張民俠，趙浩彥，張 潔，陳戈萍

（南京森林警察學院 森林消防系，南京 江蘇 210023）

基于全站儀的涉案林地面積測量研究

張民俠，趙浩彥，張 潔，陳戈萍

（南京森林警察學院 森林消防系，南京 江蘇 210023）

涉案林地面積大小是森林火災案件、違法征(占)用林地和擅自改變林地用途等案件定性處罰的重要依據，研究其測量的精度和效率具有非常重要的意義。在分析全站儀測量的基本原理和精度的基礎上，采用查閱文獻、實地調研、實地研究等方法，對全站儀在測量涉案林地面積方面的應用進行研究。結果發(fā)現，全站儀測量林地面積的精度較高，測量結果穩(wěn)定，受環(huán)境條件影響小，在一個制高點上可看到現場邊界上各點時，測量效率高，數據處理快；但當遇到測站點與目標點不通視時，全站儀需要不斷搬站，影響測量的精度和效率。全站儀個體較大，價格較高，影響了其在森林公安基層單位的使用。建議可生產小型化的全站儀，使用時可將全站儀與RTK-GPS配合使用，提高涉案林地面積測量的精度和效率。

全站儀；涉案林地；面積測量；定性處罰

森林公安在辦理森林火災、非法征占用林地、擅自改變林地用途、盜伐濫伐林木、土地流轉糾紛[1]等涉林案件時，都會涉及到林地面積的測量，測量結果作為對案件進行定性，對涉案人員進行處罰的依據[2-3]。根據《公安機關辦理行政案件程序規(guī)定》《公安機關辦理刑事案件程序規(guī)定》等相關法律規(guī)定，案件的辦理有一定的時效性。因此，精準、高效地測量涉案林地面積，在辦理森林案件中具有非常重要的意義。

根據筆者的調研，目前應用于涉案林地面積測量的方法主要有地形圖勾繪法、羅盤儀導線測量法、手持GPS測量法等。地形圖勾繪法測量面積的效率較高，但精度大小與勾繪者的經驗及對地形圖相關知識的熟悉程度有很大關系，面積過小時容易帶來較大的誤差；羅盤儀導線測量法精度較高，但當涉案面積較大時測量和展繪的工作量較大，測量效率低；手持GPS個體較小，便于攜帶，測量方法簡單、方便，測量效率高，受到了基層森林公安人員的歡迎，但由于手持GPS受衛(wèi)星信號等影響較大，當涉案林地面積較小時，或周圍有遮擋時，測量結果誤差較大[4]。

全站儀測量系統(tǒng)集電子測角、電子測距、電子計算和數據存儲單元于一體，能進行三維坐標測量，測量結果能自動顯示，并能與外圍設備進行信息交換，屬多功能的測量儀器。目前在測繪行業(yè)中得到了廣泛的發(fā)展和應用，其高效率、高精度的特點受到了測量者的歡迎，被廣泛應用于多個領域[5-8]。因此，研究全站儀在涉案林地面積測量中的應用具有一定的現實意義。

1 研究方法

1.1 全站儀測量的基本原理

全站儀測角的原理是采用電子測角技術，從讀盤上獲得電信號，然后將電信號轉換為數字，從而顯示出角度值。這種測量方法將角度測量數字化，其實質是用一套角碼轉換系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的光學讀數系統(tǒng)[9]，提高了測量的精度。

全站儀測距的原理是通過測量光波在測站點到目標點往返傳播的時間，計算兩點之間的待測距離。距離測量計算的公式如下：

式中：D為測站點到目標點的距離；C為光波在空氣中的傳播速度（約3×105km/s）；t為光波在測站點到目標點間往返傳播的時間。

按測定時間t的不同方法，全站儀電子測距主要有脈沖法、干涉法、相位法。目前使用最多是相位法[10]。相位法測距的基本原理如下（圖1）。

圖1 相位法測距示意圖Fig.1 Schematic diagram of phase method

根據圖1顯示，全站儀電子測距系統(tǒng)向反射棱鏡發(fā)射角頻率的調制光波，接收系統(tǒng)接收棱鏡反射回來的光波，由檢相器對接收信號相位和發(fā)射信號相位進行比較，測出相位移，根據相位移間接推算時間，計算出測站點與目標點的距離并顯示。

