基于全站仪的涉案林地面积测量研究

张民侠，赵浩彥，张 洁，陈戈萍

（南京森林警察学院 森林消防系，南京 江苏 210023）

基于全站仪的涉案林地面积测量研究

张民侠，赵浩彥，张 洁，陈戈萍

（南京森林警察学院 森林消防系，南京 江苏 210023）

涉案林地面积大小是森林火灾案件、违法征(占)用林地和擅自改变林地用途等案件定性处罚的重要依据，研究其测量的精度和效率具有非常重要的意义。在分析全站仪测量的基本原理和精度的基础上，采用查阅文献、实地调研、实地研究等方法，对全站仪在测量涉案林地面积方面的应用进行研究。结果发现，全站仪测量林地面积的精度较高，测量结果稳定，受环境条件影响小，在一个制高点上可看到现场边界上各点时，测量效率高，数据处理快；但当遇到测站点与目标点不通视时，全站仪需要不断搬站，影响测量的精度和效率。全站仪个体较大，价格较高，影响了其在森林公安基层单位的使用。建议可生产小型化的全站仪，使用时可将全站仪与RTK-GPS配合使用，提高涉案林地面积测量的精度和效率。

全站仪；涉案林地；面积测量；定性处罚

森林公安在办理森林火灾、非法征占用林地、擅自改变林地用途、盗伐滥伐林木、土地流转纠纷[1]等涉林案件时，都会涉及到林地面积的测量，测量结果作为对案件进行定性，对涉案人员进行处罚的依据[2-3]。根据《公安机关办理行政案件程序规定》《公安机关办理刑事案件程序规定》等相关法律规定，案件的办理有一定的时效性。因此，精准、高效地测量涉案林地面积，在办理森林案件中具有非常重要的意义。

根据笔者的调研，目前应用于涉案林地面积测量的方法主要有地形图勾绘法、罗盘仪导线测量法、手持GPS测量法等。地形图勾绘法测量面积的效率较高，但精度大小与勾绘者的经验及对地形图相关知识的熟悉程度有很大关系，面积过小时容易带来较大的误差；罗盘仪导线测量法精度较高，但当涉案面积较大时测量和展绘的工作量较大，测量效率低；手持GPS个体较小，便于携带，测量方法简单、方便，测量效率高，受到了基层森林公安人员的欢迎，但由于手持GPS受卫星信号等影响较大，当涉案林地面积较小时，或周围有遮挡时，测量结果误差较大[4]。

全站仪测量系统集电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元于一体，能进行三维坐标测量，测量结果能自动显示，并能与外围设备进行信息交换，属多功能的测量仪器。目前在测绘行业中得到了广泛的发展和应用，其高效率、高精度的特点受到了测量者的欢迎，被广泛应用于多个领域[5-8]。因此，研究全站仪在涉案林地面积测量中的应用具有一定的现实意义。

1 研究方法

1.1 全站仪测量的基本原理

全站仪测角的原理是采用电子测角技术，从读盘上获得电信号，然后将电信号转换为数字，从而显示出角度值。这种测量方法将角度测量数字化，其实质是用一套角码转换系统替代了传统的光学读数系统[9]，提高了测量的精度。

全站仪测距的原理是通过测量光波在测站点到目标点往返传播的时间，计算两点之间的待测距离。距离测量计算的公式如下：

式中：D为测站点到目标点的距离；C为光波在空气中的传播速度（约3×105km/s）；t为光波在测站点到目标点间往返传播的时间。

按测定时间t的不同方法，全站仪电子测距主要有脉冲法、干涉法、相位法。目前使用最多是相位法[10]。相位法测距的基本原理如下（图1）。

图1 相位法测距示意图Fig.1 Schematic diagram of phase method

根据图1显示，全站仪电子测距系统向反射棱镜发射角频率的调制光波，接收系统接收棱镜反射回来的光波，由检相器对接收信号相位和发射信号相位进行比较，测出相位移，根据相位移间接推算时间，计算出测站点与目标点的距离并显示。

