用光電經(jīng)緯儀對(duì)無伐倒活立木材積精準(zhǔn)計(jì)測

焦有權(quán) ，馮仲科 ，高 原 ，樊江川 ，徐偉恒 ，3

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京102442；3.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

用光電經(jīng)緯儀對(duì)無伐倒活立木材積精準(zhǔn)計(jì)測

焦有權(quán)1，2，馮仲科1，高 原1，樊江川1，徐偉恒1，3

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京102442；3.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

針對(duì)樣木伐倒后用同一種工具、同一種區(qū)分求積法才能計(jì)算其材積的現(xiàn)狀，以光電經(jīng)緯儀和配合計(jì)算機(jī)，經(jīng)林業(yè)專用編程開發(fā)軟件，形成光電經(jīng)緯儀測樹系統(tǒng)技術(shù)，充分發(fā)揮了光電經(jīng)緯儀精密的測角功能，配合人工精確量取地徑和胸徑，利用專業(yè)軟件獲得樹干的胸徑、樹高、任意處直徑，進(jìn)而計(jì)算出材積及樹冠部分的表面積和體積。在對(duì)99株107楊統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，光電經(jīng)緯儀精準(zhǔn)計(jì)測的二元材積均方差σmax=0.130 3, σmin=0.001 3，各組變量的分布比較集中，離散程度小，同時(shí)Cv值偏小，偏態(tài)系數(shù)Cs絕對(duì)值較小，且正偏與負(fù)偏數(shù)量相當(dāng)，證實(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，值得信任。

光電經(jīng)緯儀；活立木；材積；精準(zhǔn)計(jì)測

林分蓄積量的測定[1]是林分調(diào)查的主要目的之一，它為森林經(jīng)營和采伐利用提供重要的數(shù)量依據(jù)。林分蓄積的測定方法很多，可概括分為實(shí)測法和目測法[2]，而實(shí)測法又分為全林實(shí)測法和局部實(shí)測法。在營林工作中最常用的是局部實(shí)測法，即根據(jù)調(diào)查目的采用典型選擇標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行實(shí)測，然后根據(jù)面積比例擴(kuò)大推算全林分蓄積。實(shí)測確定又可以分標(biāo)準(zhǔn)木法、數(shù)表法等。在森林調(diào)查中，為了提高工作效率，一般常采用預(yù)先編制好的立木材積表確定森林蓄積量，這種方法稱為材積表法。材積表法主要有一元材積表、二元材積表、樹高級(jí)立木材積表和三元材積表[3]。編制材積表，需要地區(qū)、樹種等采用抽樣原則抽取樣木，對(duì)樣木伐倒后用同一種工具、同一種區(qū)分求積法計(jì)算其材積，一般一個(gè)林場要抽取200～300株立木，我國有幾千個(gè)林場，每10 a進(jìn)行一次二類調(diào)查，按要求都要重新修訂材積表，則每次要采伐近30萬棵立木，這種伐倒性、破壞性的實(shí)驗(yàn)，是非常不符合我國的國情，特別是對(duì)于北京地區(qū)，立木胸徑超過30 mm以上，就算作古樹，采伐的審批已十分困難，更難以建立材積表[4]。

光電經(jīng)緯儀(Photoelectric theodolite)是目前工程上常用的一種測量工具[5-6]，與人工量測立木地徑胸徑相結(jié)合的方法，可通過對(duì)二元材積模型的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測量樹高、樹干材積、任一處樹干上部直徑、冠幅、樹冠表面積、樹冠體積等測樹特征參數(shù)[7-8]。光電經(jīng)緯儀無伐倒立木材積觀測[9]的特點(diǎn)是：量測精度提高；過去難以量測的因子(如上部直徑)可以直接精準(zhǔn)量測(免去伐倒木)；以前較難量測的因子(如樹冠體積、表面積)可以自動(dòng)量測[9-10]；以前十分復(fù)雜的量測工作(如測定干生物量要伐倒烘干)可以簡單自動(dòng)量測，間接計(jì)算獲得生物量和生產(chǎn)力[11]；量測過程從手工到自動(dòng)，從后處理到實(shí)時(shí)處理。

