採訪記者 : j 於 December 20, 19100 at 10:09:54 :

新聞內容 :

GIS在台灣森林生態系經營之應用
馮豐隆*
《摘要》
森林生態系經營的對象依層級(Hierarchy)和尺度(Scale)而不同，生態系可以應用地景生態學(landscape ecology)與層級理論(hierarchy theory)來定義不同生態組織等級間的關係。而生態系透過過程與格局交互影響，來加以描述。而生態系的組成結構、功能與變化過程，一般可以由經營者來定義。森林生態系裏，林木組成林分，林分又為森林地景的組成分，這種組成在不同時間、空間尺度下，亦呈層級分布。自然環境的限制與人類經營管理行為和干擾影響森林的組織、結構、格局與生長變化。而此皆可用不同層級、時間尺度與空間尺度，來加以描述。而GIS正是整合資源與環境資料庫以提供不同層級、時間尺度與空間尺度分析的很好工具。
本研究，(一)由森林生物因子與生育地因子說明，建立於GIS的台灣森林生態系多尺度資料庫與資訊庫內容與來源；(二)4S科技於資料收集、貯存上之應用；(三)利用GIS擷取地理資料建立空間推估模式與時間預測模式；(四)探討如何應用GIS在台灣全島生態分區與行政分區的分類上；(五)全島生態分區及行政分區層級對生態系經營的生物生態與社會經濟的準則與指標值所造成的影響。另外，(六)如何以GIS的分析技術探討應用生物生態與社會經濟的假設情境來模擬評估各種策略與經營管理措施對森林生態系林木、林分與森林地景等多層級影響變化；(七)資訊尺度擴大問題；(八)建立生態系長期監測系統；(九)結合GIS與地景生態系，加速空間森林模擬於生態系經營規劃上之應用；(十)完成生態系適應性經營計畫；以完成生態系經營的精髓。

《關鍵詞》地理資訊系統、生態系經營、多層級資料庫、生態分區、空間推估模式、時間預測模式、假設情境。

Abstract

The objectives of forest ecosystem management are different with hierarchical levels and scale. The relationship of ecological levels could be defined by landscape ecology and hierarchy theory. Ecosystem could be described by the interaction of landscape patterns and processes. We have to estimate the status, function and change of ecosystem for the decision-making of forest ecosystem management. Individual trees made up stand. Landscape is composed of many stands. There are many landscapes in forest ecosystem. There is hierarchical system in individual tree, stand, landscape and ecosystem in different temporal scale and spatial scale. The constrain of natural environment, the behavior of management and the disturbance of forest would affect the composition, structure, pattern and change of forest in different levels, spatial scale and temporal scale. GIS is a tool for integrating the database of natural resource and environment. In the same time, GIS is a good tool for spatial analysis of time series in different levels, also.
In the study, GIS were applied in ecosystem management (EM) as follows: (1) To develop the forest ecosystem multi-scale database of Taiwan in biology and habitat. (2) 4S techniques were used to data collection and storage (3) GIS were used to retrieve the data for developing spatial interpolation models and predict model. (4) Apply the GISs for eco-region classification. (5) To set up the criteria and index of sustainability in different levels and eco-regions.(6) GIS were used to interpolate and display the results of simulation with bio-ecological scenarios or/and social-economical scenarios in different spatial and temporal scales. (7) To scale-up the information of different scales. (8) To build up the monitoring system of ecosystem management with 4S technique (9) To integrate GIS and landscape ecology in designing the desired future condition (10) To do adaptive management in forest ecosystem management with experimental design.

《key words》GIS , Ecosystem management , Multi-scale , Eco-region , Spatial model , Predict model , Scenario






