劉建民

(岳陽縣林業(yè)局，湖南 岳陽 414100)

基于C++的全國(guó)通用林木蓄積自動(dòng)化計(jì)算的研究

劉建民

(岳陽縣林業(yè)局，湖南 岳陽 414100)

在分析研究當(dāng)前全國(guó)各省現(xiàn)行材積模型的基礎(chǔ)上，采用C++編程語言，實(shí)現(xiàn)了立木材積模型的自動(dòng)篩選與蓄積求算，同時(shí)軟件能夠適應(yīng)各省地方標(biāo)準(zhǔn)，也具備適應(yīng)多種復(fù)雜情況下的數(shù)據(jù)采集要求。

C++；林木蓄積；立木材積模型；自動(dòng)化

引言

2010年國(guó)家林業(yè)局啟動(dòng)中央財(cái)政補(bǔ)貼森林撫育項(xiàng)目以來，各地?fù)嵊g伐計(jì)劃任務(wù)大增，由于時(shí)段集中，樣地計(jì)算量大，使得項(xiàng)目管理工作量大增。為了實(shí)現(xiàn)林業(yè)辦公自動(dòng)化工作，各省在這方面做了大量有益的償試，比如河南應(yīng)用推廣的“河南省營(yíng)造林作業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，但是由于軟件只能應(yīng)用于某一地區(qū)、或是某一類型的蓄積計(jì)算，限制了軟件的應(yīng)用范圍，因此有必要開發(fā)一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)地計(jì)算類軟件，其中最基礎(chǔ)的工作，則是林木蓄積自動(dòng)化計(jì)算。而現(xiàn)有的林木蓄積計(jì)算類軟件大多是針對(duì)一個(gè)地區(qū)開發(fā)的，缺少通用性，也造成了大量的重復(fù)勞動(dòng)[1-3]。

1 材積數(shù)學(xué)模型分類與應(yīng)用

立木材積模型，又稱立木材積式。七十年代中，我國(guó)集中整理編制了全國(guó)32個(gè)針葉樹種，21個(gè)闊葉樹種的大區(qū)性二元立木材積模型，農(nóng)林部于1977年以部頒標(biāo)準(zhǔn)LY 208—1977頒布使用[4]。之后，全國(guó)有33個(gè)省編制了一元立木材積表、二元立木材積表，涉及76個(gè)樹種組，也有1～3個(gè)省編制了樹高級(jí)立木材積表[5-6]。同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間的森林演替及采伐、經(jīng)營(yíng)措施的改善，使得現(xiàn)有森林與原來取樣的森林所處的自然環(huán)境條件產(chǎn)生了巨大的差異，導(dǎo)致材積模型應(yīng)用誤差，因此先后有些省份更新了各樹種組的材積數(shù)學(xué)模型。比如貴州省2011—2012更新了多種樹種組的二元立木材積表、地徑材積表、相對(duì)樹高曲線表[7-12],四川省2012年更新了柳杉二元立木材積表[13],也有一個(gè)樹種單個(gè)品種使用不同的參數(shù)計(jì)算立木蓄積的情況，比如桉樹與楊樹[14]。所有這些材積數(shù)學(xué)模型及材積數(shù)表的多樣性，模型使用的時(shí)效性，及各種限制條件，涉及到材積模型篩選的自動(dòng)化，是當(dāng)前建立一個(gè)是通用林木蓄積自動(dòng)計(jì)算功能最需要解決的難題。

1.1 一元立木材積模型

一元立木材積模型(如表1所示)是一種以胸徑為自變量的蓄積計(jì)算模型，它建立的生物學(xué)基礎(chǔ)是胸徑與樹高之間的生物相關(guān)關(guān)系。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)量時(shí)，一般只需測(cè)量每株立木的胸徑，及標(biāo)準(zhǔn)地中2～3株平均胸徑立木的樹高即可。缺點(diǎn)是，由于不同的立地條件，小氣候因素，人為經(jīng)營(yíng)技術(shù)措施等對(duì)林木生長(zhǎng)的影響[15]，胸徑相同的林木，樹高變幅也很大，因此一元材積模型一般只在一定區(qū)域內(nèi)使用[16-17]，多應(yīng)用于無相應(yīng)樹種的二元材積模型的地區(qū)。

