角规测树与方形样地调查结果的差异分析

2017-06-05王新华李春干杨承伶

林业资源管理 2017年2期

关键词：蓄积量方形样地

周梅,王新华,李春干,杨承伶

(1.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004；2.广西大学林学院,南宁 530004；广西林业勘测设计院,南宁 530011)

角规测树与方形样地调查结果的差异分析

周梅1,王新华1,李春干2,杨承伶3

(1.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004；2.广西大学林学院,南宁 530004；广西林业勘测设计院,南宁 530011)

角规绕测；角规控制检尺；每木检尺；断面积；林分平均高；每公顷蓄积量

角规测树自1947年发明,1956年引入我国以来[1-2],由于具有操作简单、不需设边界、效率高的特点,在我国广泛用于森林资源规划设计调查[3]、伐区调查[4],并曾用于省级森林资源连续清查[5-7]。虽然角规测树理论严密、观测结果是无偏的[5,8],但有大量研究表明,实际应用中角规测树结果都比全林检尺[9-11]及方形样地[12,13]、棱形样地[4]、圆形地[3]每木检尺调查结果偏小,平均偏小5%以上[1],断面积和每公顷蓄积量偏小的样地数占总样地数的52.9%和51.5%[3],也有研究得到角规控制检尺数据略为偏大的结果[14]。但过往研究着重于角规测树结果与全林检尺、方形样地或圆形样地每木检尺结果偏差大小的分析,少见角规测树与方形样地(或圆形样地)平均数差异的显著性检验的研究报道,难以全面准确地反映角规测树的偏差情况。为此,本文利用110块临时方形样地和1 830块固定方形样地调查资料,对角规测树(绕测和控制检尺)和方形样地每木检尺的断面积、林分平均高和每公顷蓄积量的偏差进行分析并进行配对t检验,以期为森林资源调查方法选择提供参考。

1 研究区概况

1.1 角规绕测研究区

研究区位于广西壮族自治区南宁市北面的高峰林场内,为一个呈东北—西南走向的近矩形区域,中心地理位置为22°58′33″N,108°23′45″E,长11.2 km,宽4.2 km,面积约4 770hm2。低山地貌,海拔90～460 m,一般坡度为24～34°。区内森林约95%为人工林,除桉树外,年龄大多都在15a以上。主要树种为尾叶桉(Eucalyptusurophylla)、巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)、马尾松(Pinusmassoniana)、湿地松(Pinuselliottii)、杉木(Cunninghamialanceolata)、八角(Illiciumverum)、红椎(Castanopsishystrix)、火力楠(Micheliamacclurei)、米老排(Mytilarialaosensis)、厚荚相思(Acaciacrassicarpa)等。约60%的林分为混交林,其形成过程为:由于水热条件好,在杉木、马尾松、尾叶桉、巨尾桉、八角人工造林后,原生树种——主要为白楸(Mallotuspaniculatus)、木荷(Schimaargentea)等在林内萌芽、生长,形成人工天然复层混交林,也有部分为人工混交林,如杉木×马尾松、厚荚相思×红椎等。在沟谷有少量天然杂木林。大多林分的下木、灌木和草本较为茂密。

1.2 角规控制检尺研究区

研究区为广西壮族自治区全境,地理位置为20°54′～26°24′N,104°26′～112°04′E,面积23.67万km2,北回归线横贯中部；位于云贵高原的东南边缘,两广丘陵的西部,整个地势为四周多山地与高原,中部和南部多为平地。属亚热带季风气候区,年平均气温16.5～23.1℃,年降水量1 500～2 000 mm,≥10℃的活动积温5 000～8 000℃,全区大部分气候温暖,热量丰富,雨水充沛,干湿分明,季节变化不明显,日照适中,冬短夏长。由南至北,水平地带性植被为季节性雨林—季风常绿阔叶林—典型常绿阔叶林,非地带性植被有红树林和石灰岩山森林。全区森林面积1 429.65万hm2,森林覆盖率60.17%,活立木总蓄积量7.44亿m3,主要树种为桉树、马尾松、杉木和一般杂木等。

