吳天樂(lè)， 張燦明*， 牛艷東， 陳 望， 谷志容， 曾掌權(quán)， 肖立新

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 3.湖南八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處， 湖南 桑植 427100)

復(fù)雜山地森林固定大樣地測(cè)設(shè)方法

吳天樂(lè)1， 張燦明1*， 牛艷東1， 陳 望2， 谷志容3， 曾掌權(quán)1， 肖立新3

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 3.湖南八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處， 湖南 桑植 427100)

簡(jiǎn)述了森林固定大樣地測(cè)設(shè)基本要求；以南方地形復(fù)雜、森林茂密、通視性差的山地為例，從坐標(biāo)原點(diǎn)確定、建立閉合導(dǎo)線和全站儀放樣等方面介紹了復(fù)雜山地森林固定大樣地閉合導(dǎo)線測(cè)設(shè)方法。

固定大樣地; 測(cè)量; 全站儀

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于維持生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候、保持水土、涵養(yǎng)水源、凈化空氣和增強(qiáng)碳儲(chǔ)量以及實(shí)現(xiàn)自然資源的可持續(xù)發(fā)展，具有不可替代的作用[1-4]。Hubell[5]1980年在巴拿馬的Barro Colorado Island (BCI)建立了第1個(gè)50hm2的森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)固定大樣地，隨后陸續(xù)在其他國(guó)家和地區(qū)建立了多個(gè)固定大樣地。隨著森林面積的日益減少，由此造成的物種消失、水土流失和氣候變暖等現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。固定大樣地是研究生物多樣性、群落系統(tǒng)演化和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要平臺(tái)[6]，可為開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)物種空間分布格局、生物多樣性的形成和維持機(jī)制研究，以及全球變化的響應(yīng)提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)，受到越來(lái)越多的關(guān)注[7]。目前國(guó)際上生物多樣性監(jiān)測(cè)樣地的大小變化很大，在熱帶地區(qū)為1～52hm2，個(gè)別大樣地的面積甚至達(dá)到60hm2[8-9]。伴隨著固定大樣地在森林生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何快速、精確、節(jié)約、有效的進(jìn)行放樣越來(lái)越受到重視。由于林區(qū)地形復(fù)雜、通視性差，利用GPS進(jìn)行放樣受到限制，所以一般利用全站儀進(jìn)行放樣，并把樣地劃定n個(gè)20m×20m的樣方[10-16]。本文將介紹一種快捷、通用的復(fù)雜山地森林區(qū)固定樣地測(cè)設(shè)方法，為固定樣地的測(cè)設(shè)提供參考。

1 森林固定大樣地測(cè)設(shè)基本要求

熱帶森林大樣地大小一般為50hm2，但由于受各種條件的限制, 大樣地的大小常為16～52hm2。根據(jù)CTFS(Center for forest science)樣地設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)[5]，采用全站儀將整個(gè)樣地劃分為20m×20m的樣方，每隔20m設(shè)1個(gè)基點(diǎn)并標(biāo)記，記錄兩點(diǎn)之間的相對(duì)高差、測(cè)量方向、斜距等指標(biāo)，并在中間10m處用PVC 管標(biāo)記。固定大樣地測(cè)設(shè)完成后, 在每1個(gè)基點(diǎn)處埋設(shè)水泥樁，同時(shí)對(duì)樣地內(nèi)植被進(jìn)行定位和識(shí)別[8,11]。固定大樣地布設(shè)過(guò)程中，根據(jù)地形地貌、植被現(xiàn)狀的差異，決定測(cè)量工作量的大小。在我國(guó)南方地形復(fù)雜、植被茂密、通視性差的山地，如果沒(méi)有選擇合適的測(cè)設(shè)方法，將使測(cè)設(shè)工作占據(jù)大量的人力和物力資源，反之則節(jié)約大量人力物力。

