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公益林生态监测固定样地测设方法比较

2020-10-20文爱军陈德干周利军颜秋翠邝平云曾凡武

湖南林业科技 2020年4期
关键词:测量法角点中心点

李 兵, 文爱军, 朱 昕, 陈德干, 周利军, 颜秋翠, 王 强,张 平, 邝平云, 曾凡武, 陈 健

(1.临武县林业局, 湖南 临武 424300;2.湖南省林业局,湖南 长沙 410004;3.临武县西山国有林场,湖南 临武 424300;4.临武县东山国有林场, 湖南 临武 424300)

我国在20世纪80年代提出了森林“生态利用”的原则。1991年,林业部提出要充分发挥森林的经济效益、生态效益和社会效益。1994年,国家确定了林业部门负责林业生态环境建设的管理职能,提出到21世纪中叶实现建立比较完备的生态体系的奋斗目标,提出了对森林实行“分类经营”的方针[1]。2019年12月28日颁布的《中华人民共和国森林法》(2020年7月1日实施)第六条规定了国家以培育稳定、健康、优质、高效的森林生态系统为目标,对公益林和商品林实行分类经营管理。森林分类经营是以林种经营目的为依据的组织经营模式,便于目标管理[2]。林种就是森林的种类,具体划分为防护林、用材林、经济林、薪炭林和特种用途林。公益林包括防护林和特种用途林,是指以生态效益和社会效益为主体功能,依据国家和省有关规定划定,经批准公布并签有公益林保护协议的森林、林木以及宜林地。

临武县2001年启动公益林区划界定工作,2004年全面完成,2006年开始实施森林生态效益补偿。至2019年,全县省级以上公益林补偿面积达25469.1hm2(其中国家级的12561.4hm2,省级的12907.7hm2),占林地总面积的25.50%。为了及时掌握公益林范围、数量、质量、结构、生态系统服务功能及其动态变化情况,客观评价公益林建设和保护管理成效,湖南省林业局组织开展了公益林生态监测评价工作。按省林业局监测评价工作的要求,县级林业局参加面上固定样地调查工作。样地测设是样地调查的前期工作,样地测设离不开样地面积测量和周长测量。面积测量是森林资源环境调查中的基础性工作,其精度直接与森林资源环境调查监测结果的精确性和可靠性密切相关[3]。在林业工程测量中,前期已有多人做过罗盘仪测量和GPS等其他测量方法的对比研究,且均得出罗盘仪精度不高的结论[4-9];还有很多人做过面积大小对测量精度影响的对比研究,结果显示,当样地面积小时,罗盘仪测量跟GPS等其他方法测量结果非常接近,精度无显著差异[10-15]。因公益林生态监测评价固定样地面积小,边长短,所以本次调查依然使用罗盘仪测量。为了提高样地测设精度,减少误差和节约调查成本,作者对2种不同样地测设方法进行了对比试验,旨在今后各类林业调查中,根据不同调查目的和立地条件,因地制宜选择合适的样地测设方法。

1 试验区概况

试验区临武县位于湖南省南端,地处南岭山脉东段北麓,土地总面积137523.0hm2,其中林地面积99875.3hm2,活立木蓄积量2490067m3,森林覆盖率62.02%。该区属低山地貌,平均海拔910m,地势陡峭,地面起伏较大;气候温暖湿润,四季分明;土壤为山地黄壤,土质疏松。根据省林业局统一提供的5个固定样地中心点的地理坐标,利用Arcgis软件定位,确定样地分布在水东镇、东山国有林场和西山国有林场范围内,在此基础上选取5个固定样地。各固定样地信息见表1。

表1 固定样地信息Tab.1 The information of fixed sample plot样地号经度/°E纬度/°N地类生态区位林种事权等级流域645112.58125.410乔木林地生态型国有林场水源涵养林省级珠江流域646112.65525.410灌木林地荒漠化和水土流失严重地区水土保持林国家级珠江流域647112.73025.409乔木林地高速公路与铁路两旁护路林省级珠江流域661112.35525.210竹林地森林公园风景林省级湘江流域662112.42925.209乔木林地森林公园风景林省级珠江流域

