森林資源清查中羅差的測(cè)定與計(jì)算

李軼濤

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，山西 太原 030012)

全國森林資源連續(xù)清查是我國自20世紀(jì)70年代起，以省(自治區(qū)、直轄市)為單位，每5 a針對(duì)固定樣地為主進(jìn)行復(fù)查的森林資源調(diào)查方法。作為國家唯一認(rèn)可的森林資源權(quán)威數(shù)據(jù)來源，森林資源連續(xù)清查最重要的原則就是連續(xù)可比。所謂連續(xù)可比，是指調(diào)查分析的樣地連續(xù)一致，調(diào)查記錄的樣木完全復(fù)位，分析測(cè)量的胸徑位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。連續(xù)可比是森林資源清查的基本準(zhǔn)則，也是調(diào)查方法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w現(xiàn)。連續(xù)可比的基礎(chǔ)之一是樣地復(fù)位。《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》中明確指出，“固定樣地復(fù)位率要求達(dá)到98%以上”。我國森林資源連續(xù)清查的固定樣地是在國家新編1/50 000或1/100 000地形圖公里網(wǎng)交點(diǎn)上按系統(tǒng)抽樣布設(shè)的。山西省森林資源清查體系以全省為總體，行政區(qū)域包括11個(gè)市的119個(gè)縣(市、區(qū))，總面積為15.66×104km2.在全省抽樣總體范圍內(nèi)系統(tǒng)抽取9 915個(gè)地面固定樣地進(jìn)行復(fù)查，估測(cè)全省森林資源及其各種地類面積。樣地復(fù)位情況直接決定著森林資源連續(xù)清查結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。而作為樣地復(fù)位的基礎(chǔ)，羅盤儀的正確使用關(guān)系著樣地的復(fù)位率。

1 羅盤儀在樣地復(fù)位中的作用

1.1 確定西南角樁

實(shí)現(xiàn)樣地復(fù)位的首要條件是復(fù)位樣地西南角。西南角樁是固定樣地最重要的指示標(biāo)志，它的留存與否直接決定了樣地復(fù)位的準(zhǔn)確度。通常人為活動(dòng)較少的區(qū)域西南角樁留存率較高，而人為活動(dòng)頻繁的區(qū)域西南角樁幾無留存。特別是耕地、城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地和工礦建設(shè)用地等非林地，西南角樁留存率較低。對(duì)于無西南角樁留存的樣地，由于GPS信號(hào)受各種因素影響，且差分GPS尚未被廣泛應(yīng)用，單純依靠GPS無法精確定位西南角。目前實(shí)際工作中，常采用GPS輔助定位與羅盤測(cè)量定位物、引點(diǎn)相結(jié)合的方法來確定西南角位置。

1.2 測(cè)量樣地周界

樣地復(fù)位的另一個(gè)關(guān)鍵因素是樣地周界測(cè)量。樣地周界的測(cè)量直接關(guān)系到固定樣地的代表性和準(zhǔn)確性。無論是角度還是邊長出現(xiàn)誤差，均會(huì)使固定樣地的形狀發(fā)生變化，從而導(dǎo)致固定樣地的代表性下降。同時(shí)，一旦出現(xiàn)周界測(cè)量錯(cuò)誤，極易導(dǎo)致樣木的漏測(cè)和多測(cè)。當(dāng)角樁、定位物等標(biāo)志物留存時(shí)，需復(fù)測(cè)固定樣地4條邊界的方位角和水平距離，周長誤差要求小于103 cm.當(dāng)固定標(biāo)志物(如，西南角樁，西北、東北、東南角樁，西南角定位物、界外木刮皮標(biāo)志以及其它輔助識(shí)別標(biāo)志等)未留存時(shí)，周界測(cè)量要求更為嚴(yán)格，方位角精確到±30'，閉合差小于51 cm.

