譚緒泉 谷建才 孫榮喜 陳平 馬旺 趙上

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定，071000) (中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)所) (河北農(nóng)業(yè)大學(xué))

基于Excel VBA實(shí)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算1)

譚緒泉 谷建才 孫榮喜 陳平 馬旺 趙上

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定，071000) (中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)所) (河北農(nóng)業(yè)大學(xué))

利用Excel VBA對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，可避免數(shù)據(jù)量巨大、計(jì)算耗時(shí)長，且容易出錯(cuò)的問題，大大減少在林分空間結(jié)構(gòu)分析上的時(shí)間和精力，達(dá)到數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化。林分空間結(jié)構(gòu)主要參數(shù)以大小比數(shù)、角尺度和混交度為主要計(jì)算指標(biāo)，計(jì)算過程的主體結(jié)構(gòu)為二次遍歷。通過林分內(nèi)各株立木的坐標(biāo)計(jì)算其相對(duì)位置，在遍歷相鄰木時(shí)對(duì)其是否為最近相鄰木進(jìn)行判斷，并在尋找到最近相鄰木之后計(jì)算中心木的相應(yīng)指標(biāo)，然后輸出計(jì)算結(jié)果。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證，基于Excel VBA開發(fā)的林分空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算程序，能滿足林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算的需要，計(jì)算過程簡單，計(jì)算結(jié)果可靠，可以作為林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析的依據(jù)。林分空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算程序，可以減少人工計(jì)算時(shí)間，有較高的實(shí)用價(jià)值。

森林經(jīng)理學(xué);Excel VBA;林分空間結(jié)構(gòu);自動(dòng)化計(jì)算;二次開發(fā)

Microsoft Excel是微軟公司辦公套裝軟件Microsoft office中的一個(gè)重要組成部分，它可以進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)分析和輔助決策操作，廣泛地應(yīng)用于管理、統(tǒng)計(jì)財(cái)經(jīng)、金融等眾多領(lǐng)域。

在有關(guān)森林結(jié)構(gòu)與功能的研究中，森林結(jié)構(gòu)處于重要地位，它決定了森林功能。林分空間結(jié)構(gòu)是指林木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式[1]，反映了森林群落內(nèi)物種的空間關(guān)系。林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)林木生長有著十分重要的作用，不同的林分結(jié)構(gòu)對(duì)林木生長產(chǎn)生的影響也不同。林分空間結(jié)構(gòu)包括的內(nèi)容很多[2]，一般從3個(gè)方面進(jìn)行描述:樹種空間隔離程度(即混交)，林木個(gè)體大小分化程度(即競爭)，林木個(gè)體在水平面上的分布形式，即林木空間分布格局[3-7]。因此可以得出林分空間結(jié)構(gòu)決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢及其空間生態(tài)位，在很大程度上決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展方向和經(jīng)營措施[8-10]，已經(jīng)成為森林經(jīng)營中的重要因素。

1 VBA簡介

Visual Basic for Applications，簡稱VBA，它是新一代標(biāo)準(zhǔn)宏語言，是基于Visual Basic發(fā)展而來的，二者具有相似的語言結(jié)構(gòu)。VBA不但繼承了VB的開發(fā)機(jī)制，而且它們的集成開發(fā)環(huán)境IDE(Intergrated Development Environment)也幾乎相同。Visual Basic作為一套獨(dú)立的Windows系統(tǒng)開發(fā)工具，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序，是一種可視化的、面向?qū)ο蟮?、采用事件?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言。它具有高效率、簡單易學(xué)及功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。經(jīng)過優(yōu)化，VBA專門用于Office辦公軟件各組件的應(yīng)用開發(fā)[11]。

2 林分空間結(jié)構(gòu)的需求分析

林分空間結(jié)構(gòu)分析，要求分析任意一株立木與調(diào)查樣地內(nèi)所有其它立木的相關(guān)關(guān)系，找到最近的n株相鄰木，并且計(jì)算相應(yīng)的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)。其分析、計(jì)算過程復(fù)雜，在Excel電子表格用戶界面中無法一次實(shí)現(xiàn)，而通過填寫函數(shù)手動(dòng)計(jì)算，由于林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)查樣地一般都大于幾千平方米，數(shù)據(jù)量巨大，計(jì)算耗時(shí)長，且容易出錯(cuò)，因而也不是最佳選擇?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)成型的帶有林分空間結(jié)構(gòu)處理模塊的分析軟件，幾乎全部為商業(yè)軟件，對(duì)于一般研究者和學(xué)生來說，沒有經(jīng)濟(jì)能力去購買專業(yè)分析軟件。