1.2 全站儀測量效果分析

1.2.1 測量精度分析

林地面積測量方法較多，由于相關法律對測量方法和精度沒有作出統(tǒng)一規(guī)定，因此在司法實踐中，同一案件不同的鑒定機構和人員會出具不同的面積測量結果，導致案件審理中容易出現爭議。測算方法精度越高，測量的結果與實際情況越接近，對涉案人員越公正。公正是司法的靈魂，鑒定的公正是實現司法公正的保證。因此，分析全站儀測量的精度具有非常重要的意義。

涉案林地面積測量的基本思路是在現場邊界上選取特征點或控制點，確定點的位置，通過點連成線再構成面，從而確定涉案林地面積。使用全站儀測量時，全站儀安置的位置即為測站點，現場邊界上的控制點即為測量的一個個目標點，通過測量測站點與目標點的距離、角度，確定控制點的坐標，根據控制點的坐標由點到線再形成面，計算出涉案林地面積。因此，涉案林地面積測量的精度主要取決于全站儀點位測量、距離測量、面積測量的精度。

1.2.2 測量時間效率分析

案件的辦理和審理都有一定的時效性。根據相關法律規(guī)定，公安機關辦理行政案件對被傳喚的違法嫌疑人，不得超過8小時，對可能需要采用行政拘留處罰時，詢問查證的時間不得超過24小時[11]；公安機關辦理治安案件的期限，自受理之日起不得超過30日，對重大和復雜的案情，需要經上一級公安機關批準才可以延長30日[12]?！豆矙C關辦理刑事案件程序規(guī)定》第175條規(guī)定“傳喚持續(xù)的時間不得超過12小時”。林地面積測量的時間效率也是辦理森林案件要考慮的重要因素之一。因此，也需要對全站儀測量的時間效率進行分析。

1.2.3 與其他儀器比較

通過查閱文獻、實地調研和選擇研究區(qū)研究等方法，與其他測量儀器比較，研究分析全站儀測量涉案林地面積的適用條件、時間效率和制約因素，為更好地應用全站儀測量涉案林地面積提供依據。研究區(qū)分別設在南京市中山陵園風景區(qū)（有林地）和南京森林警察學院校園（無林地）內。中山陵風景區(qū)地處南京市東郊，全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，海拔200～400 m。研究區(qū)內森林茂密，主要為馬尾松和闊葉樹組成的混交林，樹木平均高度約為18 m，郁閉度為0.7左右，坡度約為12～13°。南京森林警察學院位于南京市仙林大學城，校園內有較開闊的空地。研究選用的儀器有南方測繪儀器公司生產的NTS-302B全站儀、RTK-GPS，華測公司生產的彩途N600手持GPS，哈爾濱光學儀器廠生產的DQL-1B型森林羅盤儀。

2 結果與分析

2.1 全站儀測量的精度分析

2.1.1 全站儀測點的精度分析

假設全站儀的測站點為O，其坐標為（xo，yo），目標點為P，其坐標為（xP，y P）。OP=D，D為測站點至目標點的水平距離（圖2）。

圖2 控制點坐標示意圖Fig.2 Schematic diagram of control point coordinate

建立目標點P的坐標函數如下：

對上述函數關系式進行全微分，求出其真誤差關系式：

根據誤差傳播定律可寫出xp，yp的方差為

式中：ρ=206 265。[10]