*Professor of Department of Forestry , National Chung Hsing University
Tel: 04-2854060 Fax: 04-2872027 E-mail: flfeng@nchu.edu.tw
一、前言
生態系經營理念正主導我國等先進國家的森林經營方向。生態系經營（Ecosystem management, EM）是一種設計來維護或促進生態系健康、生物歧異度（多樣性），提高生產力的資源經營管理系統。在生物、生態、及社會、經濟可接受的風險限度範圍內，生產財貨商品和符合人們需要與慾望的勞務（American Forest of Paper Association, 1994）。所以，生態系經營係同時考慮生物生態的供給面和社會經濟的需求面，使用符合生態過程的生態原則有關的知識與技術來經營保育森林，使森林各項重要資源得到最佳的維護與利用，以達森林生態系能永續地提供人類社會所需的財貨與勞務，且不會因人類的不當使用而使資源枯竭，不可回復。
生態系經營是當今自然資源經營管理的最佳理念。生態系經營理念正主導我國等先進國家的森林經營方向。然而，如何使理論落實執行，仍需周詳規劃。利用4S(RS、GPS、GIS與PSP)科技，使森林透過地景生態學原理以長期試驗經營方式，進行適應性的經營管理，以達森林生態系永續的多樣性、健康、生產力，且符合人民需求與環境價值。
(一)生態系經營(Ecosystem management, EM)
1.生態系
生態系係指生命與環境交互作用的地方謂之。Tansley (1935)引用生態系(Ecosystem)這個字；Major (1969)闡敘生態系統是由許多生物與無生物因子組成，生態系使生物界與物理界結合成一完整架構(holistic framework)的生態系統，可以加以描述、評估和經營(Rowe, 1992)。Coveins (1993)稱本世紀最有影響力的生態系定義為Lindeman (1942)所下的定義：生態系為某範圍下，在任何時間、空間，由物理－化學－生物的過程活動，如生物群叢和其環境，此意味著生態系由生物與無生物環境組成，且沒有內在尺度的限制。
生態系的結構、組成和功能是由能量、水分、養分和干擾梯度來調整，而這個梯度則由氣候、地形(physiograph)、土壤、水文、動物相和植物相所影響(Barner et al., 1982；Jordom, 1982；Spies & Barner, 1985)，而此因子在不同空間、時間尺度下改變。即生態系統是存在許多空間尺度。
David (1997)生態系經營最重要的地方在永續性(Sustainalility)和生態整合性(ecological integrity)。希望在適當的經營下，生態系將繼續地永遠的提供財貨與勞務，亦如(1)設定目標在生態系的生態限制下生產的財貨與勞務；(2)在大的空間尺度下，維持生態系結構的複雜性、功能與過程(Gosz, 1992)。
所以生態系(1)對生物與無生物組成是同等重要；(2)探討多尺度的生態過程潛能。
2.生態系經營
以較大範圍的生態系為考量，或以地景生態學及其生態系的動態方法，來描述、模擬能流與物流的循環，且以某適合的空間尺度來定義經營生態系。森林經營近年來強調期間干擾和連續開發對生態系動態實體的影響(Botkin, 1990)。其對象有生物體(如種子、花粉、全株樹、動物等)、生物導出的結構(如枯木、桿材)和生物性格局(如土壤群)。在干擾前後回復的狀況，生態系經營較強調永續導向的生態系財貨與勞務協調產出，而不是多目標經營所強調的目標經營。
Franklin (1997)於回顧生態系經營中，論及生態系觀念、生態系經營觀念、生態系動態、生態系經營與過去經營計畫有關、生態系經營的概念觀點、生態系經營元素外，更強調：
(1)生態系觀念與地景生態學
(2)生態系經營在多層級空間尺度
A.單株／林分層級的育林
B.地景層級經營
(3)整合性經營
(4)適應性經營－經營活動為工作假說
－適應性經營最主要的部分，即發展和執行值得信賴的監測計畫，且由許多單位共同執行
(5)分散式的嵌塊皆伐－學習經驗、試驗經營
A.發展並延用高集約後的濱河保育策略
B.整合陸域／水域和多種物種目標設計後期演替保留區系統
C.強調適應性經營方法，包括特殊位置的辨認與特殊尺度／適應性經營區(Adaptive management area, AMA)

Grumbine (1994)認為生態系經營的基礎為生態系保護、回復，且需由空間與時間尺度來加以考量。Grumbine (1994)認為生態系經營的10個主要主題為：
1.多尺度的層級內容(hierachical context) 6.監測(monitoring)
2.辨認生態邊界 7.適應性經營
3.生態整體性(ecological integrity) 8.整合不同組織與合作
4.系統研究 9.組織改變
5.資料收集 10.人類是生態系的一份子
11.人類價值觀是目標設立的主要原因

其實，生態系的主題、主觀往往都是見人見智，但可確定的是生態系經營為一確保永續(Sustainalility)的生態系經營系統。而這個永續是考慮全方位各種財貨與勞務永續的基礎在於維護物理和生物元素的生產力；所以Franklin (1997)建議生態系經營兩個指導原則：
(1)避免我們的土地與水的生產潛能變差－即淨生產力不為負(生產力)；
(2)避免基因、物種、地景的歧異度加速消失，也確信演替過程(evolutionary processes)會導致歧異度的改變－即沒有歧異度的消失。

Grumbine (1994)認為若要達到生態整體性，則需考慮以下數端：
(1)原生種類族群的範圍；(2)自然干擾範圍；(3)鄉土特有種；(4)代表不同生態系性質的變異。

生態系整合性是達成永續不可或缺，亦即生態系經營以
(1)整體觀點(holistic view)－集水區－流域
(2)整合、組成方法(integrative or synthetic approach)－整合陸域和水域
(3)由傳統經濟考量、物種導向的計畫，在整體的永續生態系經營(且重於研究與監測計畫)

●ETM
植物接受陽光行光合作用，食草動物取食植物，然後被肉食性動物捕食，一直到最上層的捕食者，構成以上層食物鏈捕食者為核心的食物網，此即為最大生態物件（largest ecological object）。Cousins (1988, 1990)稱此為生態系營養模組(Ecosystem Tropic Modules, ETM)或營養模組(ecotropic module)。
吾人要觀察的是什麼範圍？其實，以ETM來講，是由吾人想要解決的問題來決定。
Perez Trejo (1993)地景反應單元(landscape response units)：直接觀察的生態系物件和資料，需要建到GIS內，類似地，如人類的貿易活動。