2 研究方法

2.1 角规绕测样地调查方法

将研究区内林分分为4个优势树种组:杉木、松树(马尾松、湿地松)、桉树(尾叶桉、巨尾桉)和一般阔叶树(红椎、火力楠、米老排、八角、厚荚相思等和天然杂木林)。每个树种组设置25块以上的样地,共设置了110块样地。样地面积为900m2(30m×30m),分为9个10m×10m的样方,用森林罗盘仪和激光测距仪(Leica DISTOTMX30)测设样地边界和分隔样方。在每个样方内,对于胸径≥5.0cm的样木用测树钢围尺进行每木检尺(精确至0.1cm),用超声波测高仪(Haglöf VERTEX Ⅳ)测定3株平均木高(精确至0.1m)。采用形高表根据断面积和平均高计算样方每公顷蓄积量。样地每公顷断面积和每公顷蓄积量为9个样方相应值之和,样地的平均直径、平均高为9个样方平均直径、平均高的断面积加权平均值。110个样地的每公顷断面积、平均高和每公顷蓄积量的均值及变动范围分别为22.50 m2,3.92～50.21 m2；13.5 m,6.2～23.6 m；158.1 m3,21.3～387.2 m3。

在样地中心附近选择有代表性地段采用自动改平角规(系数为1.0)绕测林分断面积(作正反方向绕测两次,若两次绕测计数相差超过1株,应重新绕测),用测树钢围尺和勃鲁莱斯测高器测定3株平均木胸径(精确至0.1 cm)和树高(精确至0.1 m)。

2.2 角规控制检尺样地调查方法

角规控制检尺样地为广西壮族自治区森林资源连续清查体系固定样地,始设于1977年,样地间隔为8 km×6 km,2005年改为面积为667 m2的方形样地,方形样地中心与角规控制检尺样地中心重合。2005年调查时,角规控制检尺(角规系数为1.0)和方形样地每木检尺同时进行,均采用测树钢围尺测量胸径(精度至0.1 cm),用皮尺测量角规样木至样地中心桩的距离(精确至0.01 m)。

选取平均胸径≥5.0cm、林分蓄积量>0、方形样地每公顷断面积>1.0m2的1 480个乔木林实测样地进行分析。全部样地的断面积均值为11.9 m2,变动范围为1.0～51.7 m2。

2.3 分析方法

以方形样地每木检尺调查结果为参考,分别计算角规测树的断面积、林分平均高和每公顷蓄积量的偏差,并采用配对t检验分析角规样地调查值和方形样地调查平均数差异的显著性。具体公式如下:

(1)

(2)

(3)

由于角规控制检尺样地中两种方法的蓄积量均采用一元材积表计算,故只作断面积的差异性分析,对于角规绕测样地,分析指标包括断面积和每公顷蓄积量。

3 结果与分析

3.1 角规绕测样地的偏差

角规绕测样地的断面积、平均高、每公顷蓄积量的相对偏差如图1(a)所示,相应的平均相对偏差和范围分别为-15.88%,-74.5%～76.5%；5.27%,-23.16%～125.88%；-12.16%,-79.34%～134.72%。说明角规绕测的断面积、林分平均高和每公顷蓄积量与方形样地每木检尺结果存在较大偏差,其相应偏差的频率分布如图1(b)—图1(d)所示。

图1 角规绕测与方形样地每木检尺断面积林分平均高每公顷蓄积量相对偏差(a)及偏差分布图((b)—(d))

采用SPSS 21对断面积、平均高、每公顷蓄积量的偏差分布作正态性分布检验,结果为断面积偏差服从正态分布,而平均高、每公顷蓄积量偏差不服从正态分布(表1)。

对角规绕测样地按相对偏差大小的范围进行统计,得到表2的结果。由表2可以看出:91.9%的角规样地的林分平均高相对偏差小于±20%,说明林分平均高的测定结果较好；断面积和每公顷蓄积量偏差较大,相对偏差大于±20%的样地数量分别占全部样地数量的52.7%和55.4%。进一步分析,结果表明:断面积偏差为负的样地比重为75.5%,37.3%的样地平均高为负偏差,71.9%的样地每公顷蓄积量偏差为负偏差。说明角规绕测结果偏小。

将角规绕测调查值与方形样地调查值作配对t检验,结果(表3)表明,无论是断面积,还是平均高和每公顷蓄积量,两种方法的调查结果都存在显著性偏差(可靠性为95%)。

表1 断面积平均高和蓄积量偏差的正态性分布检验结果

表2 角规绕测样地断面积平均高每公顷蓄积量相对偏差范围的比重

表3 角规绕测样地偏差t检验表

3.2 角规控制检尺样地的偏差

1 480个角规控制检尺样地断面积的偏差的频率分布如图2所示,平均相对偏差为-4.59%,相对偏差范围为-100.00%～198.45%,说明了即使在要求很高的固定样地调查中,角规控制检尺的断面积调查结果也存在较大的偏差。在全部样地中,56.9%的样地为负偏差,即大部分样地中,角规控制检尺的断面积小于方形样地每木检尺的断面积。55.4%的样地的相对偏差大于±20%,20.7%的样地相对偏差大于±50%(表3)。

