基于Excel VBA实现林分空间结构参数的自动计算1)

谭绪泉 谷建才 孙荣喜 陈平 马旺 赵上

(河北农业大学，保定，071000) (中国林业科学研究院林业所) (河北农业大学)

基于Excel VBA实现林分空间结构参数的自动计算1)

谭绪泉 谷建才 孙荣喜 陈平 马旺 赵上

(河北农业大学，保定，071000) (中国林业科学研究院林业所) (河北农业大学)

利用Excel VBA对林分空间结构计算进行二次开发，实现林分空间结构参数的自动计算，可避免数据量巨大、计算耗时长，且容易出错的问题，大大减少在林分空间结构分析上的时间和精力，达到数据处理自动化。林分空间结构主要参数以大小比数、角尺度和混交度为主要计算指标，计算过程的主体结构为二次遍历。通过林分内各株立木的坐标计算其相对位置，在遍历相邻木时对其是否为最近相邻木进行判断，并在寻找到最近相邻木之后计算中心木的相应指标，然后输出计算结果。经调试验证，基于Excel VBA开发的林分空间结构自动计算程序，能满足林分空间结构参数计算的需要，计算过程简单，计算结果可靠，可以作为林分空间结构进一步分析的依据。林分空间结构自动计算程序，可以减少人工计算时间，有较高的实用价值。

森林经理学;Excel VBA;林分空间结构;自动化计算;二次开发

Microsoft Excel是微软公司办公套装软件Microsoft office中的一个重要组成部分，它可以进行各种数据的处理、统计分析和辅助决策操作，广泛地应用于管理、统计财经、金融等众多领域。

在有关森林结构与功能的研究中，森林结构处于重要地位，它决定了森林功能。林分空间结构是指林木在林地上的分布格局及其属性在空间上的排列方式[1]，反映了森林群落内物种的空间关系。林分空间结构对林木生长有着十分重要的作用，不同的林分结构对林木生长产生的影响也不同。林分空间结构包括的内容很多[2]，一般从3个方面进行描述:树种空间隔离程度(即混交)，林木个体大小分化程度(即竞争)，林木个体在水平面上的分布形式，即林木空间分布格局[3-7]。因此可以得出林分空间结构决定了树木之间的竞争优势及其空间生态位，在很大程度上决定了林分的稳定性、发展方向和经营措施[8-10]，已经成为森林经营中的重要因素。

1 VBA简介

Visual Basic for Applications，简称VBA，它是新一代标准宏语言，是基于Visual Basic发展而来的，二者具有相似的语言结构。VBA不但继承了VB的开发机制，而且它们的集成开发环境IDE(Intergrated Development Environment)也几乎相同。Visual Basic作为一套独立的Windows系统开发工具，可用于开发Windows环境下的各类应用程序，是一种可视化的、面向对象的、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言。它具有高效率、简单易学及功能强大的特点。经过优化，VBA专门用于Office办公软件各组件的应用开发[11]。

2 林分空间结构的需求分析

林分空间结构分析，要求分析任意一株立木与调查样地内所有其它立木的相关关系，找到最近的n株相邻木，并且计算相应的林分空间结构指标。其分析、计算过程复杂，在Excel电子表格用户界面中无法一次实现，而通过填写函数手动计算，由于林分空间结构调查样地一般都大于几千平方米，数据量巨大，计算耗时长，且容易出错，因而也不是最佳选择。现在已经开发成型的带有林分空间结构处理模块的分析软件，几乎全部为商业软件，对于一般研究者和学生来说，没有经济能力去购买专业分析软件。

因此，利用Excel扩展开发语言VBA，可以轻松实现上面复杂的分析、计算过程，由计算机自动进行分析与计算，直接在电子表格用户界面中输出计算结果，使林分空间结构分析自动化与智能化。

