鄭懷兵 馮仲科

(南京森林警察學院，南京，210023) (北京林業(yè)大學)

基于多邊形法的森林資源調(diào)查監(jiān)測1)

鄭懷兵 馮仲科

(南京森林警察學院，南京，210023) (北京林業(yè)大學)

運用高精度南方NTS-960R型免棱鏡全站儀，結(jié)合多邊形樣地森林資源調(diào)查方法，對赤峰市旺業(yè)甸林場200塊標準地進行調(diào)查。選取4塊有代表性的標準地，對標準地每木進行胸徑和樹高測量，將多邊形樣地法數(shù)據(jù)與樣地每木檢尺數(shù)據(jù)比較分析。結(jié)果表明：多邊形樣地法調(diào)查面積和調(diào)查株數(shù)不固定，每個樣地的面積在0.005～0.015 hm2，樹木6～9棵，外業(yè)工作量相對于標準樣地法?。欢噙呅螛拥胤ㄔ谔烊涣趾突旖涣种械木鹊停趩螌恿趾腿斯ち种械木雀?；隨著樣地數(shù)量增加，精度逐漸提高，在天然林中，精度可達到85%以上，可適用于二類調(diào)查；在人工林中，精度可達到95%以上，可適用于三類調(diào)查。將多邊形樣地進行固定，可實時對林分生長量進行監(jiān)測。

精準林業(yè)；森林資源調(diào)查；多邊形樣地

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(7).-161～165

By choosing four representative plots from Wangyedian Forest Farm, Chifeng City, we measured the DBH and height of each tree with a total of 200 standard plots and collecting the data in the field surveying by using high-precision NP total station NTS-960R. We compared and analyzed the data collected from polygon plot, and the polygon plot method was not fixed about survey area and the number of trees. The area of every sample plot was about 0.005-0.015 ha, the numbers were about 6-9, and the workload in the field surveying was much more less than standard sample. The precision stability of separate polygon method was low in the natural forest and mixed forest, while it was high in the regular forest and plantation. With the increasing of sample plots, the precision stability greatly improved and it would be able to reach more than 85% in the natural forest and plantation, and could be applicable in the second class survey. The precision would be up to 95% in the plantation and could be applicable in the third class survey. Making the polygon sample plots fixed could monitor the stand increment in real time.

Keywords Precision forestry; Forest inventory; Polygonal sample plot

為了及時、準確、連續(xù)、動態(tài)的掌握森林資源生長情況，世界上已有至少40個國家長期進行著森林資源調(diào)查工作，調(diào)查森林總面積約為24億hm2，占地球森林面積50%以上[1-2]。目前中國森林資源總面積約為2.36億hm2，占國土總面積31.6%。為高效精確的完成森林資源調(diào)查工作，滿足現(xiàn)代精準林業(yè)需求，中國將森林資源調(diào)查分為3類：全國森林資源清查(一類調(diào)查)、森林經(jīng)理調(diào)查(二類調(diào)查)、作業(yè)設(shè)計調(diào)查(三類調(diào)查)[3]。

國內(nèi)外常用的森林調(diào)查方法：目測法、點抽樣法、林分材積表法、角規(guī)測樹法、平均木塔立夫法和單株木抽樣法等[4-7]。袁國仁等[8]運用六株木法對吉林小姑家林場五個林班中的天然中幼齡林和人工落葉松林調(diào)查實驗，抽樣精度達到80%；陳霖生[9]對落葉松人工林進行了六株木法測定蓄積量實驗，估測精度達到80%以上。采用新的模擬樣地法對森林調(diào)查也取得了良好的效果[10]。周忠福[11]將六株木法運用于次生林調(diào)查研究，估測精度達到82.5%。郄廣平等[12]采用六株木法并結(jié)合先進QuickBird遙感影像對湖南省杉木蓄積量進行調(diào)查，估測精度達到85%以上。這些森林調(diào)查方法雖然操作簡單、受地形影響小，但數(shù)據(jù)精度不高。

森林調(diào)查技術(shù)手段通常采用：布魯賴斯測高器、輪尺、羅盤儀以及測尺等進行野外數(shù)據(jù)調(diào)查，不但耗費大量人力、物力，而且效率低、精度差[4]。Kitahara等[13]運用第三代超聲波測高器與圍尺相互配合，進行樹高與胸徑測量實驗，雖然大大提高了測量精度，但是過程較為復雜。近年來，航空航天遙感與機載雷達探測等先進技術(shù)，被廣泛應用于林業(yè)資源調(diào)查中，但由于費用昂貴、技術(shù)手段復雜、數(shù)據(jù)測量誤差較大等，仍然無法取代傳統(tǒng)的野外林業(yè)數(shù)據(jù)采集[2]。全站儀是20世紀70年代以來出現(xiàn)的集測距、測角及數(shù)據(jù)自動處理于一體的現(xiàn)代測繪儀器[14-15]，測量精度遠高于布魯賴斯測高器、胸徑尺等測量儀器。由于全站儀攜帶不便，測量步驟繁瑣，限制了在林業(yè)資源調(diào)查領(lǐng)域的應用。免棱鏡輕小型全站儀，雖然克服了上述森林調(diào)查手段的缺點，提高了森林計測的精度[16]，但其昂貴的價格也限制了在林業(yè)調(diào)查領(lǐng)域的普及。