2 研究方法

2.1 测设用工具

外业调查工具有华测牌LT700UP平板 GPS数据采集终端(上海华测导航技术股份有限公司生产)、哈光牌DQL-127森林罗盘仪(哈尔滨光学仪器厂有限责任公司生产)、标杆、普通皮尺(50m)、测树围尺、白色PPR管、蓝色PPR管、水泥桩、砍刀、锄头等;内业计算有联想牌电脑、三星牌打印机等。

2.2 测设方法

2.2.1 中心点测量法 中心点测量法为《湖南省省级以上公益林生态监测评价实施方案》中规定的测设方法,要求固定样地设置为40m×25m的长方形样地,面积1000m2,其中与等高线平行的边长为40m,垂直于等高线的边长为25m。样地设置样式见图1。

图1 固定样地设置示意图Fig.1 Schematic diagram of fixed sample plot setting

根据表1中各个样地的理论坐标,利用手持GPS导航定位确定样地中心点位,记录GPS现场坐标,并插上白色PPR塑料管作为临时标记;将罗盘仪置于样地中心点位,架设支架,使罗盘仪支架重心置于样地中心点位,安装好罗盘仪并调整好水平。根据固定样地实际地形与等高线平行的直线方向设置基准线,水平距为20m,确定角点0位置,并插上标杆。旋转罗盘仪,瞄准角点0位置的标杆,记录方位角至表2角点0方位角栏内。样地中心点测量法示意图见图2。

图2 固定样地中心点测量法示意图Fig.2 Schematic diagram of center point survey method of fixed sample plot

角点0方位角加32°,得到中心点-角点1方位角度数,记入表2相应栏内。顺时针旋转罗盘仪至中心点-角点1方位角度数,用标杆和皮尺测量水平距23.58m,确定角点1的位置,并用白色PPR塑料管临时标记。为使本次试验具有对比性,2种测量方法均在同一样地内进行,首先确定角点1作为公共角点,再分别使用不同方法测量。中心点-角点1方位角加上116°,得到中心点-角点2方位角度数;中心点-角点2方位角加上64°,得到中心点-角点3方位角度数;中心点-角点3方位角加上116°,得到中心点-角点4方位角度数;用测量角点1的方法分别确定角点2、3、4的位置。如遇通视不良或无法一站完成测量,需要移站,则进行多站测量。

样地中心点至4个角点水平测距均为23.58m。当样地坡度为平坡、缓坡时,可通过抬平皮尺测量水平测距;当样地坡度大于5°,皮尺无法抬平时,则需通过倾斜角与三角函数求算斜距,分别记入表2相应栏内。公式如下:

式中:L为斜距,θ为倾斜角。

实地测量4个角点的周长,计算闭合差。在实地测量中不可避免地要产生误差,即产生闭合差f,致使起点与终点不能重合。f的实地长度称为导线全长的绝对闭合差,它与导线全长之比称为导线全长相对闭合差(精度)[16]。绝对闭合差计算公式如下:

f=L1-L0。

式中:f为绝对闭合差;L1为样地4个角点实地测量的周长总和;L0为样地4个角点理论周长总和(130m)。中心点测量只要求计算绝对闭合差f,当f≤0.65m时,该样地测设合格;当f>0.65m时,该样地不合格,需要重设。

表2 罗盘仪中心点测量手簿Tab.2 Survey manual of compass center point method样地号角点0方位角目标(角点)正方位角倾斜角斜距/m水平距/m边长角点水平距/m备注116°00′6°00′23.7123.581-240.112132°00′8°00′23.8123.582-325.04645344°00′3196°00′30°00′27.2323.583-439.784312°00′22°30′18.3816.984-124.772站测量0°00′6.606.60177°00′12°00′24.1123.581-239.6964645°00′2193°00′0°00′23.5823.582-324.913257°00′9°00′23.8723.583-439.93413°00′4°00′23.5823.584-124.931250°00′4°00′23.5823.581-240.1326°00′13°00′24.2023.582-324.47647218°00′370°00′22°00′8.878.223-440.082站测量0°00′15.3615.364186°00′9° 00′23.8723.584-124.691237°00′17°00′24.6623.581-239.662353°00′11°00′18.7518.412-325.262站测量661205°00′0°00′5.175.17357°00′33°00′28.1123.583-439.954173°00′21°00′25.2623.584-124.781292°00′9°00′23.8723.581-239.70662260°00′248°00′12°00′24.1123.582-324.913112°00′9°00′23.8723.583-440.104228°00′6°00′23.7123.584-124.73 注: 测站均为对应中心点。