1 材料來源和試驗(yàn)方法

1.1 樣木數(shù)量

在北京地區(qū)選擇主要的樹種5個(gè)：毛白楊、107楊、108楊、油松和側(cè)柏，其中占蓄積量80%以上的每個(gè)樹種實(shí)測500株以上活立木，項(xiàng)目總共測2 500株活立木。

1.2 材料來源

本研究數(shù)據(jù)來自京港澳高速良鄉(xiāng)機(jī)場出口北，南方S740手持GPS采集樣地的北京54坐標(biāo)值 Xmax＝ 426 286.832；Xmin＝ 426 149.146；Ymax＝4 403 039.915；Ymin＝4 402 860.413，高超平均為50.63 m，地形為平地，108楊樹人工林，樹齡不詳。

1.3 試驗(yàn)方法

本數(shù)據(jù)觀測值來自于2013年1月18日和2013年1月26日，觀測儀器為南方測繪生產(chǎn)光電經(jīng)緯儀，數(shù)據(jù)最大容量298組。計(jì)算軟件為Windows Forms Applicationl.exe（活立木處理制圖軟件），北京林業(yè)大學(xué)測繪與3S中心開發(fā)，已通過軟件著作權(quán)等級(jí)實(shí)審。

1.4 活立木材積外業(yè)測量

（1）選擇合適立木：立木豎直，主干無分叉，杉樹為優(yōu)，處于空曠位置，測量通視角度較好（該季節(jié)無樹葉遮擋）；（2）架站觀測立木能否觀察樹高頂部天頂距；（3）架站整平（處于1號(hào)站點(diǎn)）；（4）手工測量并記錄觀測木的地徑，1.3 m處胸徑（內(nèi)業(yè)整理為.txt電子文本）；（5） 觀測1號(hào)站點(diǎn)材積，觀測目標(biāo)（天頂距，水平夾角），觀測順序（從樹根觀測根部天頂距，1.3 m處觀測1.3 m天頂距與水平夾角，至樹高依次找能看見樹干水平兩邊的位置觀測各點(diǎn)天頂距與水平夾角），記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄格式（由光電經(jīng)緯儀自動(dòng)生成）；（6）繞樹另選架站點(diǎn)，共設(shè)3站（均勻繞樹布設(shè)）（見圖1），重復(fù)1號(hào)站點(diǎn)的步驟，分別觀測2、3號(hào)站點(diǎn)數(shù)據(jù)（見圖2），記錄同上。

圖1 繞樹布站Fig.1 Setting stations around the tree

圖2 光電經(jīng)緯儀測樹原理Fig. 2 Principle for forest measurement by photoelectric theodolite

1.5 立木材積內(nèi)業(yè)計(jì)算

（1）軟件簡介。該軟件主要功能是進(jìn)行活立木材積的各項(xiàng)計(jì)算，其中圖3(a)是軟件處理全站儀測量數(shù)據(jù)界面；圖3(b)是軟件處理電子經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)界面；圖3(c)軟件處理樹冠體積測算數(shù)據(jù)界面；圖3(d)樹木材積測算數(shù)據(jù)界面。

（2）將電子經(jīng)緯儀與電腦相連，通過CASS7.0將記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

（3）將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)和人工實(shí)測記錄的胸徑和地徑數(shù)據(jù)文本(.txt)輸入材積計(jì)算軟件，可自動(dòng)計(jì)算立木材積，界面如圖4。

圖3 活立木處理軟件界面Fig.3 Software interface of processing standing tree data

圖4 活立木處理制圖軟件界面Fig .4 Cartographic software interface of processing standing tree data