圖1 南方NTS-960R型免棱鏡全站儀

1 研究區(qū)概況

旺業(yè)甸實驗林場位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市喀喇沁旗西南部，是一個集森林經(jīng)營、木材加工、苗木生產(chǎn)、旅游開發(fā)于一體的綜合性實驗林場。林場屬燕山山脈北麓七老圖山支脈，地理位置東經(jīng)118°09′～118°30′，北緯41°21′～41°39′。地形為中山山地，海拔800～1 890 m，屬暖溫帶半干旱地區(qū)，年平均氣溫4.2 ℃，為明顯的大陸性季風氣候，年降水量400～600 mm。林場森林資源較豐富，有林面積23 333 hm2，森林覆蓋率為83.3%，活立木總蓄積141萬m3。天然次生林以楊(PopulusL.)、樺(BetulaL.)、柞(Xylosmaracemosum)、椴(TiliatuanSzyszyl.)為主，并有少量黑松(Pinusthunbergii)、云杉(Piceaasperata)。人工林以黑松(Pinusthunbergii.)、落葉松(Larixgmelini)為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在赤峰市旺業(yè)甸林場，在林場根據(jù)不同林分起源、林分密度等因子選取四塊標準樣地(20 m×20 m)或(20 m×30 m)，在確定樣地的方位后，用全站儀的放樣功能定位出標準樣地的四個頂點，這樣可以保證樣地的面積的精準。對標準樣地的每棵樹依次進行標號(1，2，3，…，n)。測量每棵樹的胸徑，使用全站儀的懸高測量功能精準測取每棵樹的樹高，使用無伐倒測量立木材積技術(shù)[14]，獲取這塊樣地胸徑、樹高接近平均值的立木的材積，其中一個樣地的數(shù)據(jù)(見表1)。通過對數(shù)據(jù)進行分析，獲取林分平均高、林分平均胸徑、林分斷面積、林分密度、并通過標準木法[17]測算林分蓄積量，并把這些值作為真值。

表1 標準樣地每木檢尺數(shù)據(jù)(樹種為落葉松)

2.2 多邊形樣地法

多邊形樣地法是一種作為無邊界樣地抽樣估測林分蓄積量的方法，與角規(guī)控制檢尺一樣為點抽樣，它的特點與六株木法、模擬樣地法相近，不需要測設(shè)樣地邊界。同時，該方法運用了空間解析幾何原理、抽樣統(tǒng)計學原理、全站儀電磁波測距原理及生物空間分布生態(tài)學原理。

選擇中心木(計算木或標準木)及其鄰近的邊界木組成多邊形樣地。中心木的選擇小班內(nèi)標記的樹木，而且樹高和胸徑接近樣地樹木的平均值。挑選離中心木最近的5～8株樹作為邊界木，各樹干斷面的中心為多邊形的各個頂點，多邊形的邊則是樣地的邊界。結(jié)合多邊形頂點占中心抽樣點權(quán)重，計算出平均斷面積、林分平均高、林分平均胸徑和蓄積量的估計值。

按照選定的多邊形樣地和中心木，朝北沿著順時針方向，從最近的樹木開始，按順序給第I林層的邊界木編號(i=1，2，…，n)。在能觀測這n+1棵樹為前提的地點架設(shè)免棱鏡全站儀，測量每棵樹的坐標(Xi，Yi)、樹高(Hi)、胸徑(Di)，其中：Di單位為cm，Xi、Yi、Hi單位分別為m。測量示意圖(如圖2)。

圖2 多邊形樣地法示意圖

根據(jù)測量示意圖，分別對林分蓄積量、林分平均高、林分密度進行計算。

(1)林分蓄積量計算。

(1)

Pi=αi/360°。

(2)

(3)

(4)

其中：M為森林蓄積(m3·hm2)；Pi表示第i株樹所占權(quán)重；αi為第i株樹所對應多邊形內(nèi)角；(Xi，Yi),(Xi+1，Yi+1)為全站儀所測得第i與i+1號樹木坐標；ΔY≠0，若ΔY=0，則令ΔY等于一個無窮小量；通視值域[0，2π]求得；S表示模擬樣地面積。

(2)林分平均高計算。

(5)

(3)林分密度計算。

(6)

其中：N為每公頃株數(shù)(株/hm2)。

(4)樣地徑階分布Ni(株)。

(7)

其中：i為第i徑階株數(shù)。

在標準樣地里，建立多個多邊形樣地，并根據(jù)多邊形樣地法原理編制程序，獲取林分平均高、林分平均胸徑、林分斷面積、林分密度、林分蓄積量，程序運行界面如圖3所示。

圖3 多邊形樣地法求算程序界面

3 結(jié)果與分析

3.1 標準樣地林分特征參數(shù)