表1 常用一元材積模型[4]序號(hào)材積方程 提出者1V=a0+a1d2科泊斯基2V=a0da1伯克霍特3V=a0(a1+a2d)a3[a4+a5(a1+a2d)+a6(a1+a2d)2]a7河南式4V=a0(a1+a2d)a3[a4+a5(a6+a7d)]a8湖北式5V=a0(a1+a2d)a3[a4+a5Lnd]a6湖北式6V=a0+a1d+a2d2+a3d3三項(xiàng)式7V=a0(a1+a2d+a3da4)a5歐美楊一元根徑材積8V=a0(a1d)a2[a3+a4(a5+a6d)]a7山本式

1.2 二元立木材積模型

二元材積模型(如表2所示)由于增加了樹高這個(gè)變量，則可以大大提高材積表的精度[18]。為了提高二元材積模型的精度，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者先后提出了很多二元材積模型，比如山本和藏(1918)，邁耶(Meyer，W.H.1949)，納斯倫德(Naslund，M.1947)，孟憲宇(1982)等都提出了精度較高的多元非線性模型[19]，駱期邦等[20](1992)在山本和藏的基礎(chǔ)上提出的可變參數(shù)二元材積模型在湖南省，廣西省、貴州省[7，11]等多地方得到了應(yīng)用。在標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查中,除了要測(cè)量每株立木的胸徑外，外要分別針標(biāo)準(zhǔn)地中每個(gè)樹種分別測(cè)量15～20株立木的胸徑與相應(yīng)的樹高，然后繪制樹高曲線表，再然后我們就能夠通過每個(gè)樹種的樹高曲線表，根據(jù)各徑階的值，在圖中查找出這個(gè)徑階相應(yīng)的條件平均高。一般而言，利用二元立木材積模型計(jì)算的林分蓄積精度最高，但是其標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查的外業(yè)工作量最大。缺點(diǎn)：一是不能直接利用調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行伐后樣地的調(diào)查，二是實(shí)際測(cè)量精度會(huì)因?yàn)闃涓邷y(cè)量誤差有所降低。

1.3 樹高級(jí)立木材積模型

其考慮到了一元材積模型的工作量小的優(yōu)點(diǎn)，又考慮到了各種因素對(duì)林分造成的影響，照顧到了二元材積模型估測(cè)精度的優(yōu)點(diǎn)。因此在無相應(yīng)樹種的二元材積模型的地區(qū)，可優(yōu)先考慮樹高級(jí)材積模型，其次再考慮一元材積模型。

1.4 相對(duì)樹高曲線模型

表2 常用二元材積模型序號(hào)材積方程 提出者1V=a0+a1d+a2d2+a3dh+a4d2h+a5h邁 耶(1949)2V=a0+a1d+a2d2+a3dh+a4d2h邁 耶(1949)3V=a0+a1d2h+a2d3h+a3d2+a4d2hlgd孟憲宇(1982)4V=a0+a1d2+a2d2h+a3h+a4dh2孟憲宇(1982)5V=a0da1e(a2h-a3/h)寺崎渡(1920)6V=a0+a1d2h+a2d3h+a3d2hlgh孟憲宇(1982)7V=a0da1ha2山本和藏(1918)8V=a0+a1d2h斯泊爾(1952)9V=d2(a0+a1h)奧蓋亞(1968)10V=d2h/(a0+a1d)高田和彥(1958)11V=a0da1h(3-a2)德威特(1937)12V=a0(hd)a1d2h松柏爾(1948)13V=a0(d2h)a1斯泊爾(1952)14V=a0d2h+a1d3h+a2d2hlgd趙克升、周沛村等(1973)15V=a0d2h+a1d3h+a2d2+a3d2hlgd趙克升(1974)16V=a0d2h斯泊爾(1952)17V=a0d2e(a1+a2/h)寺崎渡(1920)18V=a0da1+a2a3d+a4h()()ha5+a6a7d+a8h()()駱期邦、寧輝等(1992)[20]19V=a0(a1+a2d)a3ha4河南式

1.5 地徑材積模型

地徑材積模型是通過伐根直徑(地徑或根徑)估測(cè)林木蓄積的一種計(jì)算方法，其實(shí)質(zhì)也是一元材積模型。有的地區(qū)以距地面0.1 m高處的樹干直徑(簡(jiǎn)稱地徑)[8,10]，有的地區(qū)以樹根與樹干結(jié)合部位的直徑(簡(jiǎn)稱根徑)[24-26]為計(jì)算依據(jù)，而略有不同。