2.2.2 导线测量法 用罗盘仪测定各导线边的磁方位角,用皮尺或用视距法测定各导线边的水平距离,并在图上确定各导线点的平面位置,称为罗盘仪导线测量法。本次导线测量法的样地布设采用闭合导线形式完成,即从固定样地公共角点1出发,顺时针经角点2、3、4后,又折回到角点1,组成1个内角均为90°的闭合长方形[17]。样地导线测量法示意图见图3。

图3 固定样地导线测量法示意图Fig.3 Schematic diagram of traverse survey method of fixed sample plot

在角点1安置罗盘仪,中心点-角点0直线与角点3-4直线平行,方向相同,方位角相同,可以推算出角点1-2方位角大小为中心点-角点0方位角加上180°;旋转罗盘仪至角点1-2方位角读数,用标杆和皮尺测量水平距40m,测定角点2的位置,并用蓝色PPR塑料管临时标记,记录方位角读数至表3中角点1-2正方位角栏内。移动罗盘仪至角点2位置,角点1-2方位角加上90°得到角点2-3方位角读数,旋转罗盘仪至角点2-3方位角读数,用标杆和皮尺测量水平距25m,测定角点3的位置,并用蓝色PPR塑料管临时标记,记录方位角读数至表3中角点2-3正方位角栏内。

表3 罗盘仪导线测量手簿Tab.3 Survey manual of compass traverse manual样地号测站 (角点)目标(角点)正方位角反方位角平均方位角倾斜角斜距/m水平距/m平均水平距/m备注12164°00′344°00′164°00′0°00′40.0040.0040.020°00′40.0440.0423254°00′74°30′254°15′42°00′/0°00′17.97/11.6513.35/11.6525.062站测量6450°00′/41° 00′11.69/17.7811.69/13.4234344°00′164°00′344°00′23°00′/6°00′9.95/31.019.16/30.8439.912站测量6°00′/22°00′30.86/9.8530.69/9.134174°00′254°00′74°00′18°00′26.1524.8724.8316°00′25.7924.7912225°00′45°30′225°15′8°00′/0°00′20.75/19.4520.55/19.4540.052站测量0°00′/8°00′19.52/20.7819.52/20.5823315°00′135°30′315°15′0°00′25 0025 0025.016460°00′25.0225.023445°00′225°00′45°00′14°00′/0°0021.50/19.1420.86/19.1439.902站测量0°00′/14°00′19.08/21.3419.08/20.7141135°00′315°30′135°15′14°00′26.1225.3425.1413°00′25.5924.931238°00′218°00′38°00′7°00′40.3040.0040.016°00′40.2340.0123128°00′308°30′128°15′30°00′/0°00′17.02/10.2614.74/10.2624.952站测量6470°00′/31°00′10.28/17.0410.28/14.6134218°00′38°00′218°00′0°00′40.0040.0040.020°00′40.0340.0341308°00′128°30′308°15′15°00′25.6024.7324.8113°00′25.5324.881225°00′205°00′25°00′14°00′41.2240.0039.9315°00′41.2739.8623115°00′295°30′115°15′23°00′27.1625.0025.1366124°00′27.6525.2634205°0025°00′205°00′9°00′40.5040.0039.9510°00′40.5239.9041295°00′115°30′295°15′33°00′29.5624.7924.7432°00′29.1024.681280°00′260°30′80°15′12°00′/0°00′21.58/18.8921.11/18.8939.902站测量0°00′/13° 00′18.81/21.5418.81/20.9923170°00′350°00′170°00′24°00′27.3725.0024.9366224°00′27.2124.8634260°00′80°00′260°00′5°00′40.0040.0040.025°00′40.0340.0341350°00′170°30′350°15′15°00′25.6924.8124.8415°00′25.7524.87