在選擇量測和調(diào)查林分的實踐中，長方形標準地及相關(guān)群體樣帶得到最廣泛的應用。但是，在測量標準地時，如果測線正碰到樹木，在這種情況下測定林分總斷面積，必然產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，傳統(tǒng)的處理方法，矩形樣地的壓線木采用取左舍右、取上舍下，但這種處理方法帶來的誤差為4.9%左右[18]。為了解決這種系統(tǒng)誤差，使用高精密測量儀器(全站儀)的放樣功能，經(jīng)多次視線通視的嘗試，最終定下來標準樣地的界線不穿過樹木，這樣不但避免了測線穿過樹木帶來的系統(tǒng)誤差，而且保證了求算樣地面積的精度。對標準樣地的每木檢尺數(shù)據(jù)和立木材積數(shù)據(jù)進行處理，得到標準樣地林分特征參數(shù)(見表2)。

表2 標準樣地林分特征參數(shù)

3.2 多邊形樣地林分特征參數(shù)

在標準樣地中，布設(shè)5個以上的多邊形樣地，求算出林分特征參數(shù)(見表3)。

3.3 多邊形樣地法的精度

將多邊形樣地數(shù)據(jù)與標準樣地數(shù)據(jù)進行比較(如圖4)。由圖4可知，單獨一個多邊形樣地的數(shù)據(jù)，林分平均高的精度相對于標準樣地的林分平均高可達90%以上，單獨一個多邊形樣地的林分密度精度和蓄積量的精度波動性很大。蓄積量精度而言，多邊形樣地點[5，14)這段區(qū)間相對于[1，5)區(qū)間和[14，19)區(qū)間要穩(wěn)定，可以推斷，單獨多邊形樣地法求算蓄積量精度，密集均勻的人工林比天然林和稀疏的人工林要穩(wěn)定。多邊形樣地點[1，5)區(qū)間比[5，20)這段區(qū)間求算的林分平均高、林分密度精度和蓄積量精度要低，且波動性大。因此，單獨多邊形樣地法在人工林的運用精度高于天然林。

表3 多邊形樣地林分特征參數(shù)

將每個標準樣地里面的多邊形樣地法所獲得的林分特征參數(shù)進行平均，將平均值與標準樣地的林分特征參數(shù)真值進行比較(見表4)。

圖4 單獨多邊形樣地法林分特征參數(shù)精度分析

多邊形樣地序列林分平均高/m多邊形樣地法平均值標準樣地法(真值)精度/%林分密度/株·hm-2多邊形樣地法標準樣地法(真值)精度/%林分蓄積量/m3·hm-2多邊形樣地法標準樣地法(真值)精度/%1天然林(山楊、五角楓、白樺)12.1211.5795.32264.1560250090.6161.1004188.280085.62人工林(落葉松)9.919.5797.02652.1530293088.9105.0650100.323595.33人工林(油松)13.5613.3097.8983.868596799.3130.9687147.745088.64人工林(落葉松)23.2123.3199.2582.964855098.7321.7556345.049093.2

通過多個多邊形樣地法測得林分特征參數(shù)平均值與真值(標準樣地測得林分特征參數(shù))相比較，林分平均高無論是在天然林還是人工林，精度都達到95%以上；天然林林分密度精度達到90.6%，人工林林分密度達到88.9%以上；林分蓄積量在天然林中的求算精度相對于人工林的精度低，可達到85.6%，在人工林中求算林分蓄積量的精度可達到90%左右。

4 結(jié)論

標準樣地法對林分進行調(diào)查精度高，但工作量大、費用高。多邊形樣地法能較準確的調(diào)查林分，且能提供客觀、準確的林分數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用其它抽樣方法是不能得到的。多邊形樣地法調(diào)查面積和調(diào)查株數(shù)不固定，每個樣地的面積在0.005～0.015hm2，樹木6～9棵?？梢姡噙呅螛拥胤ㄕ{(diào)查林分的株數(shù)少，外業(yè)工作量小，并且能客觀的反應出森林的實際情況。但是，單獨多邊形樣地法在天然林和混交林中的精度變化幅度大、精度低。提高精度的方法是增加樣地數(shù)量，隨著多邊形樣地數(shù)量的增加，精度能大幅度提高。多邊形樣地測量精度滿足森林二類調(diào)查的精度要求，且該樣地便于保持，適合對樣地長期監(jiān)測。

多邊形樣地法較好的體現(xiàn)了簡易抽樣算法與高精度儀器配合帶來的便利性與高效性，但在實際應用中仍然面臨若干問題，比如：儀器費用昂貴、林地地形復雜、樹木遮擋嚴重等。因此，對林地中多邊形樣地的最佳布設(shè)個數(shù)以及坡度坡向等環(huán)境因子對多邊形精度的影響，有待進一步研究。

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Investigation and Monitoring of Forest Resources Based on Polygonal Sample Plot Method/

Zheng Huaibing(Nanjing Forest Police College, Nanjing 210023, P. R. China); Feng Zhongke(Beijing Forestry University)//

鄭懷兵，男，1970年11月生，南京森林警察學院森林消防系，副教授。E-mail:Zhenghuaibing001@163.com。

2013年10月10日。

S757.2

1) 江蘇省林業(yè)三新工程項目(lysx201201)。

責任編輯：王廣建。