在林木被采伐后，采伐木的胸徑與樹高無法實(shí)測(cè)的情況下，一般只能通過測(cè)量被采伐木伐樁的直徑，在一定誤差范圍內(nèi)估測(cè)被伐林木蓄積。它是核查森林采伐量、進(jìn)行伐區(qū)檢查驗(yàn)收的依據(jù)之一，在處理盜伐、濫伐林木案件中可以起到定性量刑的作用[27]。因此地徑材積模型主要應(yīng)用于被采伐木的蓄積測(cè)算。

1.6 其它回歸模型

地徑—胸徑回歸模型：伐后被采伐木的測(cè)量中，在沒有地徑材積模型情況下，一般可以通過地徑—胸徑回歸模型，由地徑求算胸徑，再然后應(yīng)用一元材積模型求算立木蓄積。地徑到胸徑的換算式一般應(yīng)用于伐后，采伐木的求積。

胸徑—樹高回歸模型：用于求算某個(gè)胸徑的樹高，然后利用二元材積模型求算蓄積。

以上6個(gè)模型分類可以看出樹高級(jí)立木材積模型、地徑材積模型、地徑—胸徑回歸模型、胸徑—樹高回歸模型都是一元數(shù)學(xué)模型，相對(duì)樹高曲線模型為三元數(shù)學(xué)模型。

2 模型篩選方法

2.1 地域限制

在不同的地區(qū)，由于氣候、土壤立地等自然條件的不同使得即使是同一樹種，在不同地區(qū)材積計(jì)算模型的參數(shù)也不相同，比如黑龍江國(guó)有林區(qū)根徑胸徑回歸模型[26],全省將國(guó)有林區(qū)劃劃分為小興安嶺北坡、小興安嶺南坡、完達(dá)山林區(qū)、張廣才嶺林區(qū)4個(gè)區(qū)域，其中每個(gè)區(qū)域包括數(shù)量不等的林業(yè)局，同一樹種4個(gè)林區(qū)參數(shù)各不相同。也有一些地區(qū)與行政縣域有自己專用的材積模型。為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況，可以將材積模型的應(yīng)用范圍按南北方、林業(yè)大區(qū)、省、市、縣五級(jí)(按6位行政代碼)方式進(jìn)行使用范圍限定。在進(jìn)行材積式篩選的時(shí)候按照縣級(jí)、市級(jí)、省級(jí)、林業(yè)大區(qū)、南北方的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行。

2.2 樹種、品種限制

一般而言，各地區(qū)會(huì)根據(jù)針闊葉類型、樹種組、樹種、品種的劃分詳細(xì)程度不同，分別建立各自的材積數(shù)學(xué)模型，比如杉木分類比較簡(jiǎn)單，常按樹種組作為劃分單位建立材積模型[7],而楊樹材積模型分類比較復(fù)雜，在湖北省[28]、河南省[29]只頒布了楊樹組的材積模型，而在河北省則以品種或品種類作為材積模型使用的選擇依據(jù),分為北京楊、加拿大楊(含沙蘭楊)、毛白楊、速生楊(包括107號(hào)楊、108號(hào)楊、中林46號(hào)楊、波蘭楊、廊坊楊、山海關(guān)楊等)、青楊(包括小葉楊、青楊、二青楊等河北本土品種)5個(gè)楊樹材積模型[14]。

為了適應(yīng)材積模型受樹種、品種限制的復(fù)雜性，我們對(duì)樹名的ID進(jìn)行了如下的限定：一是樹名的ID最長(zhǎng)由“XXXNNMMM”7位數(shù)字組成，X表示樹種組代碼、N表示樹種代碼、M表示品種(類)代碼，針闊葉類型用另外的數(shù)據(jù)表示；二是樹名的選擇按ID長(zhǎng)度來確定優(yōu)先級(jí)順序，比如品種(類)﹥樹種﹥樹種組。

2.3 模型使用時(shí)間限制

由于各地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的更替，使得各類材積模型存在使用時(shí)間限制的問題，符合使用時(shí)間段的模型則可以入選。

2.4 胸徑限制

每一個(gè)材積模型的建立，總在某個(gè)方面存在一個(gè)取樣范圍(比如胸徑、樹高)[14,28]，只是對(duì)這個(gè)范圍數(shù)據(jù)的仿真與回歸，因此可用胸徑下限或上限表示，如果沒有明確限制使用范圍時(shí)用0表示。

