基于ViewGIS的森林资源清查样木位置图绘制

2013-04-11张国华

自然保护地 2013年4期

关键词：底图点状方位角

张国华

（福建省柘荣县林业局 355300）

基于ViewGIS的森林资源清查样木位置图绘制

张国华

（福建省柘荣县林业局 355300）

在森林资源清查中，样木位置图是样地的调查成果之一，也是复位的重要依据。良好的样木位置图有助于样地与样木的复位与调查。通过应用ViewGIS与Excel软件，自动生成样木位置图，规范样木位置测量数据管理，避免了传统手工绘图的粗放与错漏，从而提高样木位置图的分辨率，更加易于保存、易于使用，提高了样地样木复位的效率与精度。

ViewGIS；Excel；样木位置图；绘制

前言

国家森林资源清查（一类清查）是以掌握宏观森林资源现状与动态为目的，利用固定样地为主进行定期复查的森林资源调查方法，其调查的主要内容包括固定样地调查、遥感图像判读、生态定位监测等。在固定样地调查中，样地复位、周界测量与样木因子调查是最重要的组成部分，样地与样木位置示意图（以下称为样木位置图）是调查成果之一，也是复位的重要依据。

长期以来，基层调查工组在样木位置图的绘制中大多还是采用人工手段草绘，或利用量角器、直尺辅助绘制，绘制繁琐且修改起来麻烦，需要花大量的时间，最终的位置图精度也难以提高，给样地的外业调查和内业整理带来了一定的影响。本次福建省开展了第八次全国森林资源连续清查，本人参加了宁德市柘荣县21个省级固定样地的调查，在实践中采用了计算机软件Excel和ViewGIS进行样木位置的数据管理与样木位置图的绘制，实现了样木位置图的计算机生成，大大提高了样地、样木调查的效率与定位的精度。

1 本次清查样地与样木调查相关技术规定

固定样地形状为正方形，边长25.82米，面积0.0667公顷（1亩）。调查中，不得改变样地的形状、方向和边长。

样地定位点为测定样木位置之起点，包括样地的西南、西北、东北、东南和中心点，现场绘制样木位置图时，根据地貌、样木分布等情况确定定位点后，采用罗盘仪定向、皮尺量距测定样木的方位角、水平距，并记录在样木“每木检尺记录表”相应栏目内。每个样地要实测1/4数量以上的样木定位并备注，并采用量角器、三角板在样木位置图上标示其点位和样木号。其余样木在现场确定相对位置，标注在图上，同时要求做好内业记录，即每株样木都要填写定位点、方位角和水平距。

2 样木位置图

2.1 样木位置图的基本格式

样地位置图为正方形，以1:200比例尺记载，四角为角桩点号(即Sw、Nw、Ne、Se),分为西南、西北、东北、东南四个象限，西侧与北侧附有边长距离标尺，图内按间隔每米以虚线绘制，由四个角点向中线及中心点也各有斜虚线，以方便样木位置的现场绘制。

2.2 样木位置图绘制现状

长期以来，基层调查工组在样木位置图的绘制中大多还是采用手工现场草绘，或沿用前期绘制的位置图，依赖于调查人员个人的绘制能力，绘图质量参差不齐，容易出现样木位置错漏、移位、字体潦草、样地特征标注不全等现象，给现场辨认带来困难。按技术规定，在内业阶段用量角器、直尺辅助绘制，绘制繁琐且修改起来麻烦，需要大量的时间，最终位置图精度也难以提高。并且，调查人员为了加快调查进度、减少后期处理的麻烦，普遍不愿意对前期的样木位置图进行修改，内业阶段直接照抄前期图纸，造成了数期调查下来，样木位置图与现地出入较大。

2.3 样木位置图的意义

样木位置图不仅是针对样地内每株样木的位置进行标示，也是进行样地复位的重要依据。样地复位要求中规定，若不能找到完整的角桩和边界，但样地内树木编号、胸径红漆线尚在，且能确定保留木、进界木等样木类型，通过测定能恢复样地四条边及四个角桩原来位置的，可视为样地复位。