1.2 全站仪测量效果分析

1.2.1 测量精度分析

林地面积测量方法较多，由于相关法律对测量方法和精度没有作出统一规定，因此在司法实践中，同一案件不同的鉴定机构和人员会出具不同的面积测量结果，导致案件审理中容易出现争议。测算方法精度越高，测量的结果与实际情况越接近，对涉案人员越公正。公正是司法的灵魂，鉴定的公正是实现司法公正的保证。因此，分析全站仪测量的精度具有非常重要的意义。

涉案林地面积测量的基本思路是在现场边界上选取特征点或控制点，确定点的位置，通过点连成线再构成面，从而确定涉案林地面积。使用全站仪测量时，全站仪安置的位置即为测站点，现场边界上的控制点即为测量的一个个目标点，通过测量测站点与目标点的距离、角度，确定控制点的坐标，根据控制点的坐标由点到线再形成面，计算出涉案林地面积。因此，涉案林地面积测量的精度主要取决于全站仪点位测量、距离测量、面积测量的精度。

1.2.2 测量时间效率分析

案件的办理和审理都有一定的时效性。根据相关法律规定，公安机关办理行政案件对被传唤的违法嫌疑人，不得超过8小时，对可能需要采用行政拘留处罚时，询问查证的时间不得超过24小时[11]；公安机关办理治安案件的期限，自受理之日起不得超过30日，对重大和复杂的案情，需要经上一级公安机关批准才可以延长30日[12]。《公安机关办理刑事案件程序规定》第175条规定“传唤持续的时间不得超过12小时”。林地面积测量的时间效率也是办理森林案件要考虑的重要因素之一。因此，也需要对全站仪测量的时间效率进行分析。

1.2.3 与其他仪器比较

通过查阅文献、实地调研和选择研究区研究等方法，与其他测量仪器比较，研究分析全站仪测量涉案林地面积的适用条件、时间效率和制约因素，为更好地应用全站仪测量涉案林地面积提供依据。研究区分别设在南京市中山陵园风景区（有林地）和南京森林警察学院校园（无林地）内。中山陵风景区地处南京市东郊，全区地貌以山地和丘陵为主，海拔200～400 m。研究区内森林茂密，主要为马尾松和阔叶树组成的混交林，树木平均高度约为18 m，郁闭度为0.7左右，坡度约为12～13°。南京森林警察学院位于南京市仙林大学城，校园内有较开阔的空地。研究选用的仪器有南方测绘仪器公司生产的NTS-302B全站仪、RTK-GPS，华测公司生产的彩途N600手持GPS，哈尔滨光学仪器厂生产的DQL-1B型森林罗盘仪。

2 结果与分析

2.1 全站仪测量的精度分析

2.1.1 全站仪测点的精度分析

假设全站仪的测站点为O，其坐标为（xo，yo），目标点为P，其坐标为（xP，y P）。OP=D，D为测站点至目标点的水平距离（图2）。

图2 控制点坐标示意图Fig.2 Schematic diagram of control point coordinate

建立目标点P的坐标函数如下：

对上述函数关系式进行全微分，求出其真误差关系式：

根据误差传播定律可写出xp，yp的方差为

式中：ρ=206 265。[10]

点位中误差与测量距离的关系如下（图3）。

图3横坐标为测站点至待测点的距离D，纵坐标为点位的中误差m，从点位中误差可以看出，点位测量的精度与测站点距目标的距离有关。随测站点与目标的距离增加，测量的误差增大。如全站仪本身的误差为0.005 m，则测量距离应控制在300 m以内。

图3 m与D的关系图（单位/米）Fig.3 Relationship between m and D (unit / meter)

2.1.2 全站仪测距的精度分析

全站仪测距的精度表达式为±（A+BD）的形式，其中A代表仪器的固定误差，单位为mm，主要由仪器加常数的测定误差、对中误差、测相误差造成，一般为1～5 mm。固定误差与测量的距离无关，即不管测量的实际距离有多远，全站仪都将存在不大于该值的固定误差。BD表示比例误差，B的单位为ppm，主要由仪器频率误差、大气折射误差引起。一旦距离确定，比例误差即确定。固定误差与比例误差绝对值之和，加上偶然误差±号，即构成了全站仪测距的精度。此外，还可以根据测量任务对精度的要求加上气象改正和乘常数，不同全站仪气象改正和乘常数不同。