(二)生態系經營與地景生態學
地景生態學（Landscape Ecology）：為研究地景或地理圈（包括動物、植物和人類族群）的現象和過程的關係(Vink, 1983)或研究異質土地在生態過程作用下的結構、功能與變遷(Forman & Godon, 1986)。
地景生態學係以較大的空間尺度而不用林分(fores tstand, patch)，來探討有關生物與無生物資源，在較大空間格局的生態關係。廣泛地說即研究嵌塊體的生態影響(ecological effects)和其相互作用(包括累積效應)。不理想的累積效應或森林生育地的破碎化，皆會使生態系無法發揮生態功能。
最近地景生態學理論發展強調格局(pattern)和過程(process)的相關，以及空間尺度的改變，如何影響這種關係(Addicott et al., 1987; Brown & Allen, 1989; O'Nell et al., 1991; Cornell & Lawton, 1992; Pahliwostl, 1993)。
地景的嵌塊體動態的性質、棲息地的破碎化對生物歧異度的影響、對族群動態的影響(Turner, 1987; Lord & Norton, 1990; May & Soruthwood, 1990; Kolasa & Pickett, 1991)。
有許多經營者要面對的問題：
1.森林破碎化 5.累積效應
2.生物歧異度的消失 6.老林木－生產力的增加
3.邊緣效應 7.瀕臨滅絕動物／危急的生態系
4.整合資源經營 8.保續經營

凡此皆是或多或少與空間有關。整合空間分析於生態系規劃與經營活動中，考慮在多種時間、空間尺度下格局對生物與無生物過程的影響。
希望森林經營提供具永續生產力、多樣性及健康的森林生態系，則需應用森林地景經營（Forest landscape management），就也將是森林經營新的挑戰。森林地景經營是同時經營森林經濟價值及生態價值的有效方法。透過空間地景結構和動態控制，來保育生態生物歧異度、維持森林生產力、維續森林生態系的健康。地景經營可以反應社會經濟、生物生態和知識技術方面的經營規劃，同時完成永續的生物生態、社會經濟功能，以生產提供人類所需要的財貨與勞務。

(三)層級理論與尺度考量
在生態系的研究裏，"尺度"是一非常重要的因子，如森林組成、結構、生物歧異度、森林動態、干擾過程等，都與尺度有關。在不同的時間、空間尺度下，其生態系的結構與功能，也會產生不同的影響。單株或林分層級的推估、預測模式，應用於地景層級裏，則會因為在地景層級的活動過程，而更顯得複雜。
Laurance (1991)、Chen et al. (1992)在森林地景邊緣研究發現，當前森林地景邊緣的現象是由其附近地覆型所造成。所以，通常地景受單獨的鑲嵌體作用並不重要，而是由於鑲嵌體間有互相作用，所以整個地景的性質與過程不是簡單地累積鑲嵌體的性質、過程即可。這些鑲嵌體間的互動或逐漸變化所造成的影響，不能被忽略，而這種逐漸變化所造成的影響，應由更大、更廣的地景來探討(Bedford, 1996)。
地景生態學尺度劃分的工作在於使觀察的現象，可以更簡化、更清楚說明。在不同空間與時間尺度下決策，若資訊的尺度過於精細或過於粗放，都將模糊決策的焦點。因此，決策時需要有明確、合理尺度的資料來源。所以，選擇適當的空間及時間尺度，對瞭解生態系是很重要的工作。馮(1996)指出應用多尺度空間決策系統，需考慮不同空間尺度－全球、區域、地區、林分、單株之性態值的現況、功能與變遷，才能掌握某時點、各空間層級的性態值組成與結構。
森林生態系經營應以集水區為劃分，以集水區為經營管理、監測的基本單元較為適當。集水區通常由分水嶺來定境界。Ruth (1997)在地景層級研究裏，將集水區視為基本土地經營單元，探討集水區內生態系能流、物流的情形。林昭遠(1999)利用數值地形模型，建立集水區動態查詢系統，以獲得集水區、地文與水文的資訊。鄭祈全等(2000)利用數值地形模型，自動判釋可以河流級序及搜尋出水口，建立多尺度的生態單元以界定多尺度的集水區範圍。
地景生態學是一種科技整合、跨領域的研究，但是存在一些問題，如各領域的引用與實際各學科的發展，觀念上有大落差，如地理學家用老的生態觀念，而生態學家用老的地理觀念。
Cousins (1993)認為地景生態學係由生態、人類與生物界的過程(processess)，造就生態複合體(ecological complex)、人為複合體(anthropo-complex)和生物複合體(ambio-complex)，然而這些地景生態學的觀念複雜性，可以使用層級理論(hierachy theory)來簡化。
層級理論(hierachy theory)在生物生態層級中，當某一層次所含的組成分，彼此結合成更高一層時，會產生新的功能特性，同時分解複合體(complexes)成為強作用或弱作用的組成分。Simon (1973)認為在某層級的物件與其上層或下層內物件是獨立，具較弱的相關，為獨立個體的聚集，而同層級的物件則有強的相關性。Rowe (1961)指出這些物件是由結構關連的部分所組成的聚集體，但在組織結構上並不是整合一起的。其實，森林的組成就是這樣，由許多植物個體聚集在一起，而不是整合成一個森林的物件。
藉由具地理位置座標的生態資料的貯存、分析，將可使這些空間資料，在建立多尺度的生態研究與生態系經營上，相當有用。Ruth (1997)利用地面調查資料、航空照片、衛星遙測影像等三個空間尺度的資料，探討土地利用的變遷。楊曼蕾(1996)利用Landsat TM影像、空載影像及由航照判釋的第三次資源調查隊判釋的惠蓀林場地覆資料，以建立分類系統。
其實，利用不同高度載台所獲得的不同尺度的地覆空間資料，可建立於相同地理資訊系統中，提供不同空間層級的生態系研究及經營所需資訊。而多尺度生態空間資訊，可以提供不同尺度下，生態系功能與結構的推算與評估。所以需要利用GIS建立多段取樣(Langley, 1969)。Childress et al. (1999) 利用網格數值資料型態的空間分析方法，結合樣區、生物社會及地景三個層級的資料，進行資料歸併(aggregation)及細分(subdivision)，以分析各尺度間的特性。目前，網格數值型態的資料是最簡單、最原始的資料，可以利用其展示與分析。
Woodmanses (1970)描述在空間尺度下，生態單元的層級關係。
Cleland, Avers et al. (1997) 論及生態單元的國家層級架構，由全球、州、地區、次地區、地景、土地單元來討論層級。生態系必須以層級分類(hierarchical classification)。
Kimmins (1989)使用生態輪伐期(ecological rotation)表示生態系在經過干擾後，回復到其未干擾前的狀況所耗費的時間。
Turner et al. (1993) 質疑回到干擾前狀況或均衡(equilibrium or homeostatic stability)的觀念，在一定的改變率和適應環境是否可以應用到族群。
尺度的層級(hierarchies of scale)亦即吾人稱的觀測尺度，其可表示不同事件，因為尺度以連續行為表示改變區分不同層級的型態(Lousins, 1993)，使得層級的平均值易於判別，所以選擇觀測尺度是探討地景生態學很重要的工作。尺度改變，其觀測的範圍改變，數量會改變，亦影響到觀測現象的型態，亦即現象因觀測尺度不同而呈現不同的事件，所以生態系主要由觀察者決定其聚集物體的邊界。
為了尋找基本的生態單元，導致許多生態學家去建立生態現象的層級系統，也造成了許多不同種類的層級系統，如界、門、綱、目、科、屬、種的分類層級(taxonomic hierarchies)係由有否演化歷史關連而來(Grene, 1987)；而群叢－族群－血源族群(dame)和生物圈－生態系－有機體，則為不同形態(Cousins, 1988)，因為群叢層級是一種觀念的層級，而不是物理的物件。