因此，利用Excel擴(kuò)展開發(fā)語言VBA，可以輕松實(shí)現(xiàn)上面復(fù)雜的分析、計(jì)算過程，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行分析與計(jì)算，直接在電子表格用戶界面中輸出計(jì)算結(jié)果，使林分空間結(jié)構(gòu)分析自動(dòng)化與智能化。

了解了林分空間結(jié)構(gòu)分析的過程，就能自己動(dòng)手寫出代碼，實(shí)現(xiàn)所要求的功能。其最主要的過程是進(jìn)行中心木與相鄰木的比較分析，這就需要對(duì)調(diào)查地內(nèi)所有立木數(shù)據(jù)做兩兩比較。假設(shè)調(diào)查地內(nèi)共有m條不重復(fù)的立木記錄，設(shè)定最近相鄰木數(shù)量為n株，通過對(duì)調(diào)查范圍內(nèi)m條記錄做兩層遍歷，即可以實(shí)現(xiàn)兩兩比較的目的。同時(shí)在進(jìn)行m條記錄兩兩比較的同時(shí)，使用數(shù)組來存儲(chǔ)符合要求的n株最近相鄰木的記錄，并進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算。

3 林分空間結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

林分的空間結(jié)構(gòu)反映了森林群落內(nèi)物種間的空間關(guān)系，即林分中林木的水平分布格局和空間排列方式，主要選用以下3個(gè)參數(shù):①反應(yīng)林木個(gè)體大小(胸徑、樹高和樹冠等)分化程度的大小比數(shù);②反映林木個(gè)體在林地上的水平分布及林木空間分布格局的角尺度;③體現(xiàn)樹種空間隔離程度的樹種混交度。具體計(jì)算公式請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[3]、[4]、[12]中的計(jì)算公式。

林分空間結(jié)構(gòu)分析的主要思想是:以林分內(nèi)某株立木作為中心木，比較中心木與其最近的n株相鄰木的各項(xiàng)測樹因子。

在代碼編寫過程中涉及到的林分空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有:

①大小比數(shù)。大小比數(shù)(Ui)被定義為大于中心木的相鄰木數(shù)占所考查的n株最近相鄰木的比例。

②角尺度。角尺度(Wi)被定義為夾角小于標(biāo)準(zhǔn)角的株數(shù)占所考查的最近相鄰木的比例。林分平均角尺度大于0.517時(shí)為團(tuán)狀分布，小于0.475時(shí)為均勻分布，[0.475，0.517]時(shí)為隨機(jī)分布[7]。

③混交度?；旖欢?Mi)被定義為距離中心木最近的n株相鄰木與中心木不屬同種的個(gè)體所占的比例。林木混交度取值范圍[0，1]，Mi=0表示，4株鄰近木與中心木均屬于同一樹種，中心木為零度混交;Mi=1表示，4株鄰近木與中心木均屬于不同樹種，中心木為極強(qiáng)度混交。

林分混交度取值范圍為[0，1]，取值為0表示零度混交，即純林;取值為1，表示極強(qiáng)度混交。

4 林分空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算的流程圖及代碼設(shè)計(jì)

在Excel中，林分空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織形式:列為字段，即各項(xiàng)調(diào)查因子;行為記錄，即調(diào)查地內(nèi)每株立木相關(guān)調(diào)查因子的集合為一條記錄。

林分空間結(jié)構(gòu)立木數(shù)據(jù)的主要字段有:樹種、X距離(或方位角)、Y距離(或極半徑)、胸徑、樹高。這5項(xiàng)是最基本的字段，根據(jù)需要，還可以將有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)添加為新的字段。文中將含有調(diào)查地內(nèi)所有立木記錄的單元格區(qū)域稱為數(shù)據(jù)區(qū)，假設(shè)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)有m條記錄，5個(gè)字段(以上5個(gè)基本字段)，設(shè)定相鄰木數(shù)目為n。

林分空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算的流程見圖1，黑色虛線框內(nèi)為Excel VBA代碼執(zhí)行部分，黑色虛線框外是Excel電子表格用戶界面部分。在代碼執(zhí)行部分，計(jì)算機(jī)通過第一層遍歷，計(jì)算調(diào)查地內(nèi)每株立木的空間結(jié)構(gòu)參數(shù);通過第二層遍歷，找到調(diào)查地內(nèi)第i株立木的n株最近相鄰木，然后計(jì)算其空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。兩層遍歷結(jié)束后，輸出調(diào)查地內(nèi)每株立木的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)計(jì)算指標(biāo)參數(shù)的需求，還可以在自動(dòng)計(jì)算主要流程中添加其它空間參數(shù)和非空間參數(shù)的計(jì)算模塊，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行功能上的擴(kuò)展。

圖1 林分空間結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算流程

林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算程序流程部分的主要代碼如下:

5 結(jié)果

代碼完全編寫完成后，林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算程序通過調(diào)試。使用絕對(duì)均勻分布、胸徑值相同、樹高值相同的林分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況;使用聚集分布和隨機(jī)分布的林分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