样木位置图不能仅仅理解为绘制样地内样木位置的图纸，实际上还应该包括样地内、外的其它位置因素，如样地标志特点、样地内固定标志物如定位树、石头、土壤坑、坟墓等、特殊地形如公路、小路、流水坑、河流、水坝、样地内不同地类的明显界线，以及样地外可用于样地查找的其它因素，如电杆、高压线、通讯线路等，应将其概念拓展为样地与样木的综合位置图。

良好的样木位置图，可以帮助调查人员迅速找到边界线与角桩的位置，对提高样地复位率具有指示意义，在样木因子调查中，更可以起到加快调查速度、事半功倍的作用。电脑绘制样木位置图示例见图2－1。

图2－1 电脑绘制样木位置图示例

3、数学模型与数据交换设计

3.1 样木位置图自动绘制的数学模型

自动绘制样木位置图离不开坐标系统的表示。按规定，样木位置图是将样地划分为西南、西北、东北、东南四个区域，以四个角桩点进行各自区域内的样木测定，这实际上是以四个角桩点各自建立一个以定位点为极点、磁北针方向为极轴，由样木方位角与距离构成极径的顺时针极坐标系；而在图形绘制软件中，若要完全的表示一个样地内样木的位置情况，又需要以样地整体作为一个平面的四角桩点象限对应样木方位角与坐标的函数关系，即采用平面直角坐标系（笛卡尔坐标系），更加直观，更易处理。在ViewGIS中，可以将样地自西往东方向设为x轴，自南往北方向设为y轴，与林业地形图的规定方向一致。

图3-1 四个象限对应样木方位角与坐标的基础函数换算关系

3.2 ViewGIS数据交换形式

ViewGIS自身主要以.lay和.vmg图层文件形式对图象数据进行处理，但也提供了多种数据交换接口。其中Arc/info（.gen）文件形式最为简便。.

Gen文件实际是一个纯文本文件，以ViewGIS点状图层形式，输出.gen文件，可用任一文本处理软件打开，其格式如下：

点状图层.gen文件中，每行为一个点位置坐标，由“点号(样木号) X(坐标) Y(坐标)”三要素构成，中间为分隔符。最后一行则为“End”，表示点状数据结束。

文本结构的.gen文件，可以方便的将点状数据（样木坐标）复制输入到Excel中。同样的，Excel中的样木数据也可以很方便地复制、粘贴保存到一个文本文件中，并将其扩展名改为.gen即可。本次应用中，ViewGIS与Excel的数据交换，默认采用本方式进行。

3.3 样木位置数据格式

样木位置数据采用Excel来管理，为统一数据处理工作与打印输出，需要对表格形式进行设计。

方位角距离记录样木位置的数据格式：

A列为样木号，B列表示角桩点号，C列为方位角，数值格式、保留一位小数，D列为水平距，数值格式、保留一位小数。（见图3-2）

角桩点号为西南点、西北点、东北点、东南点、中心点，以代码1、2、3、4、5表示。

当以坐标来记录样木位置的数据格式：

A列为样木号，B列为x坐标，C列为y坐标。（见图3-3）

图3-2 以方位角记录样木位置

图3-3以平面坐标记录样木位置

4 ViewGIS绘图的实现

4.1 构建样木位置图底图图层

4.1.1 样木位置图底图图层的建立以“样地调查记录卡”为基础，结合扫描方式与矢量化方式，采用三度带投影，重新在ViewGIS构建样木位置图底图（见图4-1）。这样可以与往期的样木位置图绘制与使用习惯相一致，调查人员不必去适应新的位置图标准，且打印输出的图纸大小与原底图一样，可直接套用粘贴到“样地调查记录卡”的对应位置上，也可单独使用。