(四) 4S與生態系經營
4S，即長期調查監測具代表性的永久樣區（Permanent Sampling Plot, PSP），遠距離收集資料、資訊的遙感探測（Remote Sensing, RS），靠衛星定位系統（Global Position System, GPS）決定某地點位置的大地座標，以及將調查資料與地理位置資料結合，以具空間圖層與屬性表來表示的地理資訊系統（Geographical Information System, GIS）。
地景是不連續組織單元的交互作用所成，吾人不僅需有新的分類觀察方式，且需有辨別收集資料的新知識、技術。用遙感探測可以觀察植生，進行判釋分類，但無法決定捕食者的社會族群；植物可將水由土壤抽到大氣的能力而成不同植群結構，但遙測無法獲得水移物的力量分布。生態系物件需直接觀察且資料需建入GIS，就連人類貿易行為亦然(Perez & Trejo, 1993)，地景的過程模式對充分利用GIS是非常重要！
另外，利用4S(RS、GPS、GIS與PSP)科技，可以獲得地景結構、地景流與自然、人為干擾的資訊，更而進行目標地景之規劃設計、模擬評估與監測。在森林地景生態資訊與知識下，以長期試驗經營方式，進行適應性的經營管理。
4S(RS、GPS、GIS與PSP)科技，配合地景生態學原理與長期試驗調查研究、經營管理的知識與技術，進行森林生態系適應性的經營管理。
應用到大尺度科學的工具，如GIS、RS、DBMS與模擬之資訊，以利資源規劃與經營，生態單元圖可供規劃生態系、評估資源、進行環境分析、建立理想未來狀況、經營與監測自然資源。
近幾年有更多的自然資源經營者，利用地理資訊系統(GIS)和遙測(RS)於自然資源經營與監測，這些技術提供資源經營者分析及瞭解生態系，使其在做決策時有更好視覺效果且整合量化的資料。
GIS可以處理空間資訊，亦可處理非空間屬性資料，且將之關連於資料庫管理系統中的不同圖層裏，藉由這些資料去產生圖的資訊，更而透過地點、位置，去查詢有關資料。
GIS技術的展進，使其在貯存大量資料、經營處理分析空間資料與屬性資料更有效率。GIS亦提供建立靜態和動態的生態模式的工具，如Stow (1993)利用基於土壤型和地型性態值的靜態模式，推估沖蝕量，而利用動態GIS模式推算具代表空間地景在不同時間的變化狀況。
地理資系統於地景生態學經營理念下所提供的基礎，包含下列幾項功能(Stow, 1993)：
1、提供資料的有效儲存結構及大區域生態系範圍的經營資料；
2、使區域、地方、地景及樣區尺度的資料，彼此能歸併或分離；
3、提供研究樣區位置的性態值及求出生態敏感區域；
4、支持生態分布的空間統計分析；
5、發展遙測資訊萃取的功能；
6、發展生態系模式的輸入資料／參數。
以地理資訊系統為基礎的地理資料的建立，可以藉由各種尺度來源資料，彼此間的位相關係，提供多尺度生態系經營的基本資料庫。