點位中誤差與測量距離的關系如下（圖3）。

圖3橫坐標為測站點至待測點的距離D，縱坐標為點位的中誤差m，從點位中誤差可以看出，點位測量的精度與測站點距目標的距離有關。隨測站點與目標的距離增加，測量的誤差增大。如全站儀本身的誤差為0.005 m，則測量距離應控制在300 m以內。

圖3 m與D的關系圖（單位/米）Fig.3 Relationship between m and D (unit / meter)

2.1.2 全站儀測距的精度分析

全站儀測距的精度表達式為±（A+BD）的形式，其中A代表儀器的固定誤差，單位為mm，主要由儀器加常數的測定誤差、對中誤差、測相誤差造成，一般為1～5 mm。固定誤差與測量的距離無關，即不管測量的實際距離有多遠，全站儀都將存在不大于該值的固定誤差。BD表示比例誤差，B的單位為ppm，主要由儀器頻率誤差、大氣折射誤差引起。一旦距離確定，比例誤差即確定。固定誤差與比例誤差絕對值之和，加上偶然誤差±號，即構成了全站儀測距的精度。此外，還可以根據測量任務對精度的要求加上氣象改正和乘常數，不同全站儀氣象改正和乘常數不同。

國家技術監(jiān)督局1991年1月頒布了《光電距儀檢定規(guī)程》（表1），表1中|md|為當測量距離為D=1 km時，其標準差的絕對值。現在國內外新生產的全站儀，其標稱精度都已等于或優(yōu)于±（5m+5D×10-6），即|md|≤10 mm，屬于Ⅰ或Ⅱ級級別[13]。本研究所使用的NTS-302B全站儀標定的測距誤差為2+2 ppm，當測距1 km，最大測距誤差不大于4 mm，遠遠高于林業(yè)測量中距離測量誤差1/200的要求。

表1 測距儀的精度分級Table 1 Accuracy classification of range finder

在儀器本身的測距精度滿足要求的情況下，測量時的照準誤差、讀數誤差、磨損誤差、接觸力誤差、撓曲誤差、熱變形誤差等也會影響測量的精度，但它們的影響非常小，累加起來不到0.001 m，儀器的對中誤差也不超過0.001 m[13]。王佩賢[14]等人的研究發(fā)現，不需要準確瞄準棱鏡也可得到準確距離（斜距）。

測量的粗誤差主要體現在測量人員的粗心大意方面，如棱鏡未安置于合適的點位上等，這就要求操作人員要認真仔細，避免此類誤差的產生。如果存在建站上的錯誤，也可以通過內業(yè)校正來處理[15]。

2.1.3 全站儀測面積的精度分析

以四邊形的涉案林地面積計算為例（見圖4），其頂點坐標分別為1（x1，y1）、2（x2，y2）、3（x3，y4）、4（x4，y4），根據解析法求算四邊形的面積（見圖5）。

圖4 全站儀面積測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of total station instrument area measurement

圖5 解析法計算面積示意圖Fig.5 Analytical method of calculating area diagram

從圖5中可以看出，四邊形的面積為相應梯形面積的代數和，即：

同理，當測量n邊形的現場邊界面積時，面積計算公式為：

式中：S為涉案林地的面積，（xi，yi）為現場邊界各控制點的坐標，當i=1時，yi-1=yn，當i=n時，yi+1=y1。

對（2）式兩邊取全微分，得

根據誤差傳播定律，面積測量的中誤差與測量的控制點坐標中誤差的關系為：

通常認為，控制點坐標（x，y）的中誤差是相同的[16]，即mxi=myi。又

式中：ms為面積測量的中誤差，mp為點位中誤差。

令D2i-1～i+1=(xi+1-xi-1)2+(yi+1-yi-1)2，Di-1～i+1為 待測邊界上相隔一個控制點的兩點距離。

從（3）式可以看出，面積測量的精度（ms）與控制點點位測量精度（mp） 和距離（Di-1～i+1）的大小有關, 而且成正比關系。

郭宗河[17-19]等人研究發(fā)現，當測量斜距小于1 km時，點位精度可達±0.15 m；當測量斜距小于650 m時，點位精度可達±0.10 m；當測量斜距小于300 m時，點位測量精度可達到±0.05 m。因此，用全站儀測量涉案林地面積，精度較高，但測量時相鄰點的距離不能過大。