2 結(jié)果與分析

2.1 單株立木實(shí)現(xiàn)無伐倒材積的精準(zhǔn)測定

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)木的選定及準(zhǔn)備

待測立木首先用紅油漆或白粉筆標(biāo)定出胸徑部位，做好編號(hào)標(biāo)記，然后用標(biāo)準(zhǔn)圍尺量取地徑和胸徑，并用手持GPS機(jī)采集樹心坐標(biāo)。

2.1.2 經(jīng)緯儀立木觀測

單株立木材積的測量以前通常用伐倒木進(jìn)行量測，目的是獲得立木的胸徑、樹高、任意處直徑和材積，為了換算生物量等參數(shù)，有時(shí)也需要測量樹冠表面積和體積等。利用光電經(jīng)緯儀精確測量水平角和天頂距的特點(diǎn)，只要手工測出立木地徑D0、胸徑D1.3和標(biāo)定出立木胸徑位置，在測站1處安置儀器，司儀員將經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)樹干D1.3處左點(diǎn)L1，關(guān)閉豎向制動(dòng)，操作置零后微調(diào)轉(zhuǎn)至樹干右點(diǎn)R1，用經(jīng)緯儀目鏡豎絲精確瞄準(zhǔn)，讀取水平角和天頂距即可，然后保存數(shù)據(jù)。隨后望遠(yuǎn)鏡上揚(yáng)，當(dāng)立木小于10 m時(shí)，通過樹干區(qū)分求積的原理，分6段完成上述觀測；當(dāng)立木大于10 m時(shí)，每區(qū)段長約2 m，分段完成觀測。當(dāng)觀測至立木稍部，目鏡中絲瞄準(zhǔn)樹梢點(diǎn)，置零后即刻保存，及完成立木一站的觀測，之后搬站至測站2、測站3，依上述操作完成觀測。

2.1.3 觀測數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)計(jì)算

將外業(yè)手工測量立木的地徑與胸徑值，分文件錄入.txt文檔中，命名待用（如L01XJ2013010101）；將光電經(jīng)緯儀與PC機(jī)連接，通過CASS7.0軟件導(dǎo)出當(dāng)日保存數(shù)據(jù)。根據(jù)觀測單木數(shù)據(jù)的規(guī)律，分別建立.txt文檔，命名待用（如L01CJ2013010101）；打開軟件Windows Forms Applicationl.exe（活立木處理制圖軟件），分別導(dǎo)入胸地徑數(shù)據(jù)文件L01XJ2013010101和材積數(shù)據(jù)文件L01CJ2013010101，通過樹木材積測算軟件，即可完成單木第1站的材積V11；重復(fù)上述步驟，可求得第2站和第3站的材積V12、V13，則V1=V11+V12+V13。

2.2 無伐倒樹高觀測值統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 樹高觀測值的離散程度小

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)共觀測108楊99株，徑階從8 cm至32 cm不等（見表1），根據(jù)樣地小班的徑階分布，基本呈正態(tài)分布，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。排出徑階32的樣本均方差σ=26.254 6不合理（見式1），應(yīng)剔除之外，其余13組樣本均方差非常接近，說明各徑階的立木的樹高是以為分布中心，各組變量的分布比較集中，離散程度小，視為可信。

表 1 光電經(jīng)緯儀活立木觀測樹高統(tǒng)計(jì)Table 1 Observation tree heights of standing tree by photoelectric theodolite

2.2.2 變差系數(shù)暗示觀測值數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好

為了克服均方差在衡量系列進(jìn)一步發(fā)生不穩(wěn)定離散的缺點(diǎn)，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中通常用均方差與均值之比作為衡量系列相對(duì)離差程度的一個(gè)參數(shù)，即為變差系數(shù)變差系數(shù)Cv（見式2）：在本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，Cv值都比較小，尤其是當(dāng)某一徑階的觀測株樹越多時(shí)，該值越小，說明利用光電經(jīng)緯儀進(jìn)行立木樹高觀測時(shí)，觀測值數(shù)據(jù)穩(wěn)定好，結(jié)果可靠。