(五)建立生態地理資料庫(Geo-referenced Ecosystem Database)
生態系指具生命的生物與無生物環境交互作用的地方。吾人探討生態系、經營生態系，需要建立兩種圖：一為存在的狀況(existing conditions)及隨時間改變的狀況；二為相對穩定的潛在狀況。前者透過資源調查而獲當時的植生、野生動物、水質分布等等；而後者則分析推估各生態單元可能狀況。當這兩個圖疊合後，可評估生物分布(biotic distribution)和生態過程(ecological processes)，且結果可以外推(extrapolate)到類似的生態系。而由地景生態學看生物、無生物的分布，即為地景格局(landscape pattern)。生態過程即為生態流／地景流(ecological flow/landscape flow)，格局的形成受生態過程影響，地景流不同也會造成地景格局的不一。
基本圖籍包括地形、河流、湖泊、所有權、政治邊界、文化圖徵和其他型圖，更而產生適當尺度的生態單元圖、集水區圖、水系圖、現存植生圖、野生動物族群分布圖、文化資源、經濟狀況分布圖等，以提供規劃、分析所需。
GIS提供這些資訊的主題圖－物理、生物、社會、經濟定義的圖。科學家、經營者必須使用技術整合不同主題的資訊，以瞭解過程，形成經營策略。
地景生態學需要靠資訊技術，如地理資訊系統、遙感探測、全球衛星定位系統、網路資訊系統，將森林生態系的不同空間與時間資料整合一起，且透過空間分析、屬性統計分析，將資料處理成為有效的經營設計規劃的資訊。
由實務來看，規劃、執行生態系經營（永續），並監測適應性調整的問題核心癥結在於：
1、整合研究與經營的資料與資訊、整合不同土地管理單位、整合提供經營者、各領域研究者與大眾者所有的資料及所需的資訊，以建立台灣森林生態系多層級資料庫。
2、生態系經營以宏觀的地景生態學（Landscape Ecology）著眼（亦即以集水區流域或植生地覆等地景為分類、規劃、經營之單位），如何以空間推估模式建立由點推面的地景資料？
3、建立多尺度生態分析方法，決定生態分類單元。
4、如何設立各層級具有代表性的樣本，更而由樣本資料建立各層級性態值的現況、功能與變遷。
5、如何由過去、現在的知識，由具有代表生態系的生態單元小區域研究示範的森林生態系經營研究成果，推廣應用到大面積、大範圍的地景生態格局上。
6、如何設計未來理想的目標地景格局－組成結構，以各種假設情境(Scenario)進行評估分析，以便進行實驗經營。
7、配合永久樣區（PSP）監測計畫以達適應性經營。

可以歸納生態系經營特點為(一)具整合性(二)具多尺度空間、時間決策系統(三)適應性經營，考慮社會價值與生態容量（森林生產力、健康、歧異度），而此需靠4S配合地景生態原理與數量化、圖籍化資料，來分析、探討。