图4-1 ViewGIS中使用的样木位置图底图（四角象限对应坐标基准）

4.1.2 样木位置图底图的一些改进

在样木位置的实际测定中，多以角桩点为测站架设仪器，就近测量各自区域内的样木方位角、距离。出于这一习惯，本人将位置图边界标尺修改为由角点两端出发，到样地边界中线会合的形式。即西南点向北的标尺为“2 4 6 8 10 12”，向东的标尺为“1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12”，相对应的，西北点向南的标尺也变更为“2 4 6 8 10 12”，添加了东南点向西的标尺为“1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12”，其它角点位也以同样方式添加标尺。改进后，在样地现场测量样木位置与画图变得更加容易。与原底图相比，免去了现场绘图还需要反向换算的弊病。

4.1.3 样木位置图底图图层的坐标系基准

以底图为坐标系，比例尺设为1:10000，样地中任一点（样木）的坐标用P(x,y)表示，西南点坐标P(xSw,ySw)为[100,100]，西北角坐标为P(xNw,yNw)为[100,1400]，东北点坐标为P(xNe,yNe)为[1400,1400]，东南角坐标为P(xSe,ySe)为[1400,100]，中心点坐标设为[750,750]。图上每间距50个坐标点，对应实地距离1m，即换算间隔单位为50。

4.2 样木位置点状图层

4.2.1 建立点状图层

ViewGIS加载底图图层后，为每个样地建立一个点状图层，用于样木位置的标记显示。点符号样式使用“⊙”（或其它符号），字体任意，大小设置为20，在样木位置图显示较为醒目。

建立点状图层后，立即对该点状图层建立数据库。在点状图层文件名上单击鼠标右键，在跳出的菜单中选择“建立图层数据库”即可。

4.2.2 点状图的显示设置

在ViewGIS工程文件中，对复合图名称上单击鼠标右键，在跳出的菜单中选择“复合图属性…”，在“复合图显示参数”中选定显示方式为“制图方式”并确定。

建立样木点状图层并建立数据库后，应对该图层设置显示复合标记，在点状图层文件名上单击鼠标右键，在跳出的菜单中选择“图层显示参数” ，使用黑体10号字、向下显示、偏移量35，显示效果较，生成的样木位置图美观、大方、易于辨认。

4.2.3 样木位置的输入与显示

采用人工方式初次输入样木位置时，建议先在菜单“地图制作-＞符号选择…”中设定好点的符号形式（如“⊙”），然后再输入，可以提高速度。输入样木位置，只需选定点状图层，以鼠标在底图上的对应位置单击，相应的样木符号与号码将直接在屏幕上显示出来。

这里注意输入的点号即为显示样木号，若与实际号不一致，可修改该点号，或者直接丢弃该点号继续录入，可加快速度。若输入点位有所偏移，可直接鼠标选取该点位符号并拖动到合适的位置以纠正偏差，然后继续输入其它点位。

若已有样木坐标数据，则可以采用自动输入方式，方法是将.gen交换文件直接在ViewGIS读入，并建立点状图层数据库，全选所有点后，设置点符号形式与显示参数如上。

若已有样木方位角、水平距数据，则可以Excel将其转换成坐标数据，保存为.gen交换文件，再由ViewGIS读入，操作如上述。

以上两种方式综合使用，还可以帮助逐步纠正样木位置的一些小错误。

4.3 标注图层

用于地物、地标、说明等标记，包括样地标志特点、样地内固定标志物如定位树、石头、土壤坑、坟墓等，特殊地形如公路、小路、流水坑、河流、水坝、样地内地类的明显界线，以及样地外可利用于查找的其它因素，如电杆、通讯线路等。

若在添加绘制样木点状图层之前，就在样地底层上完成标注图层（混合图层）各项地物、地标的绘制，可帮助其后的样木位置点状图绘制更准确，速度更快。

4.4 样木位置的数据交换

样木位置点状图层绘制完毕，即可在该图层上单击鼠标右键，在跳出的菜单中选择“图层另存为…”，在文件名对话框中填写合适的.gen数据交换文件名称，其下的文件类型选择“Arcinfo (*.gen)”，然后点击“保存”确定。交换文件即生成完毕，并可用于Excel进行换算处理。（参见第“3.2 ViewGIS数据交换形式”）