2.2.3 觀測值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)稱程度適中

變差系數(shù)僅反映了試驗(yàn)值的離散程度，它卻無法說明系列在均值兩邊的對(duì)稱程度，在工程統(tǒng)計(jì)中利用偏態(tài)系數(shù)Cs作為衡量系列不對(duì)稱（偏態(tài)）程度的參數(shù)，其計(jì)算(見式3)：

偏態(tài)系數(shù)Cs=0時(shí)，試驗(yàn)變量的大于均值與小于均值的出現(xiàn)機(jī)會(huì)相等，亦即均值所對(duì)應(yīng)的頻率50%，當(dāng)系列對(duì)于均值不對(duì)稱式，Cs≠0，其中若正離差的立方占優(yōu)勢，Cs＞0，為正偏；若負(fù)離差的立方占優(yōu)勢時(shí)，Cs＜0，稱為負(fù)偏。正偏情況下，隨機(jī)變量大于均值比小于均值出現(xiàn)的機(jī)會(huì)小，反之亦然。

2.3 無伐倒立木材積觀測值統(tǒng)計(jì)分析

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立二元材積回歸方程

對(duì)光電經(jīng)緯儀觀測的胸徑、樹高和材積數(shù)據(jù)，采用擬合方程進(jìn)行處理，選擇剩余標(biāo)準(zhǔn)差最小、相關(guān)指數(shù)最大的經(jīng)驗(yàn)方程，利用最接近圖解法的散點(diǎn)分布趨勢的擬合方程作為編表的材積公式。本試驗(yàn)最終采用斯波爾于1952年提出的二元材積方程（見式4）：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸擬合，得到單株材積方程為

該方程算得各徑階單株材積的剩余標(biāo)準(zhǔn)差平均較小，見表2，排出徑階32的樣本均方差σ=0.946 5不合理（見式1），應(yīng)剔除之外,其他各樣本的標(biāo)準(zhǔn)差0.130 3，最小0.001 3。且相關(guān)系數(shù)R2=0.976，模擬精度很高。

2.3.2 無伐倒立木觀測材積統(tǒng)計(jì)參數(shù)趨優(yōu)

在觀測的99株107楊經(jīng)軟件計(jì)算后，得到8～32 cm徑階的14個(gè)樣本，在對(duì)各樣本的材積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)，32徑階的樣本均方差σ=0.946 5，遠(yuǎn)大于其他各樣本值，且樹高統(tǒng)計(jì)值也不合理被剔除，其他各樣本的均方差σmax=0.130 3，σmin=0.001 3，各組變量的分布比較集中，離散程度??；同時(shí)材積觀測值統(tǒng)計(jì)Cv值偏小，證實(shí)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，值得信任；偏態(tài)系數(shù)Cs絕對(duì)值值較小，且正偏與負(fù)偏數(shù)量相當(dāng)，說明數(shù)據(jù)系列的對(duì)稱性良好。

由此可見，利用光電經(jīng)緯儀進(jìn)行無伐倒立木觀測材積的試驗(yàn)參數(shù)趨優(yōu)，方法可行。光電經(jīng)緯儀無伐倒立木觀測材積統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表2。

表 2 光電經(jīng)緯儀無伐倒立木觀測材積統(tǒng)計(jì)Table 2 Observation volume of standing tree by photoelectric theodolite

3 結(jié) 論

(1)通過研究證明，光電經(jīng)緯儀測樹系統(tǒng)作為一種新的森林調(diào)查技術(shù)被引入林業(yè)具有重要意義，是對(duì)現(xiàn)有調(diào)查手段的一次重大變革。但這并不是說要代替現(xiàn)有調(diào)查工具，而是對(duì)現(xiàn)有調(diào)查方法和手段的補(bǔ)充。該技術(shù)能較好的解決活立木面伐倒而獲得精準(zhǔn)材積的測定問題，但是，對(duì)于林分密度較大，郁閉度較大的且遮擋嚴(yán)重的條件下應(yīng)用還存在一些問題。