二、材料與方法
(一)材料
以台灣地區及惠蓀林場森林生物生態及森林經營有關圖籍、屬性。
1.台灣地區
台灣森林之分佈，因台灣之山地海拔高度相差很大，從上到下，兼有熱、溫、寒三帶之氣候，故森林之垂直分佈，可分成熱帶、副熱帶、溫帶與寒帶四種。林業試驗所(1947)曾依據海拔高區分森林帶，並將其主要樹種列出，平均而言，台灣熱帶森林係分佈於0-500公尺之間，年平均氣溫達22℃，年雨量超過2000公釐。副熱帶森林分佈於500-1800公尺，年平均氣溫15.5-22℃，年雨量約3000公釐。溫帶森林分佈於1800-3000公尺之間，年平均氣溫8.8-15.5℃，年雨量3500公釐左右。寒帶森林限於3000公尺以上高山，年平均氣溫2.5-8.8℃，雨量較溫帶林略少，每年12月初至3月中，常見降雪。但台灣南北差異頗大，各地森林垂直分佈與上述平均數稍有出入(陳正祥，1961)。
台灣南北78條航線之32730　航空照片判釋轉繪的土地利用型圖，每3 km一點系統取樣，3996個地面樣區與4個(0.1、0.05、0.02ha)不同大小面積的樣區
以林務局(1995)第三次全省森林資源調查之土地利用型1791個土壤樣點、40m*40m數值高程模型(digital elevation model，DEM)以及經濟部水資源統一規畫委員會(1989)台灣地區雨量記錄818雨量站等各圖層經高堅泰與馮豐隆等(1998)進行生育地群集研究，收集影響生育地之因子資料，共引用海拔、坡度、坡向、年均溫、最高溫月份(七月)高均溫、最低溫月份(一月)低均溫、年雨量、冬半年雨量(10-3月)、夏半年雨量(4-9月)、土壤有效深度、土壤型、土壤級等共12因子，各因子資料經最適空間推估，完成台灣地區1km*1km之面資料共35990筆，再以群集分析將其分類成948生育地群集。結果可供後續生態系統：動植物棲息地、生育地、動物生態遷徙、植物擴展生長、…等研究之台灣地區樣區設立參考，而生態系統分類亦能利用既有群集，進行階層式群集分析，製作台灣地區生態系統分類。
影響植物生長之因子，有氣候、土壤、地形、生物，以及因子間交互作用，而氣候因子總影響著所有環境因子。台灣位處熱帶與副熱帶之區域內，中央山脈縱貫南北，地形複雜，氣候於是自熱帶至寒帶皆具，各個氣候帶各有其適應植物之分佈，各植物種亦依其最適分佈有其生長曲面。

2.惠蓀林場
惠蓀林場位於台灣中部，北緯24°00'至24°09'，東經120°57'至121°09'之間，行政區劃屬於南投縣仁愛鄉，面積7,423公頃，共有19林班，最高海拔為位於林場南方的守城大山之2,418公尺，屬烏溪水系之北港溪流域。境內地形複雜、變化多端，森林之垂直分布有亞熱、暖、溫帶森林，蘊育了高多樣性的生物資源，為台灣中部地區極具代表性之森林。
該場位於台灣本島中部，北緯24°2'至24°6'，東經120°59'至121°9'之間，行政區劃屬於南投縣仁愛鄉，林場之東西兩端僅有極少部份與山地保留地相接，餘皆與國有林野相毗鄰。自迎翠橋起至東峰溪口止，以北港溪為界，北瀕國有林八仙山事業區，東峰溪口起乃以北港溪為界，至東端以合水溪為界，與國有林大甲溪事業區接壤，南端與西端與國有林埔里事業區相鄰。
地質為第三紀砂岩與頁岩交互而成，多為粘板岩所構成之岩盤，而壤土之面積最廣。靠近溪邊之原始闊葉林內之土壤為頁岩與砂岩發育而成之弱育土，而人造杉木林區土壤則為板岩為主發育而成之淋餘土(惠蓀實驗林場經營計劃, 1982；譚鎮中, 1996)。
1995-1997年間之觀測之氣候資料為年平均溫度16.2℃，平均年降雨量為3,876 mm，平均相對濕度為92.6%。降雨集中在春夏季4-8月，枯水期約在冬季10-12月；氣溫以11月-翌年2月較低，5月-10月較高(游繁結, 1996)。
(1)使用材料
A、惠蓀林場五千分之一地圖。
B、1964、1977、1987、1996、1998年航空照片。
C、現有圖籍與屬性表(40m×40m數值地形模型、高線地形圖，步道、林班等地理資料圖，溫度、水分、全天光空域等資料)。
D、相關研究報告。

(2)整合分析用之基本圖
在空間尺度上以40m*40m為網格單元當作整合用之基本圖，分別將惠蓀林場與關刀溪試驗地之坡度、坡向、海拔、年均溫、年雨量、全天光空域、水分梯度指數及溫度指數等生育地因子資料，及不同時期土地利用型圖，製作成惠蓀林場46,639個網格單元，與關刀溪試驗地1,674個網格單元之地景格局。
在時間尺度上，則以1964年、1977年、1987年、1996年及1998年關刀溪試驗地之土地利用型，以40m*40m為網格單元進行地景變遷分析及檢定。

3.關刀溪長期生態研究區
台灣長期生態研究通訊第四期(1996)述及1994年在關刀溪集水區選一處水源地作為長期生態研究(Long Term Ecological Research, LTER)核心區做長期生態觀察區(如圖2)。為配合模式的建立與驗證，試驗區係以集水區(約47公頃)為單位，長期監測集水區的水文、養分收支，而其他生態系研究則在水源地及相鄰地區以小試區的方式進行研究。相鄰地區包括了肖楠保護區、木荷保護區、關刀溪水域等，面積共計210公頃。目前於該區之研究有土地利用森林植群、依附植物、森林生長變遷、授粉生態學、哺乳動物、鳥類群聚、昆蟲相調查、兩生爬蟲動物、魚類群聚、大型真菌、集水區水文模式、溪岸濱水帶水質化學、土壤微生物生態與養分循環、生物量生產力與養分循環等子題。
針對關刀溪森林生態系為核心研究區(如圖三)及相鄰地區包括有肖楠保護區、木荷保護區、火燒跡地、關刀溪水流域等。