旋转罗盘仪至角点1位置,测量角点2-1方位角读数,用皮尺测量水平距读数,记录方位角读数至表3中角点1-2反方位角栏内。同法测出角点3-4的正方位角、水平距和角点2-3反方位角、水平距,并将数据记入表3的相应栏内。依次测定剩余的角点位置和水平距至角点1。如遇通视不良或无法一站完成测量,则需要移站,进行多站测量。

当倾斜角超过5°时,则需通过倾斜角与三角函数改平。其水平距计算公式如下:

D=L×cosθ。

式中:D为水平距,L为斜距,θ为倾斜角。

在林业测量中,罗盘仪导线测量的精度不应低于 1/200,相对闭合差(精度)计算公式如下:

式中:K为相对闭合差(精度);f为绝对闭合差;∑D为导线全长。当K≤1/200时,该样地测设合格;当K>1/200时,该样地不合格,需要重设。

3 结果与分析

3.1 不同测设方法各测量因子比较

从表4可以看出:中心点法测量的5个样地的绝对闭合差均在0.65m以内,符合技术规定要求,样地测设全部合格;导线法测量的样地相对闭合差均在 1/200 以内,符合技术规定要求,样地测设全部合格。经过计算,2种方法闭合差(精度)都在允许范围内,全部合格。

表4 不同样地测设方法各测量因子数据统计表Tab.4 Statistical table of survey factors of different survey and setting methods样地号中心点测量法导线测量法实测周长/m理论周长/m绝对闭合差/m是否合格实测周长/m理论周长/m相对闭合差是否合格645129.701300.30是129.821301/722是646129.461300.54是130.101301/1 300是647129.371300.63是129.791301/619是661129.651300.35是129.751301/520是662129.441300.56是129.691301/419是

3.2 不同样地测设方法成对比较试验

(1) 作统计假设。假设导线测量法的测量精度与中心点测量法的无显著差异。

(2)计算。

(3) 得出结论。由自由度f=5-1=4,危险率a=0.05 查《学生氏t分布的双侧分位数(ta)表》,得ta=2.776。因为t>ta,所以可以推翻假设。

通过以上分析可以认为这2种测设方法的测量精度有显著差异[18]。

表5 不同样地测设方法成对比较试验数据表Tab.5 Data sheets of paired comparison test fordifferent survey and setting methods样地号∑D(导线测量法)/mL1(中心点测量法)/md(差数)/md2645129.82129.700.120.014 4646130.10129.460.640.409 6647129.79129.370.420.176 4661129.75129.650.100.010 0662129.69129.440.250.062 5Σ649.15647.621.530.672 9

3.3 不同样地测设方法用时比较

从表6可以看出:中心点法测量5个样地共用时970 min,导线法测量共用时662 min。中心点法测量单个样地用时比导线法测量的要多38~81min;中心点法测量5个样地的总用时比导线法测量的要多308 min。

表6 不同样地测设方法用时统计表Tab.6 Statistics table of spent time of different survey and setting methodsmin样地号中心点测量法用时导线测量法用时差值6452101426864616111447647165127386612291488166220513174Σ970662308

3.4 不同样地测设方法测量路线的清理长度

从表7可以看出:中心点法测量的5个样地清理长度共1 219.22 m,导线法测量的清理长度共649.15 m。中心点法测量单个样地的清理长度比导线法测量的要长113.68 m~114.22 m;中心点法测量5个样地的总清理长度比导线法测量的要长570.07 m。在样地内,中心点法测量比导线法测量多出了从中心点向4个角点和1条中心线的清理长度。

表7 不同样地测设方法样地清理长度统计表 Tab.7 Statistical table of clearing length of sample plots with different surveying and setting methodsm样地号中心点测量清理长度导线测量清理长度差值总长度基准线长度中心点至4个角点长度周长总长度周长 总长度645244.022094.32129.70129.82129.82114.20646243.782094.32129.46130.10130.10113.68647243.692094.32129.37129.79129.79113.90661243.972094.32129.65129.75129.75114.22662243.762094.32129.44129.69129.69114.07Σ1 219.22100471.60647.62649.15649.15570.07