2.5 其它限制

另外模型篩選在樹高級(jí)、林分起源等方面的限制，也采取符合則可以入選的原則。

3 程序設(shè)計(jì)思路

對(duì)于一株被測(cè)木(CFTreeVisual)，我們可以通過上一節(jié)的模型篩選方法，篩選出蓄積(含二元式、一元式地徑式等)、樹高、胸徑計(jì)算公式，保存在公式表類“CFunctionTable”中備用，并以其CalcM()成員函數(shù)完成蓄積計(jì)算功能。程序執(zhí)行時(shí)，依據(jù)被測(cè)木所能提供直徑(dD)與樹高(dH_Meas)取值、及篩選出的備用公式，進(jìn)行最適合公式取舍與優(yōu)化。當(dāng)dD大于零時(shí)，表示數(shù)據(jù)為胸徑值，則執(zhí)行CalcM1模塊與CalcM2_1模塊；當(dāng)dD小于零時(shí)，則執(zhí)行CalcM3模塊與CalcM4模塊。各模塊的具體意義在“相關(guān)流程圖”一節(jié)具體說明。

class CFunctionTable{

public:

CFCutFunction* mpfM_2;

CFCutFunction* mpfM_D130;

CFCutFunction* mpfM_D10;

CFCutFunction* mpfH_D130;

CFCutFunction* mpfH_D10;

CFCutFunction* mpfH_RH;

CFCutFunction* mpfD;

};

void CFunctionTable::CalcM(const CFPlant& fp,

CFTreeVisual& ftv,double dLotAvD130,

double dLotAvH){

ftv.mCube=0;

double dH_Meas;//樹高測(cè)量值

double dH_Second;

double dD,dM=0;

if(fp.IsError()) return false;

dH_Meas=ftv.GetH_Measure();

dH_Second=ftv.GetH_Normal();

dD=ftv.GetD_Measure();

if(dD==0) return false;//地徑/胸徑不能為零

if(dD >0){

if(ftv.GetD_130()>0)dD=ftv.GetD_130();

if(dH_Meas>0){

dM=CalcM1(dD,dH_Meas);

}else{

dM=CalcM2_1(dD,dLotAvD130,dLotAvH,dH_Second);

}

}else{//D<0

dM=(dH_Meas <=0) ?CalcM3(dD,0) :CalcM4(dD,dH_Meas);

}

//(省略…)

}

4 公式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

通用林木蓄積自動(dòng)化計(jì)算涉及到兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，一是公式名數(shù)據(jù)庫(見表3)，用于管理當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的各類數(shù)學(xué)模型；二是公式參數(shù)數(shù)據(jù)庫(見表4)，用于管理部頒，及各地區(qū)頒布的材積標(biāo)準(zhǔn)中的模型參數(shù)。

表3 公式名數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)字段名數(shù)據(jù)類型說明編號(hào)整型公式名文本公式的名稱公式ID整型一般用4位數(shù)表示形如“XYNN”發(fā)表年度整型公式作者的發(fā)表年度自變量數(shù)整型公式中自變量類型的個(gè)數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)整型公式中參數(shù)個(gè)數(shù)備注文本公式引用參考來源

表4 公式參數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)字段名數(shù)據(jù)型說明編號(hào)整型公式序號(hào)用途ID整型用二位數(shù)表示，其中十位數(shù)，表示公式主要用途。各值分別如下：02求胸徑，10求蓄積，11求蓄積(胸徑式)，12求蓄積(地徑式)，13求蓄積(二元式)，20求全高，24相對(duì)樹高式求全高地區(qū)ID長(zhǎng)整型1～6位整數(shù)，表示公式使用的行政區(qū)域或中國(guó)林業(yè)區(qū)劃地域范圍。起源整型林分起源D下限雙精度公式參數(shù)的胸徑使用范圍D上限雙精度公式參數(shù)的胸徑使用范圍樹高級(jí)整型公式參數(shù)的樹高級(jí)使用范圍公式名文本公式的名稱，如山本式，起標(biāo)識(shí)作用公式ID 整型 命名規(guī)范參見“公式名數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)”表參數(shù)列表 文本 各公式的參數(shù)列表，按參數(shù)在數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)的順序依次排列發(fā)布年月長(zhǎng)整型公式發(fā)表的年月年月上限長(zhǎng)整型公式的使用時(shí)間上限備注文本公式的來源說明 注：本數(shù)據(jù)庫中，0值表示無限制，-1值表示本字段不作為本條公式的篩選條件

5 相關(guān)核心代碼

公式描述類為CFCutFunction，包含本條公式的應(yīng)用范圍，其中的CFCutFunctionBase為實(shí)際的公式，包含公式計(jì)算式結(jié)構(gòu)與參數(shù)集。

class CFCutFunction{

public:

long mlIndex; //序號(hào)

