙建军等，2009)，利用GIS工具实现了对该大样地基本信息的三维可视化管理。

1 样地的建设 1.1 样地概况

该8 hm²的大型固定样地位于天山中段北坡的新疆天山森林生态系统定位研究站，如图 1所示。天山森林生态站是国家林业局森林生态系统定位研究网络(Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN)之一，位于距乌鲁木齐市50 km的板房沟林场，地理位置为87°27′28.5″—87°28′47.7″E，43°24′48.3″—43°26′17.9″N，海拔1 908~2 710 m，年平均气温2.0 ℃，历年平均极端最高温为30.5 ℃、极端最低温为-30.2 ℃；＞0 ℃的无霜期89.3天，≥10 ℃积温为1 170.5 ℃；年降水量572.7 mm，最大积雪深度65 cm；属温带大陆性气候，因受造山运动、第四季冰川及独特的生物气候等因素的长期综合作用，形成了以天山雪岭云杉(Picea schrenkiana)为主体的寒温带山地针叶林。地被植物主要有天山云杉(Picea schrenkiana var. tianschanica)、黑果小檗(Berberis heteropoda)、红果小檗(Berberis nummularia)、忍冬(Lonicera sp.)、天山花楸(Sorbus tianschanica)、黑果荀子(Cotoneaster melanocarpus)、蔷薇(Rosa sp.)、绣线菊(Spiraea hypericifolia)、老鹳草(Geranium dahuricum)、天山羽衣草(Alchemilla tianschanica)、羊角芹(Aegopodium podagraria)等。

该8 hm²的固定样地为200 m(南北向上坡)×400 m(东西向等高)，海拔介于1 958~2 188 m之间。若以东西向为0°，则样地向西北顺时针偏角149°。

1.2 样地建立

通过对站内森林群落分布、地形、人为干扰等因素进行充分调查后，选定样地坐标原点，记为“0000”。于图纸上按20 m×20 m的森林标准样方(共200个)逐步划定8 hm²大样地，在每个20 m×20 m样方的顶点规划好样方界桩的坐标标号，如“0115”，前2位“01”为行编号，后2位“15”为列编号，以样地原点开始依次编号。

从原点起始，使用全站仪将按20 m×20 m的森林标准样方逐步划定8 hm²样地。在每个20 m×20 m样方的顶点做好临时性标记，然后埋设永久性标准水泥界桩(10 cm×10 cm×70 cm)，界桩露出地表 25 cm，把预先定好的标号用颜料喷涂在对应的界桩之上。

使用全站仪确定每个界桩基点时，记录每相邻2点之间的相对高差、坡面角度、测量方向、斜面距离等。由于林间通透性和地形等因素的影响，工作中适当通过位置转点来确定各样方基点，直至整个8 hm²固定样地界桩基点确定工作全部完成。

2 样地调查

样地界桩基点全部确定后，组织专业人员分组依次对每个20 m×20 m的样方内胸径(距地表 1.3 m处)大于1 cm的所有木本植物(包括藤本植物和灌木)进行每木检尺。为便于调查并避免遗漏，用样方绳将20 m×20 m样方(以下简称大样方)继续划分为4个10 m×10 m的样方(以下简称小样方)，以样方东北角基点坐标为起点，依顺时针方向将4个小样方以坐标系统命名为(1，1)，(1，2)，(1，3)，(1，4)，在4个小样方内仍然依顺时针方向逐步开展工作。

在所有胸径大于1 cm的木本植物的胸径(距地表 1.3 m处)处，涂上红漆作为标识，并在红漆标识上方20 cm以上部位按顺序涂写该株树木在大样方内的编号；如果某植株在胸径以下有分株，则在每个胸径大于1 cm的分株胸径处均漆以油漆标识并按次序编号；若在胸径处有分枝，则在梢下方做标识，编号，视为1株；若植株不及1.3 m高，则视为幼株加以记录；对于灌木由于分枝太多，则以丛为单位编号，选择其中较大分枝进行测量。比如，标识编号“20/45”意味着该株树木所在的大样方编号为20，并且该株树木在第20号大样方内为第45株被调查的树木，依次类推。

对每一株涂写编号和标识的树木(或分株)，用胸径尺测量胸径、用测高仪测量株高、用皮尺测量其在大样方的坐标位置(x，y)，坐标统一为以样地的行作为X轴、以样地的列作为Y轴。从大样方内第1个样方的第1个标识植株开始，按编号顺序调查，直到完成该大样方所有标识植株的调查。同时，在统一规范的样方调查表上，记录每株调查树木的样方编号、植株编号、树种名称、胸径、株高、坐标等信息。最后，清查大样方内所有胸径小于1 cm而未调查的幼苗种类和株数，清查大样方内所有枯立木(无论胸径是否大于1 cm)和倒木(胸径大于1 cm)的种类、株数、胸径、株高、坐标等信息，同样记录于调查表上。

每日工作完成后，对所调查的数据进行整理，并将整个大样地内的植株按大样方顺序和大样方内的编号顺序进行排序重编号，起始记录为“00001”，依次递进。按此编号制作铭牌，并于次日在对应的植株上钉上该标号的铭牌。

调查结果表明：在该8 hm²大样地内，胸径小于1 cm的天山云杉幼苗6 971株；胸径大于1 cm的天山云杉11 733株，平均胸径12.7 cm、平均树高9.9 m；胸径大于1 cm的黑果小檗32株、天山花楸29株、忍冬27株、黑果荀子4株，另有蔷薇、绣线菊各若干丛。