下面以承德市隆化縣茅荊壩林場油松林為例，對(duì)程序結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

該油松林位于隆化縣茅荊壩林場范圍內(nèi)，海拔800m，西坡，坡度 9°，郁閉度 0.3，林齡約 45 a，林分密度為417 株/hm2。調(diào)查方法為設(shè)置圓形調(diào)查樣地，樣地半徑30m，對(duì)樣地范圍內(nèi)的立木進(jìn)行每木檢尺，其所處的位置，使用方位角和半徑記錄，調(diào)查林木的胸徑、樹高、東西冠幅、南北冠幅等內(nèi)容。立木分布如圖2所示，直接觀察可知，林分內(nèi)立木分布未呈現(xiàn)明顯的均勻分布狀態(tài)，林內(nèi)出現(xiàn)較大的空隙，其分布應(yīng)以隨機(jī)分布或者偏于聚集分布為主。

圖2 立木分布示意圖

將林分調(diào)查數(shù)據(jù)錄入Excel電子表格中，部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示如表1。

表1 部分林分調(diào)查數(shù)據(jù)

啟動(dòng)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算程序，設(shè)置臨近木數(shù)量為4，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)計(jì)算出該林分樣地內(nèi)每株立木的大小比數(shù)、角尺度以及混交度。由于該林分為油松純林，混交度計(jì)算結(jié)果全部顯示為0。大小比數(shù)和角尺度的計(jì)算結(jié)果在每株立木數(shù)據(jù)后即刻顯示出來，計(jì)算機(jī)同時(shí)自動(dòng)計(jì)算該林分樣地內(nèi)所有立木的平均大小比數(shù)，平均角尺度和平均混交度。

經(jīng)計(jì)算得知，該林分樣地的平均大小比數(shù)為0.46，平均角尺度為0.55，平均混交度為0。林分平均角尺度大于0.517，屬于聚集分布狀態(tài)。

在樣地立木數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一株立木作為中心木，手動(dòng)查找其最近的4株臨近木，經(jīng)手動(dòng)計(jì)算所選中心木的各項(xiàng)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)后，比較發(fā)現(xiàn)程序自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果一致。

表2 隨機(jī)選取的中心木與其最近的4株臨近木

使用現(xiàn)實(shí)調(diào)查林分內(nèi)的立木數(shù)據(jù)進(jìn)行程序結(jié)果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可靠，符合應(yīng)用要求，在林分空間結(jié)構(gòu)分析中可以使用。

6 結(jié)束語

Microsoft Excel程序在科學(xué)研究與日常生活中使用廣泛，利用Excel VBA進(jìn)行二次開發(fā)，可以使在Excel電子表格用戶界面中無法一次完成的復(fù)雜工作得到簡化與實(shí)現(xiàn)，節(jié)省工作時(shí)間，將更多的精力用于研究方法與數(shù)據(jù)處理方法的思考中。林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算程序的開發(fā)，節(jié)省了有關(guān)林分空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理的大量時(shí)間和精力，通過添加不同計(jì)算模塊，自動(dòng)計(jì)算程序在使用功能上還有很大的繼續(xù)擴(kuò)展?jié)摿Α?/p>

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Auto-Calculation of Spatial Structure Parameters for Forest Stand Based on Excel VBA

/Tan Xuquan，Gu Jiancai(School of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding 071000，P.R.China);Sun Rongxi(Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry);Chen Ping，Ma Wang，Zhao Shang(Agricultural University of Hebei)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-116～118

Forest management;Excel VBA;Spatial structure;Auto-calculation;Further development

S757

1)國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200804022F)。

譚緒泉，男，1985年1月生，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。

谷建才，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail:gujiancai@126.com。

2010年9月20日。

責(zé)任編輯:戴芳天。

Further development of calculation of forest stand-level spatial structure was conducted with the Visual Basic for Applications(VBA)in Excel to realize the auto-calculation of spatial structure parameters for forest stand，which solve several problems on huge data size，time consuming and error-prone.The main calculated parameters for forest stand spatial structure include diameter ratios(neighborhood comparison)，angle scales(neighborhood pattern)and mixed degree(mingling degree).The main structure is twice traversing.The relative position of each standing tree in the forest stand is calculated by the first traversing.Moreover，determine the closest neighbor tree by the second traversing and calculate the parameters of the central tree.Then output the results in Excel for users.Through debugging and testing，auto-calculation program of Excel VBA-Based forest stand spatial structure can fully meet the demand for the parameter calculation of forest stand spatial structure.The auto-calculation program，with simple procedure and reliable results，is very applicable due to its less time consuming，and it can provide a basis for further analysis of forest stand spatial structure.