2.2 全站儀測量的時間效率分析

在研究區(qū)內，分別選取面積大小不同的樣地，選用不同的儀器進行測量，記錄測量的時間，具體結果見表2、表3。

從表2可以看出，在無林地條件下，當測量面積較小時，全站儀測量的時間和手持GPS接近，這是因為開闊的地方，全站儀在安置點上只要能同時看到測區(qū)上各控制點時，不需要搬動儀器，可直接測量各點坐標，利用全站儀內部的程序計算出現場的面積，測量的速度快，時間效率高。當測量的面積較大時，考慮到測量距離的影響，需要搬動儀器，保證近距離地觀測到測區(qū)邊界上的控制點，測量時間高于手持GPS。因羅盤儀需要不斷地搬站測量，完成外業(yè)角度和距離測量后，還要完成內業(yè)的展繪、平差及面積計算，因此測量時間最長。

表2 無林地條件下不同儀器測量的時間比較Table 2 Measurement results of different area under the condition of non forest land

表3 有林地條件下不同儀器測量的時間比較Table 3 Measurement results of different area under the condition of forest land

從表3可以看出，在有林地條件下，面積差異不大的情況下，全站儀和羅盤儀測量的時間都較無林地條件下有所增加，但全站儀測量的時間仍小于羅盤儀測量的時間。主要是在有林地條件下，因受林木遮擋的影響，全站儀也需要不斷搬站進行測量，但全站儀外業(yè)測量時不需要測量距離，可以直接計算出面積結果，不需要畫圖求面積，時間效率比羅盤儀的效率高。手持GPS測量的時間與無林地變化不大，在3種方法中，用時最短。

2.3 全站儀與其他測量儀器的比較分析

2.3.1 全站儀與GPS－RTK比較分析

相關研究結果表明，全站儀的測量精度高于GPS－RTK[16,20-21]，全站儀測量平面點位的中誤差為 mp=±0.020 m[22]，RTK—GPS測量平面點位的中誤差為 mpGPS=±0.028 m[23]。筆者在研究區(qū)內選擇不同面積大小的樣地，分別使用全站儀和RTK－GPS進行測量，結果發(fā)現在有林地條件下，兩者的差異較大，在無林地條件下，兩者的差異較小，兩者均能滿足林業(yè)測量的精度要求。同時兩者在使用時各有優(yōu)缺點，全站儀測量的精度較高，但需要儀器與觀測目標間要通視，測量距離最好在300 m以內；RTK—GPS的基站與移動站不需要通視[24]，只需要電磁波通視和對天通視，移動站搬動比全站儀搬站容易，但受GPS接收信號和差分距離的限制[25]。從經濟投入比較，全站儀價格低于RTK－GPS，從人工投入比較，全站儀測量需要的人工成本比RTK－GPS要高，全站儀測量如果搬站次數較多時，會影響測量的精度，而RTK－GPS不會因搬站影響測量精度。因此，必要時或有條件時可將兩者配合使用。