綜上，羅盤儀的操作在樣地復(fù)位中既有著不可或缺的基礎(chǔ)地位，又有嚴(yán)格的精度限制。因此，分析羅盤儀羅差的測(cè)定與計(jì)算對(duì)于森林資源清查具有重要的基礎(chǔ)意義，同時(shí)對(duì)于實(shí)際操作又有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)價(jià)值。

2 羅差

2.1 羅差的概念

當(dāng)羅盤儀磁針指示方向時(shí)，磁針受到周邊環(huán)境磁場(chǎng)的影響，通常不能指向當(dāng)?shù)卮_切的磁子午線方向，而是羅盤自身的子午線方向。羅盤子午線(羅北)與磁子午線間(磁北)的夾角即為羅差。該誤差是羅盤在某一地域內(nèi)使用時(shí)的系統(tǒng)誤差，由羅盤儀制造誤差和當(dāng)?shù)匚⒋艌?chǎng)共同決定。因此，羅差表現(xiàn)為系統(tǒng)性和地域性。其計(jì)算公式為:

羅差=實(shí)測(cè)的磁方位角－地形圖上的磁方位角。

由上式可以看出，羅差等于一組地物的實(shí)測(cè)磁方位角(即羅盤儀實(shí)測(cè)讀數(shù))與同一組地物在地形圖上的磁方位角之間的差值。因此，測(cè)定羅差的關(guān)鍵是在地形圖上找出一組地物，測(cè)量地形圖上的磁方位角，然后在實(shí)地定位該組地物，并獲取羅盤儀讀數(shù)。

2.2 羅差的影響

依據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》，樣地定位后，首先要利用保存的標(biāo)志對(duì)周界進(jìn)行復(fù)位，并按固定標(biāo)志設(shè)置要求，修復(fù)和補(bǔ)設(shè)有關(guān)標(biāo)志。設(shè)置固定標(biāo)志首先要準(zhǔn)確測(cè)定方位角，如果羅差測(cè)定計(jì)算錯(cuò)誤將導(dǎo)致樣地復(fù)位失敗。固定樣地邊長的垂直投影需為25.82 m.由此推算，在理想狀態(tài)的平面條件下，羅差錯(cuò)誤1°將導(dǎo)致樣地與理論樣地相比出現(xiàn)23.28 m2的偏差。而現(xiàn)實(shí)中，特別是地形復(fù)雜地區(qū)，隨著坡度的增大，該偏差也會(huì)增大。當(dāng)坡度為10°時(shí)，羅差錯(cuò)誤1°，與理論樣地偏差將達(dá)到24 m2.羅差錯(cuò)誤1°時(shí)樣地偏差示意圖，見圖1.

圖1 羅差錯(cuò)誤1°時(shí)樣地偏差示意圖

3 羅差的測(cè)定與計(jì)算

3.1 羅盤的校驗(yàn)

對(duì)于長期野外使用的森林羅盤而言，容易出現(xiàn)指針磁性減弱、兩端失衡等問題。在進(jìn)行羅差的測(cè)定前，應(yīng)當(dāng)對(duì)羅盤進(jìn)行校驗(yàn)，確保儀器自身狀態(tài)正常。主要分3方面對(duì)磁針進(jìn)行檢測(cè):

1 )平衡檢測(cè)。將羅盤儀置于水平位置，觀察磁針靜止時(shí)的平衡狀態(tài)。如果磁針傾斜，則移動(dòng)磁針南端銅圈使其恢復(fù)平衡。

2 )靈敏度檢測(cè)。磁針中央銅帽內(nèi)鑲有瑪瑙，隨著使用年限的增加，瑪瑙接觸面會(huì)出現(xiàn)一定的損傷，需用鐵質(zhì)物體吸引磁針進(jìn)行靈敏性測(cè)試。吸引磁針轉(zhuǎn)到任意位置后離開，如磁針旋轉(zhuǎn)靈活說明磁針靈敏。同時(shí)，根據(jù)磁針擺動(dòng)的時(shí)間可以判斷磁針磁力的強(qiáng)弱，磁力強(qiáng)的磁針擺動(dòng)時(shí)間很短。

3 )偏心檢測(cè)。狀態(tài)正常的羅盤0°，180°和磁針中心3點(diǎn)呈一條直線。通過分析磁針兩端讀數(shù)是否相差180°，判斷羅盤是否偏心。