3.5 不同样地测设方法的植被破坏情况

从表8可以看出:中心点测量法和导线测量法都对样地内植被造成了不同程度的破坏,无论是单个样地评估还是5个样地综合评估,中心点测量法的植被破坏程度都比导线测量法的要严重一些。中心点法测设样地时,从中心点向4个角点和1条中心线测设,再绕测4个角点一周检验闭合差,样地中有9条测量线;而导线法测量只需绕测量样地一周即可,比中心点法测量要少5条测量线,样地内植被破坏情况相对来说是极少的。

表8 不同样地测设方法样地内植被破坏情况表Tab.8 Vegetation damage degree in sample plots with dif-ferent survey and setting methods样地号植被破坏情况中心点测量法导线测量法645轻微极少646轻微极少647轻微极少661轻微极少662轻微极少综合评价轻微极少

4 结论与讨论

(1) 中心点测量方法符合技术要求。成对比较试验结果显示,导线测量法和中心点测量法的测量精度有显著差异,且前者的精度远远大于后者,但2种方法的闭合差都符合相应技术要求,因此,样地调查选择中心点测量方法也是合理的。样地面积误差的大小取决于各边界线长度的量测和角度偏离度及偏离方向[19],控制角度、边长测量精度,才能得到合格闭合差。中心点测量法无返测量,精度较导线测量法的低。

(2)中心点测量法的工作效率比导线测量法的低。通过对比分析,中心点测量法较导线测量法的测量用时和线路清理长度均更长,样地内植被破坏程度更严重。所以,中心点测量法的工作强度更大,用工量更多,调查成本比导线测量法的更高,工作效率更低。为了消除2种方法在测量同一样地时因先后顺序带来的影响,在试验中有3个样地先用中心点法测量并标记,再用导线法测量和标记同一样地。另外2个样地则先用导线法测量并标记,再用中心点法测量和标记同一样地。结果表明导线法测量工作效率优于中心点法测量。

(3)2种测量方法各适用于不同的林业工程。中心点法测量类似于辐射法测量[20],可以不移站,一站式测完所有角点和目标,适用于地势开阔平缓的地段,其缺点是精度偏低,工作效率低,不仅要测量中心点到角点的直线边长,还要测量4个角点的边长再计算闭合差,主要适用于林改(或退耕还林造林)联户勾图小班分户、全国森林资源连续清查、公益林生态监测评价等需要定位调查目标的调查工作。导线测量法从起测站开始,顺时针移动测站,最后回到起测站结束,节约时间和成本,对生态破坏和影响不大,主要适用于森林资源调查、森林经营方案、营造林规划设计、采伐作业设计、森林抚育作业设计、林权勘界、征点用林地调查、各类专项调查等工作。

(4)测量的误差无法避免。罗盘仪结构简单,制造粗糙,测量精度低,但价格低廉,携带方便,操作简便,在精度要求不高或面积不大的林业调查设计中广泛使用。其使用过程中不可避免地会产生误差,主要原因有罗盘仪自身质量、方位角读数、倾斜角读数、测距皮尺伸缩性、标杆垂直度、移站测量、地域磁场、高压电线等原因。

(5)与时俱进,今后工作推荐使用精密仪器。罗盘仪技术原理单一落后,方位角和倾斜角读数只能精确到1°,若要精确到0.5°,只能凭经验估测,精度低,遇到大面积样地或地形变化较大的情形,精度更加难以达到要求。虽然在工作中能基本满足技术要求,但在信息云时代已成为历史工具。现代林业工程测量面积越来越大,要求精度高、操作便捷、计算精准、节约工作成本和提高工作效率。基于以上原因,为满足新时期林业发展的需要,林业测量也要与时俱进,今后工作推荐使用高精度仪器,推行北斗导航测量设备,比如全站仪(北斗)等。

(6)中心点法测量线路清理对调查数据影响虽然不大,但样地内植被还是遭到了相对较大的破坏。至于因测设样地破坏的植被对林中生物多样性、群落稳定性有何影响,及对整个森林生态环境影响的差异,有待进一步调查研究。

(7)本次仅测设了5个样地,数据具有一定的局限性,试验结果也可能存在一定的地域性,与其他地域或多样地大数据有无一致性,或是否具有代表性,尚待进一步研究。

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