8 hm²大型固定样地的调查工作完成后，对所有调查信息归类整理进行初步统计分析并形成初级数据库，由专家对样地建立情况及调查结果进行复查、验收。专家验收合格后，以本次样地建设和调查为基础，计划逐步将该8 hm²固定样地扩展为50 hm²，并且每5年复查1次，为天山云杉森林大型固定样地的长期定位观测研究打下坚实基础。

3 样地基础信息的三维可视化实现 3.1 地形模拟

利用ArcGIS9.3等GIS软件，将由GPS测量的样地4个顶点经纬度数据导入ArcGIS Desktop中，生成.shp格式的点文件。由于GPS测点误差以及全站仪在建立样地时的测量误差，4个顶点所构成的矩形与标准的200 m×400 m存有可接受的微小差距。为了使地形模拟得准确，通过软件编辑功能将顶点略做微调，使得大样地在可视化的GIS图层中为标准的200 m×400 m矩形。按照小样方基桩的测点信息，按照小样方的实际在软件内将样地划分为200个20 m×20 m的样方，生成所有基点的.shp格式点文件。

根据该样地建立时所测量的各基点之间的坡度值，配合样地4个顶点的海拔高程值(GPS测量)，编制程序计算出样地内每个基点的海拔，将此高程信息对应的编辑到每个基桩的空间属性数据中。通过ArcGIS9.3的空间分析模块，采取适合等高线的样条曲线插值方法，生成该8 hm²固定样地的等高线地形图，精度为0.5 m，见图 2。

3.2 植株加载

根据样地调查数据整理，生成字段分别为植株编号、坐标(x，y)、胸径、株高的表文件；再由校正后的大样地原点的大地坐标，通过编制程序推算出每株植物的大地坐标，并重新生成表文件，然后导入至ArcGIS Desktop中。经加载，得到全部调查植株的点文件。由于样地有一定偏角，通过编辑工具追踪、空间配准等方法，对所有植株点文件进行校正，最终得到每株被调查的植株在图件中准确的空间位置，同样生成.shp格式的点文件。

地形模拟与植株加载的2步工作为整个大样地基础信息的三维仿真模拟打下了基础。

3.3 样地三维仿真模拟

利用GIS软件中的3D分析工具(3D analysis-Create/Modify TIN Create TIN From Feature)，将等高线地形图(图 2)生成不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)地形模型。TIN地形模型是以三角形作为构成地形模型的基本面元，它直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续的、相互联结的三角网组成。利用晕渲方法通过选取该TIN图层的properties-symbology，选择add添加按钮，选择一种晕渲方法(face elevation with graduated color ramp)。根据高程属性赋予图件一个颜色集，用不同的颜色表现地形的起伏变化，则生成TIN地形效果图，见图 3。

在ArcScene中，同时加入TIN地形效果图、样地基点和植株的.shp格式点文件，以TIN表面为相对基础高程，在ArcGIS自带的三维植株模型库中对不同树种选取较合适的植株图示，对各基点选用三维点柱进行叠加，通过飞行录制等操作可得到该大样地的三维模拟演示效果，见图 4。图 4只是对样地三维效果进行示例，在实际操作过程中可以根据需要任意叠加、旋转、飞行等直观查询。

3.4 样地基础信息的管理

样地基础信息的三维可视化实现后，通过ArcGIS软件的相关模块可以实现对样地本身及植株的各类位置信息和状态信息(属性)进行定位查询、实时更新、统计分析等工作。与传统的固定样地信息管理系统不同，除具有完整的样地数据库，可以对样地属性数据进行查询、更新、编辑、统计外，更重要的是它具有地理信息，可同时将地形因子(海拔、坡度、坡向)与森林群落演替、植物生理、生长、空间格局、多样性、人为干扰等结合起来开展研究，同时它的可视化效果使得对森林群落动态的刻画更为直观。这对该8 hm²大型固定样地的长期管理与维护，对天山云杉森林群落演替特征分析等具有非常必要的基础性作用。

4 讨论

经新疆林业科学院森林生态研究所与新疆大学绿洲生态教育部重点实验室合作，历时3个多月，在天山森林生态系统定位研究站终于建立了8 hm²的天山云杉森林大型固定监测样地，并且最终实现了对该样地基础信息的三维可视化管理与分析。

需要说明的是，由于工作中只对样地内的地形数据做了实际测量，而对样地外的地形尚未开展大范围的实测工作，所以，虽然样地内的三维模拟场景与实际情况高度一致，但样地外的地形则与实际情况有一定出入。另外，本工作只是在ArcGIS自带的三维植株模型库中对不同树种选取较合适的植株图示，而没有综合利用其他软件进行自行创建，这在一定程度上减弱了最终模拟效果的逼真程度。后续的工作将对上诉略微缺憾进行必要的弥补。

在实测地形数据的基础上，利用ArcGIS9.3对其进行三维仿真模拟在森林及生态信息资源管理中尚不多见(张贵等，2009；谢绍锋等，2007；2009；冷文芳等，2008；刘献伦等，2007)，特别是在对大型固定样地管理中的应用更少。该8 hm²大型固定样地是借鉴了CTFS大样地建设的思路和方法并结合天山森林生态系统定位研究站实际情况建立起来的，这为天山北坡云杉森林长期定位监测研究打下了坚实基础。相信本工作的有益尝试可以为同类大型固定样地工作提供有益借鉴。