了解了林分空间结构分析的过程，就能自己动手写出代码，实现所要求的功能。其最主要的过程是进行中心木与相邻木的比较分析，这就需要对调查地内所有立木数据做两两比较。假设调查地内共有m条不重复的立木记录，设定最近相邻木数量为n株，通过对调查范围内m条记录做两层遍历，即可以实现两两比较的目的。同时在进行m条记录两两比较的同时，使用数组来存储符合要求的n株最近相邻木的记录，并进行空间结构参数的计算。

3 林分空间结构基本参数

林分的空间结构反映了森林群落内物种间的空间关系，即林分中林木的水平分布格局和空间排列方式，主要选用以下3个参数:①反应林木个体大小(胸径、树高和树冠等)分化程度的大小比数;②反映林木个体在林地上的水平分布及林木空间分布格局的角尺度;③体现树种空间隔离程度的树种混交度。具体计算公式请参阅文献[3]、[4]、[12]中的计算公式。

林分空间结构分析的主要思想是:以林分内某株立木作为中心木，比较中心木与其最近的n株相邻木的各项测树因子。

在代码编写过程中涉及到的林分空间结构的参数主要有:

①大小比数。大小比数(Ui)被定义为大于中心木的相邻木数占所考查的n株最近相邻木的比例。

②角尺度。角尺度(Wi)被定义为夹角小于标准角的株数占所考查的最近相邻木的比例。林分平均角尺度大于0.517时为团状分布，小于0.475时为均匀分布，[0.475，0.517]时为随机分布[7]。

③混交度。混交度(Mi)被定义为距离中心木最近的n株相邻木与中心木不属同种的个体所占的比例。林木混交度取值范围[0，1]，Mi=0表示，4株邻近木与中心木均属于同一树种，中心木为零度混交;Mi=1表示，4株邻近木与中心木均属于不同树种，中心木为极强度混交。

林分混交度取值范围为[0，1]，取值为0表示零度混交，即纯林;取值为1，表示极强度混交。

4 林分空间结构自动计算的流程图及代码设计

在Excel中，林分空间结构的数据组织形式:列为字段，即各项调查因子;行为记录，即调查地内每株立木相关调查因子的集合为一条记录。

林分空间结构立木数据的主要字段有:树种、X距离(或方位角)、Y距离(或极半径)、胸径、树高。这5项是最基本的字段，根据需要，还可以将有关调查数据添加为新的字段。文中将含有调查地内所有立木记录的单元格区域称为数据区，假设数据区内有m条记录，5个字段(以上5个基本字段)，设定相邻木数目为n。

林分空间结构自动计算的流程见图1，黑色虚线框内为Excel VBA代码执行部分，黑色虚线框外是Excel电子表格用户界面部分。在代码执行部分，计算机通过第一层遍历，计算调查地内每株立木的空间结构参数;通过第二层遍历，找到调查地内第i株立木的n株最近相邻木，然后计算其空间结构参数。两层遍历结束后，输出调查地内每株立木的空间结构参数。

根据计算指标参数的需求，还可以在自动计算主要流程中添加其它空间参数和非空间参数的计算模块，对林分空间结构计算进行功能上的扩展。

图1 林分空间结构自动计算流程

林分空间结构参数自动计算程序流程部分的主要代码如下:

5 结果

代码完全编写完成后，林分空间结构参数自动计算程序通过调试。使用绝对均匀分布、胸径值相同、树高值相同的林分数据进行验证，得到的计算结果符合实际情况;使用聚集分布和随机分布的林分数据进行验证，得到的计算结果符合实际情况。

下面以承德市隆化县茅荆坝林场油松林为例，对程序结果进行检验。

该油松林位于隆化县茅荆坝林场范围内，海拔800m，西坡，坡度 9°，郁闭度 0.3，林龄约 45 a，林分密度为417 株/hm2。调查方法为设置圆形调查样地，样地半径30m，对样地范围内的立木进行每木检尺，其所处的位置，使用方位角和半径记录，调查林木的胸径、树高、东西冠幅、南北冠幅等内容。立木分布如图2所示，直接观察可知，林分内立木分布未呈现明显的均匀分布状态，林内出现较大的空隙，其分布应以随机分布或者偏于聚集分布为主。