国家技术监督局1991年1月颁布了《光电距仪检定规程》（表1），表1中|md|为当测量距离为D=1 km时，其标准差的绝对值。现在国内外新生产的全站仪，其标称精度都已等于或优于±（5m+5D×10-6），即|md|≤10 mm，属于Ⅰ或Ⅱ级级别[13]。本研究所使用的NTS-302B全站仪标定的测距误差为2+2 ppm，当测距1 km，最大测距误差不大于4 mm，远远高于林业测量中距离测量误差1/200的要求。

表1 测距仪的精度分级Table 1 Accuracy classification of range finder

在仪器本身的测距精度满足要求的情况下，测量时的照准误差、读数误差、磨损误差、接触力误差、挠曲误差、热变形误差等也会影响测量的精度，但它们的影响非常小，累加起来不到0.001 m，仪器的对中误差也不超过0.001 m[13]。王佩贤[14]等人的研究发现，不需要准确瞄准棱镜也可得到准确距离（斜距）。

测量的粗误差主要体现在测量人员的粗心大意方面，如棱镜未安置于合适的点位上等，这就要求操作人员要认真仔细，避免此类误差的产生。如果存在建站上的错误，也可以通过内业校正来处理[15]。

2.1.3 全站仪测面积的精度分析

以四边形的涉案林地面积计算为例（见图4），其顶点坐标分别为1（x1，y1）、2（x2，y2）、3（x3，y4）、4（x4，y4），根据解析法求算四边形的面积（见图5）。

图4 全站仪面积测量示意图Fig.4 Schematic diagram of total station instrument area measurement

图5 解析法计算面积示意图Fig.5 Analytical method of calculating area diagram

从图5中可以看出，四边形的面积为相应梯形面积的代数和，即：

同理，当测量n边形的现场边界面积时，面积计算公式为：

式中：S为涉案林地的面积，（xi，yi）为现场边界各控制点的坐标，当i=1时，yi-1=yn，当i=n时，yi+1=y1。

对（2）式两边取全微分，得

根据误差传播定律，面积测量的中误差与测量的控制点坐标中误差的关系为：

通常认为，控制点坐标（x，y）的中误差是相同的[16]，即mxi=myi。又

式中：ms为面积测量的中误差，mp为点位中误差。

令D2i-1～i+1=(xi+1-xi-1)2+(yi+1-yi-1)2，Di-1～i+1为 待测边界上相隔一个控制点的两点距离。

从（3）式可以看出，面积测量的精度（ms）与控制点点位测量精度（mp） 和距离（Di-1～i+1）的大小有关, 而且成正比关系。

郭宗河[17-19]等人研究发现，当测量斜距小于1 km时，点位精度可达±0.15 m；当测量斜距小于650 m时，点位精度可达±0.10 m；当测量斜距小于300 m时，点位测量精度可达到±0.05 m。因此，用全站仪测量涉案林地面积，精度较高，但测量时相邻点的距离不能过大。

2.2 全站仪测量的时间效率分析

在研究区内，分别选取面积大小不同的样地，选用不同的仪器进行测量，记录测量的时间，具体结果见表2、表3。

从表2可以看出，在无林地条件下，当测量面积较小时，全站仪测量的时间和手持GPS接近，这是因为开阔的地方，全站仪在安置点上只要能同时看到测区上各控制点时，不需要搬动仪器，可直接测量各点坐标，利用全站仪内部的程序计算出现场的面积，测量的速度快，时间效率高。当测量的面积较大时，考虑到测量距离的影响，需要搬动仪器，保证近距离地观测到测区边界上的控制点，测量时间高于手持GPS。因罗盘仪需要不断地搬站测量，完成外业角度和距离测量后，还要完成内业的展绘、平差及面积计算，因此测量时间最长。

表2 无林地条件下不同仪器测量的时间比较Table 2 Measurement results of different area under the condition of non forest land

表3 有林地条件下不同仪器测量的时间比较Table 3 Measurement results of different area under the condition of forest land