2.3.2 全站儀與羅盤儀比較分析

森林羅盤儀作為傳統(tǒng)的林地面積測量的工具，因其體積小，測量方便，在林業(yè)上應用較多。筆者在黑龍江、內蒙等地調研發(fā)現，當地在測量涉案林地面積時，主要使用羅盤儀進行測量。筆者在研究區(qū)內對羅盤儀與全站儀測量結果進行了比較，發(fā)現不論是有林地條件還是無林地條件，當測量面積較小時（1 hm2以下），兩者的相對誤差較小，但隨著測量面積的增大，兩者的相對誤差增大。全站儀測角精度能達到2″，測距精度可達到2+2 ppm，比森林羅盤儀的測量精度更高，而且全站儀不需要人工丈量距離、展繪和平差等過程，其測量效率比羅盤儀高。測但全站儀價格昂貴，個體體積較大。羅盤儀體積較小，便于攜帶，價格較便宜，小面積測量時工作量較小，測量的精度能滿足林業(yè)生產的要求，因此，小面積時（1 hm2以下）筆者建議可以使用羅盤儀測量。

2.3.3 全站儀與手持GPS比較分析

分別在無林地和有林地內選取面積大小不同的樣地，比較彩圖N600手持GPS與全站儀測量的結果，為保證測量結果的可靠性，每個樣地面積重復測量6次，取平均值。計算手持GPS與全站儀測量的絕對誤差與相對誤差，結果見表4，表5。

表4 無林地條件下不同面積大小時的測量結果Table 4 Measurement results of different area under the condition of non forest land

從表4可以看出，當測量的面積較小時，手持GPS測量的結果與全站儀的相對誤差較大，當面積逐漸增大時，手持GPS測量的結果與全站儀測量的結果相對誤差較小。

表5 有林地條件下不同面積大小時的測量結果Table 5 Measurement results of different area under forest conditions

從表5可以看出，在有林地條件下，當林地面積較小時，手持GPS測量的結果與全站儀測量的結果相對誤差較大，隨著林地面積的增大，手持GPS測量的結果與全站儀測量的結果差異較小。在面積差異不大的情況下，有林地條件下相對誤差較無林地時增大。

全站儀測量受環(huán)境影響較小。手持GPS受衛(wèi)星信號、天氣、地形、儀器型號等因素的影響較大，因此測量結果很不穩(wěn)定，特別是當測算面積較小時，測量精度較低。隨著測量面積的增大，此影響越來越小，測量結果較準確。但手持GPS體積較小，攜帶方便，價格低于全站，目前在測量涉案林地面積中應用較多。筆者對30多起林地案件的調查發(fā)現，除3起案件采用地形圖勾繪法確定面積外，其余均使用手持GPS進行測量。在實地調研中也發(fā)現，大多數鑒定技術人員及森林公安現場勘查人員基本都采用航跡法繞測現場一周即完成面積測量，沒有考慮現場條件及GPS的測量精度。從司法公正、客觀的角度筆者建議，在涉案林地面積鑒定時，應考慮現場條件，采用合適的方法。當交通方便、現場通視條件較好的情況下，可以采用全站儀進行測量，既可以提高測量的工作效率，又可以保證測量的精度。

3 結論與討論

全站儀測量涉案林地面積精度較高，測量結果穩(wěn)定，受環(huán)境條件影響?。辉谝粋€制高點上可看到涉案現場邊界上各控制點時，不需要搬站，測量效率高；全站儀可直接測量距離，儀器本身可記錄和處理數據，測量所需時間短；但當遇到測站點與目標點不通視時，全站儀仍需要不斷搬站測量。

（1）涉案林地面積的測量不僅要考慮測量的精度，也需要考慮測量的效率，因為相關法律對公安機關傳喚、拘傳、留置嫌疑人的時間都有相關規(guī)定，需要盡快根據涉案面積數量確定案件的性質。使用全站儀測量涉案林地面積，不僅測量精度高，而且測量的效率也較高，測量結果比較穩(wěn)定，司法鑒定中測量結果采信度高。

（2）全站儀測量涉案林地面積時，如果案件現場情況復雜，受通視限制或著火區(qū)煙、塵的影響時，需要注意儀器的安置位置或需要多次搬站完成測量，測定時間會較長。因此要合理、靈活地選擇施測方案，以便快速測定涉案林地面積。測量時全站儀最好安置在測區(qū)范圍內，縮短測站點與目標點的距離。