圖1：惠蓀林場-關刀溪森林生態系空間多尺度一覽圖

(二)方法
1、森林生態系經營資訊系統(FEMIS)
森林生態系經營的財貨與?務的產量，主要由土地利用型（林型）和植生潛能分布區來推估。至目前為止，森林功能的預測控制機制，如不同經營管理策略對環境的影響的資訊尚缺乏，描述預測生態系過程的結果，在FEMIS有所描述。
FEMIS主要分成二個層級：一為資料經營層級，即以地理資訊系統的圖籍及屬性資料；二為模式層級，即以現況、功能與變遷的推估、預測與假設情境的模擬。此地理資訊系統，以ESRI出品的Arc/View及其相關產品，而分析模式，則以SAS配合Fortran、C++撰寫之程式。
過去模式的發展，皆以樣區（林分）或單株層級設計，往後擬由之與地景的地理圖籍的圖徵及各圖徵的性態值結合，以為建立模式之用。這些地理圖籍與屬性的建立，是很耗時、耗力。所以利用AVENEU程式撰寫及SQL資料庫程式撰寫。其中分成：
(1)單株－依台灣各主要樹種的分布的生態幅度及其最大的生長潛能，如單株材積式、樹高曲線式與單株生長模式等；
(2)林分－推算樹種組成、林分結構、林分生長、林分蓄積的模式，如直徑分布模式、林分材積推估模式、林分生長模式等；
(3)地景－點推面的空間推估模式、緩衝區空間推估模式、路網模式、聚集歸類模式、分類模式。
2、森林生態系經營實施方法步驟
(1)生態系經營理念宣導
(2)地景生態學觀念進行台灣森林生態系多尺度分類系統之建立，並針對全國與地區性生態系經營目標的擬定
(3)研擬全國及地區性生態系經營的準則與指標訂定與資料收集系統
(4)生物生態、社會經濟資料的收集及整合
(5)建立永久樣區調查與長期監測系統
(6)建立生物生態、社會經濟現況、功能與變遷的分析模式系統
(7)空間、時間尺度度擴大、縮小問題，以解決小區域研究探討的生態原則能應用到大範圍地景格局。
(8)假設情境／方案擬定、模擬、推動為確保資源之永續，確有必要規劃實施生態系經營。
(9)草擬生態系經營計畫
(10)依序執行並監測經營計劃的內容，使森林生態系經營在知識、技術、生物生態的供給面、社會經濟的需求面之增進改變下，更有效率地進行調適且永續經營。
(11)調應性經營

以上皆需靠著4S及電腦、網路技術與生態原則的獲得、應用。

三、結果與討論
本研究，(一)由森林生物因子與生育地因子說明，建立於GIS的台灣森林生態系多層級資料庫與資訊庫內容與來源；(二)如何利用GIS擷取地理資料建立空間推估模式與時間預測模式；(三)探討如何應用GIS在台灣全島生態分區與行政分區的分類上；(四)全島生態分區及行政分區層級對生態系經營的生物生態與社會經濟的準則與指標值所造成的影響。另外， (五)如何以GIS的分析技術探討應用生物生態與社會經濟的假設情境來模擬評估各種策略與經營管理措施對森林生態系林木、林分與森林地景等多層級影響變化。以完成生態系經營的精髓。
(一)森林多層級資料庫管理系統建立
依全島(台灣)／地區(惠蓀林場)／地方(關刀溪長期研究區)下的地景／單株(樣木)／林分(樣區)／地景之方式建立。
生物生態、社會經濟資料的收集及整合，盡速完成森林地理資料庫，將分散於各經營、研究單位之空間、時間的森林研究調查與經營資料、資訊彙集、整合、連結於基於GIS的多層級生態資料庫管理系統中，使生物／生態／社會／經濟的空間圖層、屬性資料在相同座標系統、尺度下，如馮豐隆(1993)提出森林資源經營保育決策支援系統圖。
有詳細的樣區、樣木或測站、測點的資料，即依測站、測點、樣區座標位置於GIS的基本圖籍裏，可與有關層級的資料加疊合分析上層級的資料，則由下層級的資料處理成上層級，如林分組成、林分結構、林分生長、林分蓄積的資料，可由樣木、單株的種類、性質、性態值的大小分布，及在時間歷程裏的變化與單株材積累積或株數密度單株材積式*直徑分布函數，推算林分蓄積成林分層級資料，而地景的性態值亦可由林分性態值整合累彙而成。至於，地方的資料，則由為樣本的各地景的性態值，推估放群的地方資料，而各具代表性的地方資料，則可推估為母族群的地區資料，更而各代表性地區資料分布推估為上一層全台灣母族群的資料。建立具有代表性之樣本資料於具座標位置的地理資訊系統中，本研究以全島(台灣)／地區(惠蓀林場)／地方(關刀溪長期研究區)／杉木鑲嵌體(地景)／及其樣區／樣木來架構資料庫。