从表3可以看出，在有林地条件下，面积差异不大的情况下，全站仪和罗盘仪测量的时间都较无林地条件下有所增加，但全站仪测量的时间仍小于罗盘仪测量的时间。主要是在有林地条件下，因受林木遮挡的影响，全站仪也需要不断搬站进行测量，但全站仪外业测量时不需要测量距离，可以直接计算出面积结果，不需要画图求面积，时间效率比罗盘仪的效率高。手持GPS测量的时间与无林地变化不大，在3种方法中，用时最短。

2.3 全站仪与其他测量仪器的比较分析

2.3.1 全站仪与GPS－RTK比较分析

相关研究结果表明，全站仪的测量精度高于GPS－RTK[16,20-21]，全站仪测量平面点位的中误差为 mp=±0.020 m[22]，RTK—GPS测量平面点位的中误差为 mpGPS=±0.028 m[23]。笔者在研究区内选择不同面积大小的样地，分别使用全站仪和RTK－GPS进行测量，结果发现在有林地条件下，两者的差异较大，在无林地条件下，两者的差异较小，两者均能满足林业测量的精度要求。同时两者在使用时各有优缺点，全站仪测量的精度较高，但需要仪器与观测目标间要通视，测量距离最好在300 m以内；RTK—GPS的基站与移动站不需要通视[24]，只需要电磁波通视和对天通视，移动站搬动比全站仪搬站容易，但受GPS接收信号和差分距离的限制[25]。从经济投入比较，全站仪价格低于RTK－GPS，从人工投入比较，全站仪测量需要的人工成本比RTK－GPS要高，全站仪测量如果搬站次数较多时，会影响测量的精度，而RTK－GPS不会因搬站影响测量精度。因此，必要时或有条件时可将两者配合使用。

2.3.2 全站仪与罗盘仪比较分析

森林罗盘仪作为传统的林地面积测量的工具，因其体积小，测量方便，在林业上应用较多。笔者在黑龙江、内蒙等地调研发现，当地在测量涉案林地面积时，主要使用罗盘仪进行测量。笔者在研究区内对罗盘仪与全站仪测量结果进行了比较，发现不论是有林地条件还是无林地条件，当测量面积较小时（1 hm2以下），两者的相对误差较小，但随着测量面积的增大，两者的相对误差增大。全站仪测角精度能达到2″，测距精度可达到2+2 ppm，比森林罗盘仪的测量精度更高，而且全站仪不需要人工丈量距离、展绘和平差等过程，其测量效率比罗盘仪高。测但全站仪价格昂贵，个体体积较大。罗盘仪体积较小，便于携带，价格较便宜，小面积测量时工作量较小，测量的精度能满足林业生产的要求，因此，小面积时（1 hm2以下）笔者建议可以使用罗盘仪测量。

2.3.3 全站仪与手持GPS比较分析

分别在无林地和有林地内选取面积大小不同的样地，比较彩图N600手持GPS与全站仪测量的结果，为保证测量结果的可靠性，每个样地面积重复测量6次，取平均值。计算手持GPS与全站仪测量的绝对误差与相对误差，结果见表4，表5。

表4 无林地条件下不同面积大小时的测量结果Table 4 Measurement results of different area under the condition of non forest land

从表4可以看出，当测量的面积较小时，手持GPS测量的结果与全站仪的相对误差较大，当面积逐渐增大时，手持GPS测量的结果与全站仪测量的结果相对误差较小。

表5 有林地条件下不同面积大小时的测量结果Table 5 Measurement results of different area under forest conditions

从表5可以看出，在有林地条件下，当林地面积较小时，手持GPS测量的结果与全站仪测量的结果相对误差较大，随着林地面积的增大，手持GPS测量的结果与全站仪测量的结果差异较小。在面积差异不大的情况下，有林地条件下相对误差较无林地时增大。