CFCutFunctionBase* mpFB;//公式

long mlRegionID; //地區(qū)ID

long mlPlantID; //樹名ID

long mlYearMonMin; //發(fā)布年月

long mlYearMonMax; //年月上限

double mdDiaMin; //可應(yīng)用的最小D

double mdDiaMax; //可應(yīng)用的最大D

int miHighClass; //樹高級(jí)

fctFuncPurposeType mePurpose;//求算目標(biāo)

fctEnvironmentType mEnvi; //環(huán)境類型

fctOriginOfStandType mOriT;//起源

};

樹描述類為CFTreeVisual，其成員函數(shù)Cal_DHMW()完成公式查找，及蓄積計(jì)算。

void CFTreeVisual::Cal_DHMW(const CFPlant& fp,

double dLotAverD,double dLotAvH){

CFunctionTable FuncTbl;

gpLstFunc->QueryFunc(gULic.GetCountyID(),fp,(long)giYear*100+giMonth,

mD_Measure,mH_Measure,FuncTbl);

FuncTbl.CalcM(fp,*this,dLotAverD,dLotAvH);

}

6 相關(guān)流程圖

6.1 二元材積計(jì)算模塊(CalcM1)

通過檢查CFunctionTable的mpfM_2，是否存在二元材積公式，如果存在則計(jì)算二元材積公式，如果不存在則計(jì)算一元材積公式(如圖1所示)。

圖1 二元材積計(jì)算模塊(CalcM1)

6.2 三元材積計(jì)算模塊(CalcM2_1)

三元材積計(jì)算模塊即相對(duì)樹高曲線模型與二元材積模型的結(jié)合算法。通過檢查CFunctionTable的mpfH_RH，是否存在相對(duì)樹—高曲線式，存在時(shí)，根據(jù)林分平均胸徑與樹高計(jì)算出本徑階的相對(duì)樹高dH，然后執(zhí)行CalcM1模塊；不存在時(shí)，執(zhí)行CalcM2_2模塊(如圖2所示)。

圖2 三元材積計(jì)算模塊(CalcM2_1)

6.3 一元材積式模塊(CalcM2_2)

通過檢查CFunctionTable的mpfM_D130，存在時(shí)，執(zhí)行一元材積公式；不存在時(shí)，通過dH_Second判斷，由胸徑—樹高回歸模型估算樹高，執(zhí)行CalcM1模塊(如圖3所示)。

圖3 一元材積式模塊(CalcM2_2)

6.4 地徑材積模塊1(CalcM3)

通過檢查CFunctionTable的mpfM_D130，存在時(shí)，執(zhí)行地徑材積公式；否則執(zhí)行地徑—胸徑公式估算胸徑，然后執(zhí)行CalcM2_2模塊(如圖4所示)。

圖4 地徑材積模塊1(CalcM3)

6.5 地徑材積模塊2(CalcM4)

通過檢查CFunctionTable的mpfM_D130，存在時(shí)，執(zhí)行地徑材積公式；否則執(zhí)行地徑—胸徑公式估算胸徑，然后執(zhí)行CalcM1模塊,如果估算的胸徑不存在則執(zhí)行CalcM2_2模塊(如圖5所示)。

圖5 地徑材積模塊2(CalcM4)

7 結(jié)語

我們?cè)赩C++平臺(tái)開發(fā)的《森林撫育項(xiàng)目管理軟件》HNFYSoft中集成了本文中提到的蓄積計(jì)算自動(dòng)化功能,使用軟件能夠根據(jù)各地區(qū)提供的多種材積模型的復(fù)雜情況，及各種工作環(huán)境，自動(dòng)選擇適合的材積模型進(jìn)行林分蓄積量的求算。

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[9] 夏忠勝,朱松,羅洪章，等.DB52/T710—2011 杉木相對(duì)樹高曲線表[S].貴陽：貴州省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2011.

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ResearchontheAutomaticCalculationofTreeVolumeAllAroundChinaBasedonC++

LIU Jianmin

(Forestry Bureau of Yueyang County,Yueyang 414100,Hunan,China)

With the basis of analysis on current volume models of each provinces in China,used C++ programming language,realized the automatic selection of volume models and calculation. At the same time,the software can adapt to each provincial standard,and also adapt to various complex requirements of the data collection.

C++;tree volume;tree volume model;automation

2015—06—10

2015—07—20

劉建民(1973—)，男，湖南省岳陽縣人，工程師，主要從事營(yíng)造林、資源調(diào)查。

TP 392；S758.5+1

A

1003—6075(2015)03—0022—07

10.16166/j.cnki.cn43—1095.2015.03.006