2 閉合導(dǎo)線測(cè)設(shè)方法

2.1 坐標(biāo)原點(diǎn)確定

以湖南八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)珙桐古老林地25hm2固定樣地為例。坐標(biāo)原點(diǎn)的確定是整個(gè)測(cè)設(shè)工作能否進(jìn)行下去的關(guān)鍵步驟。首先通過(guò)踏勘確定樣地的大致范圍、方向，把西南角假定為整個(gè)樣地的原點(diǎn)，假定該點(diǎn)的坐標(biāo)為(1000,1000)，那么整個(gè)樣地內(nèi)方格網(wǎng)的所有格點(diǎn)都可以通過(guò)原點(diǎn)推算出來(lái)，以500m×500m方格網(wǎng)為例(見(jiàn)圖1)。確定坐標(biāo)原點(diǎn)后，可以推測(cè)出網(wǎng)格中任一點(diǎn)坐標(biāo)，如A，B，C，D4個(gè)坐標(biāo)分別為A(1000,1500)，B(1500,1500)，C(1500,1000)，D(1200,1100)，這就是整個(gè)樣地測(cè)設(shè)的依據(jù)。

圖1 假定坐標(biāo)圖Fig.1 Assumed coordinate determination

2.2 建立閉合導(dǎo)線

為了保證大樣地方格網(wǎng)的精度，必須建立一條覆蓋整個(gè)樣地的閉合導(dǎo)線；根據(jù)假定坐標(biāo)，用全站儀直接測(cè)量出各導(dǎo)線點(diǎn)的近似坐標(biāo)；平差計(jì)算不采用傳統(tǒng)平差方法，而是先進(jìn)行角度閉合差計(jì)算和調(diào)整，然后進(jìn)行坐標(biāo)增量閉合差的計(jì)算和調(diào)整，再根據(jù)坐標(biāo)增量計(jì)算各導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)。

計(jì)算方法如下：

以東南角點(diǎn)A作為放樣的起點(diǎn)做一條閉合導(dǎo)線，測(cè)得A點(diǎn)坐標(biāo)(x’A，y’A)與假定的已知坐標(biāo)(xA，yA)不一致(見(jiàn)圖2)，計(jì)算待定點(diǎn)A的坐標(biāo)，稱為坐標(biāo)正算，其橫、縱坐標(biāo)增量閉合差fx、fy[17]的計(jì)算：

由于fx、fy的客觀存在，使導(dǎo)線不能閉合，產(chǎn)生了導(dǎo)線全長(zhǎng)閉合差。導(dǎo)線全長(zhǎng)閉合差fD的計(jì)算：

導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差K的計(jì)算：

坐標(biāo)增量閉合差Vxi、Vyi的計(jì)算：

坐標(biāo)增量改正后坐標(biāo)為：

圖2 閉合導(dǎo)線圖Fig.2 Closed traverse

2.3 全站儀放樣

放樣時(shí)，全站儀可以在各導(dǎo)線點(diǎn)的任意一點(diǎn)架設(shè)儀器，儀器對(duì)中整平，開(kāi)機(jī)進(jìn)入主菜單，選擇放樣程序。按提示開(kāi)始建站，先輸入測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，然后按提示輸入后視點(diǎn)坐標(biāo)，把儀器對(duì)準(zhǔn)后視點(diǎn)，按測(cè)距按鈕，這樣整個(gè)站就建好了。同時(shí)，反測(cè)一下后視點(diǎn)，進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)測(cè)量出的后視點(diǎn)坐標(biāo)與輸入的坐標(biāo)誤差大小。如誤差在允許范圍內(nèi)，就可以進(jìn)行下一步放樣操作；如誤差超出允許范圍，則需要找出原因。誤差主要來(lái)自儀器本身和操作者(如建錯(cuò)站、把后視點(diǎn)當(dāng)作測(cè)站點(diǎn)、把測(cè)站點(diǎn)當(dāng)作后視點(diǎn)、坐標(biāo)輸入有誤等)兩個(gè)方面。在解決好所有問(wèn)題后可以進(jìn)入下一步放樣。