由表3还可以看出,天然林的偏差大于人工林。

其可能原因是天然林多为复层林,且下木、灌木和草本较人工林茂密,林内通视情况较人工林差,故容易造成角规控制检尺时的误判,导致漏测。由于下木、灌木和草本的影响,也可能导致样地中心桩至样木距离的测量产生误差,造成对样木的误判。阔叶林的偏差大于杉木、松树、桉树,其原因是绝大部分阔叶林为天然林。

图2 角规控制检尺断面积偏差的频率分布

项目合计≤-100%-100%～-50%-50%～-20%-20%～0%0%～20%20%～50%50%～100%>100%合计100 04 47 721 423 421 113 46 42 2人工林100 03 86 918 826 120 914 67 11 8天然林100 04 78 122 622 121 312 86 02 4坡度<35°100 05 27 721 724 320 212 96 11 9坡度≥35°100 02 57 620 621 323 414 66 93 0杉木100 03 47 317 224 123 715 56 52 2松树100 02 67 021 926 622 213 74 71 2桉树100 07 70 015 435 910 323 17 70 0阔叶树100 05 28 422 521 520 512 26 92 8

值得注意的是角规控制检尺断面积偏大的问题,43.1%角规控制检尺样地偏差大于0,22.0%的样地的偏大于20%,8.6%的样地的偏差大于50%。偏差大于0的样地比重,坡度≥35°的样地大于坡度<35°的样地,其原因有待于深入研究。

角规控制检尺断面积偏差的正态性分布检验结果为:偏度0.042,偏度的标准差0.064；峰度3.307,峰度标准误0.127；Shapiro-Wilk检验为0.965(P=0.000)。说明角规控制检尺的断面积偏差不服从正态分布。

4 结论与讨论

1) 无论是角规绕测还是角规控制检尺,其断面积都比方形样地每木检尺结果偏小,并且两者的平均数存在着显著性差异。角规绕测的每公顷蓄积量也比方形样地偏小,林分平均高略为偏大,两者的平均数与方形样地也存在显著性差异。本试验进一步证实了过往众多研究中得到的角规测树结果偏小的结论。

2) 有关角规测定林分每公顷断面积偏小的原因很多,包括林内下木、灌木、草本和小地形阻挡视线导致漏测,角规缺口两侧重影(“虚光现象”)导致临界木很难判定,光线的强弱和方向影响,观测时眼睛高于1.3m导致观测线与地面不平行[1],以及缺口宽度不符合标准造成的缺口误差[15],观测者站立位置不自始至终都处于原点而造成的观测点位移[9,14],等等。实际上,角规绕测偏差主要是由于外业调查工作量大,劳动强度高,造成调查员在实际调查中不能自始至终做到认真细致、规范操作造成的,为减小偏差,实际工作中需要加强调查质量管理。

3) 理论上,角规控制尺不存在结果偏差的问题,更不应出现偏大的问题。在本研究中,虽然调查要求极为严格,仍有12.1%的样地偏差大于-50%,并有8.6%的样地偏差大于50%,其可能的原因:茂密的下木、灌木和草本及局部小地形不但严重阻挡视线,导致漏测使结果偏小外,而且也影响距离测量,致使结果偏小,导致样木判断错误；至于角规控制检尺结果偏大的原因,仍有待于进一步的深入研究。

4) 角规测树是目前最常用的森林资源调查方法,尽管其调查结果存在偏小现象,但仍难找到有效的替代方法,因此,在森林资源调查中需要进一步加强质量管理,尽量减小偏差,提高调查质量处,还需要研究和发展理论基础可靠、技术先进、实际可行的可替代新技术、新方法。机载激光雷达估计林分平均高的平均精度达到92.8%,林分蓄积量估计的决定系数r达到了0.9[16]。激光雷达可以实现全区域、全林分树高和密度(郁闭度)的准实测,对森林参数估计具有坚实的物理基础,在大规模森林资源调查中应用前景广阔。

志谢:

广西壮族自治区林业勘测设计院工程师梁耀,见习生黄孝发、何黄之园等15人,广西大学林学院副教授陆道调及3名本科生参与角规绕测样地调查,谨表谢意。

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Analysis of Statistics Difference of Stand Parameters between Angle Measuring and Square Sample Plot

ZHOU Mei1,WANG Xinhua1,LI Chungan2,YANG Chengling3

(1.SchoolofComputer,ElectronicandInformationinGuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.ForestryCollegeofGuangxiUniversity,Nanning,Nanning530004,China;3.GuangxiForestInventoryandPlanningInstitute,Nanning530011,China)