5 程序实现

采用Excel进行样木位置坐标与方位角、距离的计算，程序用Excel自带的VBA编程语言编写，由“平面坐标转换方位角与距离”与“方位角与距离转换平面坐标”两个模块分别实现坐标与方位角、距离的互换。

由平面坐标转换方位角与距离的核心算法

vDist = Sqr(vdx ^ 2 + vDy ^ 2) / vDw '斜边(距离)值，带单位间隔（设为50）换算

vJd = Atn(vdx / vDy) * 57.29578 '默认SW弧度转角度(*180/Pi)，精度不另换算

'若要保留精度0.5，可用公式：Round(角度*2,0)/2

由方位角与距离转换平面坐标的核心算法

vJd = Cells(vi, jJd): vDist = Cells(vi, jDist) * vDw '取极坐标角度与距离值(直接换算成(弧度及)间隔单位）

vDa = vDist * Sin(vJd / 57.29578): Vdb = vDist * Cos(vJd / 57.29578) '以弧度换算，不计象限改算

If vJd ＜= 90 Then 'SW点，桩点判断依据角度而非桩号，算法比较简洁

程序中，由于VBA对角度计算使用的是弧度，因此需要对其进行换算为方位角，其公式为：方位角 = Arctan(弧度值)*180/Pi。在VBA中体现为vJd = Atn(vdx / vDy) * 57.29578。

实际调查中有可能存在样木位置测量与记录错误，还可以对应设计样木位置坐标对角桩点、方位角的换算查错模块，从而进一步提高测量结果与成图精度。

6 应用总结

6.1 本文应用的优点

(1)使用计算机绘制样木位置图，不仅是实现一次调查中的样木位置图的绘图，而且在下一期的调查中，能够依据前期的样木位置图进行样木复位的查找、核对，以及对期间变动情况的增删和错误的修改，将静态的样木位置图的绘图拓展为动态的样木复位管理，变更更加容易。样木位置图可输出多份，调查人员可以在调查时任意标注，不怕样木位置图在外业调查中损坏。

(2)本应用出发点是充分利用当前林业部门运用较为广泛、基础较好的ViewGIS软件与电子表格Excel来进行绘图操作及数据管理，无需花费成本另寻其它专门的软件，有利基层技术人员的学习与操作。

(3)由于使用了标注图层（或混合图层），样地内的地物、地标、说明得以保存并可重复再利用和调查对比复位，丰富了样木位置图的内容。

(4)样木数量越多，ViewGIS绘制样木位置图的效果越好。当样木达到230株时，电脑绘制的样木位置图仍能清晰地显示每株样木的位置与号码，易于辩认。而手工绘制的样木位置图，在样木数达到100左右时，已明显绘制困难，辩认费劲。

(5)可以将多个样地的样木数据集中保存在一份Excel电子表格文件中，而不是分散在各样地调查记录卡里，方便了统一管理与提取使用。打印输出也显得美观。

(6)由于数据交换采用的文本格式的.gen文件，本方法也可以很容易地推广到Arcinfo、ArcGIS、Mapinfo、AutoCAD等软件中去。

6.2 不足的地方

(1)本应用方法不是以单一的软件如Excel来同时实现数据管理与绘图功能，因此绘图效率上可能无法与编制专门的程序相比。也要求调查人员对电脑比较熟练，熟悉ViewGIS操作。

(2)调查精度上，首次绘图仍然需要依赖手工，故而精度也需要在后续的调查中逐步修正。若实测的样木，尤其是边界附近的样木测定数据越齐全，则成图的精度也越高。

(3)对样地内样木较少的情况，使用计算机绘制样木位置图的意义不大。

6.3 讨论

(1)样木位置点状图层建议数据库后，数据库.dbf文件已包含了样木号、x坐标，y坐标三要素，而Excel可直接打开.dbf文件进行操作，但本次应用出于通用性考虑，未采取本方法。

(2)如条件许可，甚至可以对样木数据库.dbf添加树种名称、胸径、树高、GPS坐标、备注等内容并在图上显示，进一步丰富样木位置图的内容。