建站后，利用全站儀放樣程序，把待測(cè)的網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)輸入全站儀(以圖1的方法推算)；設(shè)定放樣程序，計(jì)算出該放樣點(diǎn)的距離和水平角；轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀使水平角度顯示0°00′00″，固定水平螺旋；移動(dòng)棱鏡使其出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)，按“測(cè)距”按鈕。若顯示距離的數(shù)值不為0，須前后移動(dòng)棱鏡，繼續(xù)測(cè)距，使得距離顯示為0。測(cè)桿底部所對(duì)應(yīng)的位置即為待放樣點(diǎn)的位置。標(biāo)記該位置即可進(jìn)行下一點(diǎn)的放樣。對(duì)于放樣過(guò)程中因樹(shù)木遮擋或距離過(guò)遠(yuǎn)等原因未標(biāo)定出的網(wǎng)格點(diǎn)，可在其附近方便架設(shè)全站儀的任何位置做一個(gè)支導(dǎo)線點(diǎn)，再架設(shè)全站儀在此支導(dǎo)線點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。

3 討論

大樣地建成后，可以開(kāi)展相關(guān)調(diào)查，開(kāi)展物種分布格局、土壤及野生動(dòng)物等方面的研究。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在林木茂密區(qū)，GPS技術(shù)不能廣泛應(yīng)用其中，通用性強(qiáng)的全站儀為樣地測(cè)量的首選設(shè)備。傳統(tǒng)的利用全站儀標(biāo)定大樣地的方法是把全站儀設(shè)在選定的原點(diǎn)上，通過(guò)選址設(shè)定的方向?yàn)榱惴较?，利用全站儀水平角的調(diào)整和測(cè)距功能標(biāo)定出所需的方格網(wǎng)點(diǎn)。該方法的局限性在于一方面對(duì)架設(shè)測(cè)站的角度要求較高，且計(jì)算麻煩；其次儀器必須架設(shè)在已標(biāo)定的方格網(wǎng)點(diǎn)上，但是很多已標(biāo)定的方格網(wǎng)點(diǎn)不適合架設(shè)全站儀，并且隨著架設(shè)次數(shù)的增多，測(cè)量精度和方向偏差增大；同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中遇到樹(shù)木、懸崖等遮擋或阻隔時(shí)會(huì)增加測(cè)量誤差和難度。

假定坐標(biāo)閉合導(dǎo)線法既能提高大樣地標(biāo)定速度和精度，而且通用性強(qiáng)，尤其適用山地復(fù)雜地形，并且該方法將全站儀四周所有能看到的網(wǎng)格點(diǎn)通過(guò)一次架站全部標(biāo)定出來(lái)，從而減少架站次數(shù)帶來(lái)的測(cè)量誤差，而對(duì)于放樣過(guò)程中因樹(shù)木遮擋，懸崖阻斷等原因未標(biāo)定的方格網(wǎng)點(diǎn)，可靈活地在其附近選一個(gè)支導(dǎo)線點(diǎn)，再架設(shè)全站儀在支導(dǎo)線點(diǎn)上將其標(biāo)定出來(lái)。

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(文字編校：唐效蓉)

Themeasurementtechniquesonforestfixedlargescaleplotofcomplexterrain

WU Tianle1, ZHANG Canming1*, NIU Yandong1, CHEN Wang2, GU Zhirong3, ZENG Zhangquan1, XIAO Lixin3

(1.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2.Hunan Huida Planning Survey and Design Research Ltd., Changsha 410000, China; 3.Administrative Office of Badagongshan National Nature Reserve, Sangzhi 427100, China)

The basic requirements for the measurement on forest fixed large scale plot was described. Taken southern terrain with complex topography, dense forest and poor intervisibility as an example, the measurement method on forest fixed large scale plot of complex terrain was introduced from the aspects of origin coordinate determination, closed traverse establishment, sampling with the total station and so on.

fixed large scale plots; measurement; total station

2013 — 07 — 02

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目(2009-4-46)。

吳天樂(lè)(1982 — )，男，湖南省長(zhǎng)沙市人，主要從事土壤生態(tài)學(xué)、園林學(xué)研究。

* 為通訊作者。

S 771

A

1003 — 5710(2013)04 — 0076 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 04. 019