●生態系經營資訊系統(Information Management System of Forest Ecosystem Management, IMSOFEMIS)
TFEM為特殊主題有許多不同尺度層級(如表1)。層級方面的研究，往往下層觀測資料驗證上層推算資料或以上層觀測資料驗證下層推算資料，這種由上而下(top down)或由下而上(bottom up)的尺度層級(scale hierarchy)處理方式，在本系統皆有。
本多尺度長期研究範圍係為研究預測某特殊經營策略下森林生態系結構、組成與功能的變遷，且將其由林木、林分、層級轉換至地景層級。
本研究重點以在全島地景和惠蓀林場、長期生態研究區樣區、樣木為例，說明台灣生態系經營全台灣島／各事業區／林班／造林台帳／樣區位置／樣木位置圖／土地利用型(林型／地景)／取樣方法、代表性分析之地景。
表1：台灣生態系經營資訊系統
檢視層級 主題內容 尺度範圍
全台灣島(森林地景) 基於集水區、事業區或地景單元網格 36000 Km2
惠蓀林場（地景區） 基於土地利用型單位、小集水區或林班單位，藉以評估檢視生態流程 72000 Km2
關刀溪長期生態區 以關刀溪小集水區為範圍 40 ha～200 ha
土地利用型 依土地利用型為單位檢視過程(如生長) 0.1 ha～3 Km2
樣區 檢視不同經營管理策略(如疏伐、整地、施肥) 0.01 ha～0.4 ha
樣木 檢視林木單株反應與生態過程 樹高30 cm～70 m
研究地點位置

(二)4S科技於資料收集、貯存上之應用
將RS＋PSP＋GPS＋GIS等4S科技應用於資料收集、建檔、貯存，以便完成多尺度資料收集及多層級整合性資料庫，將資源調查資料已有的資料、更新調查的資料及監測資料彙整是生態系經營不可或缺的工作。
以遙測技術（RS）收集生態系大範圍地理資料庫的資料。遙航測（RS）進行地覆、植生與土地利用型的地景觀測分類及結構組成分析。整合雷射測量儀於地面永久樣區的調查（PSP）及透過不同高度的載台、各種不同感應器等RS，配合GPS等硬體為主的整合資料收集系統，及以GIS軟體為主的多尺度資訊管理系統。
最後完成自動化野外調查資料收集系統，野外調查盡可能以感應器，配合信號傳輸系統，以增加資料收集的時間、頻率及其精度。
陳晁峰、馮豐隆(1995)利用輕航機載台，配合感應器、GIS，完成空測資料收集與資訊管理系統(Airborne Data Acquisition and Management System, ADAMS)。
馮豐隆、吳瑋軒(1999)利用遙控飛機與數位錄影機於森林資源調查與環境監測上之應用。馮豐隆、蔡政弘(1998)利用GIS配合固定樣區取樣法及變動樣區取樣法，規劃、設計永久樣區。馮豐隆、蔡政弘(2000)利用GIS路網空間分析及地理資料庫，結合比例、Neyman和Deming等二種分層取樣之分區理論，完成在森林分層取樣設計。

(三)利用GIS擷取地理資料建立空間推估模式與時間預測模式
1、建立生物生態、社會經濟現況、功能與變遷的分析模式系統
依地文、水文、氣象、土壤等生育地因子及植生、動物永久調查區，進行不同影像網格式資料的判釋、計算與推估。以水文、氣象測站點的資料、空間分析補插方法，進行面的推估。如高堅泰、馮豐隆(2000)以克利金法、趨勢面法、距離反比權重法、曲線尺規法等空間推估方法，進行溫度、雨量及土壤等生育地因子點推面推估，；馮豐隆、高堅泰(1999)以GIS資料進行水文推估；李宣德(2000)亦以此四法推估累積日照量、累積溫度；馮豐隆、黃志成(1997)利用空間模式由樣區資料推估事業區的林分結構母數。
2、空間機制模式建立／實驗模式
收集、整合、貯存這些生態系的資料、資訊，則需要靠著現今工具配合過程(機制)、統計建構生態模式，以進行生物生態資訊現況、功能、變遷的分析。如Feng F.-L. and H.-D. Lee. (2000)利用孔隙模式，結合基因與生育地因子，推估全台灣／各事業區杉木在1990-2000的林木生長量；吳昶清(2000)則進行電腦自動化的孔隙模式建立。至於分享生態資料、資訊，則必須透過網際網路（web internet）來達成。

(四)台灣全島生態分區與林地分類
依各層級生育地之生態特徵與森林功能－野生動物棲息地、基因、物種、地景歧異度、戶外遊樂活動種類場所分布；保護區、保留區、保安林、經濟林區的分布；環境美質如CO2吸收、溫室氣體減量效善、水土保持、土砂捍止、水源涵養功能以及林木生產，而加以區劃各地景主要經營目標及區劃。以多變值分析的方式，進行森林生態系層級式多尺度生育地分類系統。目前已完成者，有鄭祈全－六龜地區集水區分類；馮豐隆、高堅泰(2000)－台灣氣候區分類；Feng F.-L. and J.T. Kao. (1999)－植生生態幅度分類圖；林務局(1998)－事業區分類；邱祈榮(1997)－各事業區特性分類。
林業應以環境