（3）涉林案件現場大多分布在條件較差的山地地形條件下，現場邊界形狀不規(guī)整，相鄰控制點多為曲線。面積計算精度與多邊形的邊數有關，邊數越多，面積精度越高。使用全站儀測量時，相鄰兩點的距離最好控制在300米以內，在邊界上盡量多選擇控制點。

（4）目前使用的全站儀體積、重量較大，并且需要配備標桿等輔助設備，當涉案現場地處偏遠、山高路陡、條件復雜時，會為測量工作帶來一定的難度。實際應用中可將全站儀作為校對手持GPS的儀器，保證手持GPS測量結果的可靠性。當測量面積較小的涉案林地時，也可以使用相對便于攜帶的羅盤儀進行測量，因為在測量小面積林地時，羅盤儀的測量結果高于手持GPS，過大面積時可使用手持GPS。隨著全站儀國產化、小型化和自動化程度提高，儀器制作輕便、小巧、微型化時，全站儀將會在測量涉案林地面積中得到更廣泛的應用。

（5）全站儀價格較高，基層林業(yè)調查單位及森林公安機關購買積極性不高，有些森林公安基層單位人員知識老化，對全站儀的操作不夠熟練，導致全站儀的使用受到限制。此外，全站儀從設計、開發(fā)到使用，針對的都是工程應用方面的用戶，對于林業(yè)測繪而言，許多程序還需要重新設計和模塊化，研發(fā)面向林業(yè)測量的專用全站儀具有非常重要的意義。

（6）本文的研究主要采用了查閱文獻、實地調研、實證研究等方法完成，研究范圍還有一定的局限性。在今后的研究中，還需要進一步比較全站儀與其他測算涉案林地面積方法的差異性，如遙感技術、地理信息系統(tǒng)、各種林業(yè)軟件計算技術、地形圖勾繪法等。擴大研究區(qū)的范圍，如針對南北方地形條件的差異性開展研究，增加研究的數據量。開展全站儀在測算涉案林木直徑、樹高、材積等方面的研究，擴大全站儀在林業(yè)司法鑒定中的應用范圍。同時將研究與司法實踐相結合，維護林業(yè)司法鑒定的公正性、客觀性。

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Study on the measure of incriminating woodland areas with total station

ZHANG Min-xia, ZHAO Hao-yan, ZHANG Jie, CHEN Ge-ping
(Nanjing Forest Police College Forest Fire Department, Nanjing 210023, Jiangsu, China)

Incriminating woodland areas are used as basis of qualitative penalty in dealing with forest fire, illegal occupation of forest land and unauthorized changes in the use of forest land cases,etc. It has very important signi fi cance to study the accuracy and ef fi ciency of the measurement. Based on the analysis of the basic principle and precision of total station instrument measurement , and the application of total station in measuring woodland areas was studied with document retrieval, fi eld investigation, and experimental method. The results showed that total station can accurately measure woodland areas, and the measuring results were less affected by environmental conditions. The ef fi ciency of measurement and data processing with total stations was high when each point in border can be seen in a commanding point. Total stations need keep moving when each object point cannot be seen in survey site, which would affect the precision and ef fi ciency of measurement with total stations. Moreover, larger volume and higher price of total station constrained total station’s application in basic units of forest police. Therefore, miniaturizing total station in combination with RTKGPS can improve the precision and ef fi ciency of measuring woodland areas.

Total station; Incriminating woodland; Area measure; Qualitative penalty

S758

A

1673-923X(2016)11-0047-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.009

2016-02-24

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項“涉案林地面積測算方法的比較研究”（LGYB201511）

張民俠，副教授，博士 通訊作者：趙浩彥，講師，博士；E-mail：469640903@qq.com

張民俠，趙浩彥，張 潔，等.基于全站儀的涉案林地面積測量研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(11): 47-53.

[本文編校：吳 毅]