全站仪测量受环境影响较小。手持GPS受卫星信号、天气、地形、仪器型号等因素的影响较大，因此测量结果很不稳定，特别是当测算面积较小时，测量精度较低。随着测量面积的增大，此影响越来越小，测量结果较准确。但手持GPS体积较小，携带方便，价格低于全站，目前在测量涉案林地面积中应用较多。笔者对30多起林地案件的调查发现，除3起案件采用地形图勾绘法确定面积外，其余均使用手持GPS进行测量。在实地调研中也发现，大多数鉴定技术人员及森林公安现场勘查人员基本都采用航迹法绕测现场一周即完成面积测量，没有考虑现场条件及GPS的测量精度。从司法公正、客观的角度笔者建议，在涉案林地面积鉴定时，应考虑现场条件，采用合适的方法。当交通方便、现场通视条件较好的情况下，可以采用全站仪进行测量，既可以提高测量的工作效率，又可以保证测量的精度。

3 结论与讨论

全站仪测量涉案林地面积精度较高，测量结果稳定，受环境条件影响小；在一个制高点上可看到涉案现场边界上各控制点时，不需要搬站，测量效率高；全站仪可直接测量距离，仪器本身可记录和处理数据，测量所需时间短；但当遇到测站点与目标点不通视时，全站仪仍需要不断搬站测量。

（1）涉案林地面积的测量不仅要考虑测量的精度，也需要考虑测量的效率，因为相关法律对公安机关传唤、拘传、留置嫌疑人的时间都有相关规定，需要尽快根据涉案面积数量确定案件的性质。使用全站仪测量涉案林地面积，不仅测量精度高，而且测量的效率也较高，测量结果比较稳定，司法鉴定中测量结果采信度高。

（2）全站仪测量涉案林地面积时，如果案件现场情况复杂，受通视限制或着火区烟、尘的影响时，需要注意仪器的安置位置或需要多次搬站完成测量，测定时间会较长。因此要合理、灵活地选择施测方案，以便快速测定涉案林地面积。测量时全站仪最好安置在测区范围内，缩短测站点与目标点的距离。

（3）涉林案件现场大多分布在条件较差的山地地形条件下，现场边界形状不规整，相邻控制点多为曲线。面积计算精度与多边形的边数有关，边数越多，面积精度越高。使用全站仪测量时，相邻两点的距离最好控制在300米以内，在边界上尽量多选择控制点。

（4）目前使用的全站仪体积、重量较大，并且需要配备标杆等辅助设备，当涉案现场地处偏远、山高路陡、条件复杂时，会为测量工作带来一定的难度。实际应用中可将全站仪作为校对手持GPS的仪器，保证手持GPS测量结果的可靠性。当测量面积较小的涉案林地时，也可以使用相对便于携带的罗盘仪进行测量，因为在测量小面积林地时，罗盘仪的测量结果高于手持GPS，过大面积时可使用手持GPS。随着全站仪国产化、小型化和自动化程度提高，仪器制作轻便、小巧、微型化时，全站仪将会在测量涉案林地面积中得到更广泛的应用。

（5）全站仪价格较高，基层林业调查单位及森林公安机关购买积极性不高，有些森林公安基层单位人员知识老化，对全站仪的操作不够熟练，导致全站仪的使用受到限制。此外，全站仪从设计、开发到使用，针对的都是工程应用方面的用户，对于林业测绘而言，许多程序还需要重新设计和模块化，研发面向林业测量的专用全站仪具有非常重要的意义。

（6）本文的研究主要采用了查阅文献、实地调研、实证研究等方法完成，研究范围还有一定的局限性。在今后的研究中，还需要进一步比较全站仪与其他测算涉案林地面积方法的差异性，如遥感技术、地理信息系统、各种林业软件计算技术、地形图勾绘法等。扩大研究区的范围，如针对南北方地形条件的差异性开展研究，增加研究的数据量。开展全站仪在测算涉案林木直径、树高、材积等方面的研究，扩大全站仪在林业司法鉴定中的应用范围。同时将研究与司法实践相结合，维护林业司法鉴定的公正性、客观性。

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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

中央高校基本科研业务费专项“涉案林地面积测算方法的比较研究”（LGYB201511）

张民侠，副教授，博士 通讯作者：赵浩彥，讲师，博士；E-mail：469640903@qq.com

张民侠，赵浩彥，张 洁，等.基于全站仪的涉案林地面积测量研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(11): 47-53.

[本文编校：吴 毅]