(2)光電經(jīng)緯儀測樹體系在一定條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)樹木的無損傷、高效、精準(zhǔn)監(jiān)測。目前實(shí)驗(yàn)結(jié)論僅限于對(duì)立木樹高、胸徑和材積量測方面。該技術(shù)可不對(duì)活立木造成損傷，所以對(duì)同一株樹木可進(jìn)行隔年度的連續(xù)長系列觀測，進(jìn)而能求出立木的生長量及林分生長量，從而建立相對(duì)精準(zhǔn)的樹木生長模型。

(3) 由光電經(jīng)緯儀測樹系統(tǒng)觀測的數(shù)據(jù)均為數(shù)字產(chǎn)品，便于處理和長期保存，用這些數(shù)據(jù)編制的材積表可存入數(shù)據(jù)庫并進(jìn)一步完善樹木材積庫。當(dāng)用戶需要時(shí)只要輸入相應(yīng)地域坐標(biāo)、胸徑、樹高等因子便可獲得某樹種的材積，完全替代了繁瑣的手工查表方式，方便了基層林業(yè)部門的管理和廣泛推廣應(yīng)用。

(4）任何測量方法都存在誤差。由Windows Forms Applicationl.exe軟件計(jì)算獲得的立木材積數(shù)據(jù)，在建立材積方程的原始數(shù)據(jù)也必然存在誤差，但對(duì)于誤差的分析，由于北京地區(qū)目前對(duì)活立木伐倒的管制嚴(yán)格，致使目前沒有獲得伐倒木的驗(yàn)證和誤差分析。但通過上面觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，各徑階的樹高和材積量值的統(tǒng)計(jì)參數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異，進(jìn)而可以預(yù)測：獲取的基本測樹因子具有很高的精度，獲得的材積完全可以代替伐倒木實(shí)測材積用于建立立木材積方程。

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Live standing tree volume through the photoelectric theodolite accurate measurement

JIAO You-quan1,2, FENG Zhong-ke1, GAO Yuan1, FAN Jiang-chuan1, XU Wei-heng1,3
(1. Institute of GIS, RS & GPS, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442, China; 3. College of Computer and Information Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

In former days, the sample trees were felled by the same tools, were measured by the same sectional measurement method,then the wood volumes were calculated. To change the status quo，combining photoelectric theodolite and computer and using special programming development software system technology, a set tree measuring system was formed, which gave a full play to the angle measurement function of photoelectric theodolite with high precision, organized workers to take the ground diameter and the diameter at breast height, then employed specialized software for the trunk diameter at breast height, tree height, anywhere in diameter, and fi nally calculated the surface area and volume of the volume and crown. The statistical analysis on 99 trees 107-Yang show that the binary volume variances of photoelectric theodolite precise measurement variance were σmax=0.130 3, σmin=0.001 3; the distributions of every set of variables were concentrated, the degree of dispersion was in a lesser extent, meantime the small Cvvalue was less than normal, and the numbers of the positive skewed was equivalent to that of negative skewed, all these conf i rmed the obtained data have good stability,are worthy of trust.

photoelectric theodolite; live standing trees; wood volume; accurate measurement

S758

A

1673-923X(2013)10-0025-05

2013-02-14

國家“863”項(xiàng)目“精密光電角距測量定位關(guān)鍵技術(shù)及低成本智能化儀器研制” (2009AA12Z327,2008AA121305-4)

焦有權(quán)（1976-），男，甘肅隴西人，博士研究生，主要從事精準(zhǔn)林業(yè)及林業(yè)裝備方面的研究

馮仲科（1962-），男，甘肅靈臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精準(zhǔn)林業(yè)及林業(yè)3S技術(shù)應(yīng)用方面的研究；

E-mail：fengzhongke@126.com

[本文編校：文鳳鳴]