图2 立木分布示意图

将林分调查数据录入Excel电子表格中，部分数据显示如表1。

表1 部分林分调查数据

启动林分空间结构参数自动计算程序，设置临近木数量为4，计算机将自动计算出该林分样地内每株立木的大小比数、角尺度以及混交度。由于该林分为油松纯林，混交度计算结果全部显示为0。大小比数和角尺度的计算结果在每株立木数据后即刻显示出来，计算机同时自动计算该林分样地内所有立木的平均大小比数，平均角尺度和平均混交度。

经计算得知，该林分样地的平均大小比数为0.46，平均角尺度为0.55，平均混交度为0。林分平均角尺度大于0.517，属于聚集分布状态。

在样地立木数据中随机选取一株立木作为中心木，手动查找其最近的4株临近木，经手动计算所选中心木的各项林分空间结构参数后，比较发现程序自动计算的结果与手动计算结果一致。

表2 随机选取的中心木与其最近的4株临近木

使用现实调查林分内的立木数据进行程序结果验证，发现计算结果可靠，符合应用要求，在林分空间结构分析中可以使用。

6 结束语

Microsoft Excel程序在科学研究与日常生活中使用广泛，利用Excel VBA进行二次开发，可以使在Excel电子表格用户界面中无法一次完成的复杂工作得到简化与实现，节省工作时间，将更多的精力用于研究方法与数据处理方法的思考中。林分空间结构参数自动计算程序的开发，节省了有关林分空间结构数据处理的大量时间和精力，通过添加不同计算模块，自动计算程序在使用功能上还有很大的继续扩展潜力。

[1] 贺姗姗，彭道黎.林分空间结构可视化方法研究[J].西北林学院学报，2009，24(2):157-161.

[2] 雷相东，唐守正.林分结构多样性指标研究综述[J].林业科学，2002，38(3):140-146.

[3] 惠刚盈，von Gadow K，Albert M.角尺度:一个描述林木个体分布格局的结构参数[J].林业科学，1999，35(1):37-42.

[4] 惠刚盈，von Gadow K，Albert M.一个新的林分空间结构参数:大小比数[J].林业科学研究，1999，12(1):1-6.

[5] 惠刚盈，von Gadow K，胡艳波，等.林木分布格局类型的角尺度均值分析方法[J].生态学报，2004，24(6):1225-1229.

[6] 汤孟平.森林空间结构分析与优化经营模型研究[D].北京:北京林业大学，2003.

[7] 廖彩霞，吴瑶，衣得萍，等.林分空间结构的研究[J].林业科技情报，2007，39(2):40-41.

[8] 苏薇，岳永杰，余新晓.北京山区油松天然林的空间结构分析[J].灌溉排水学报，2008，28(1):113-117.

[9] 张会儒，武纪成，杨洪波，等.长白落叶松—云杉—冷杉混交林林分空间结构分析[J].浙江林学院学报，2009，26(3):319-325.

[10] 胡艳波，惠刚盈，戚继忠，等.吉林蛟河天然红松阔叶林的空间结构分析[J].林业科学研究，2003，16(5):523-530.

[11] Davis G H.VBA从入门到精通[M].2版.杨密，杨乐，柯树森，译.北京:电子工业出版社，2008:288-301.

[12] 惠刚盈，胡艳波.混交林树种空间隔离程度表达方式的研究[J].林业科学研究，2001，14(1):23-27.

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)国家林业局公益性行业科研专项(200804022F)。

谭绪泉，男，1985年1月生，河北农业大学林学院，硕士研究生。

谷建才，河北农业大学林学院，教授。E-mail:gujiancai@126.com。

2010年9月20日。

责任编辑: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.