3.2 測(cè)量坐標(biāo)方位角

羅差的測(cè)定需要在1幅地形圖內(nèi)選擇2個(gè)～3個(gè)相互通視的明顯地物，量取坐標(biāo)方位角，并換算為磁方位角，然后實(shí)地測(cè)量地物讀取磁方位角。因此，選擇地物是測(cè)定羅差的第一步，也是至關(guān)重要的一步。應(yīng)在地形圖上選擇特征明顯、通視良好、距離約1 km，易于定位的兩點(diǎn)，如，橋梁、筆直的公路、鐵路等。當(dāng)選擇的地物為公路、鐵道時(shí)，兩點(diǎn)應(yīng)位于同一路邊。如果在道路上不便架設(shè)羅盤，也可將羅盤、花桿移至與路邊相等距離處進(jìn)行測(cè)量。特別需要注意的是，由于地形圖成圖的年代一般較為久遠(yuǎn)，因此，應(yīng)當(dāng)避開可能已經(jīng)變化的地物，如，城鎮(zhèn)中的道路。選擇時(shí)應(yīng)避開高壓線路、銅鐵礦等可能影響羅盤讀數(shù)的地物。選取地物示意圖，見圖2.

圖2 選取地物示意圖

圖2中，1點(diǎn)與2點(diǎn)位于同一條筆直的公路上，兩點(diǎn)之間通視情況良好，且兩點(diǎn)之間距離大于1 km.坐標(biāo)方位角是兩個(gè)地物之間連線與坐標(biāo)縱線北方向之間的夾角，需通過量角器在地形圖上量取。此時(shí)分為如下2種情況。

1 )見圖3.1點(diǎn)為羅盤儀，2點(diǎn)為花桿，利用量角器測(cè)量該坐標(biāo)方位角為50°.

圖3 量取坐標(biāo)方位角

2 )見圖4.2點(diǎn)為羅盤，1點(diǎn)為花桿，利用量角器測(cè)量該坐標(biāo)方位角為230°.

圖4 量取坐標(biāo)方位角

綜合以上2種情況可以得出，坐標(biāo)方位角是瞄準(zhǔn)方向與坐標(biāo)縱線北方向之間的夾角。實(shí)際工作中，瞄準(zhǔn)方向應(yīng)當(dāng)為順光方向，以避免逆光時(shí)無法看清花桿。本例中，若上午到實(shí)地架設(shè)儀器，應(yīng)2點(diǎn)為羅盤，1點(diǎn)為花桿。若是在下午，則轉(zhuǎn)換為1點(diǎn)為羅盤，2點(diǎn)為花桿。

3.3 轉(zhuǎn)換磁方位角

坐標(biāo)方位角要通過地形圖下方的三北關(guān)系圖轉(zhuǎn)換為磁方位角。三北關(guān)系圖是真子午線北方向、磁子午線北方向、坐標(biāo)縱線北方向3者之間關(guān)系的略圖。其中，真子午線北方向垂直于南北圖廓線，其它方向線根據(jù)實(shí)際測(cè)量的偏差關(guān)系繪制，并標(biāo)記偏角值。如圖5所示。

圖5 三北關(guān)系圖

圖5中，坐標(biāo)方位角是地物連線與坐標(biāo)縱線的夾角，為量角器實(shí)測(cè)值;磁坐偏角是坐標(biāo)縱線與磁子午線的夾角，為標(biāo)記值。如圖中所示，該幅地形圖的磁坐偏角為5°24'，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為5.4°.我國大陸地區(qū)除新疆、南沙群島等少數(shù)地區(qū)，其余大部分地區(qū)磁子午線均位于坐標(biāo)縱線西側(cè)。因此，在山西省將坐標(biāo)方位角轉(zhuǎn)換為磁方位角，僅需加磁坐偏角即可。其計(jì)算公式為:

地形圖上的磁方位角=坐標(biāo)方位角+磁坐偏角。

3.4 計(jì)算羅差

結(jié)合之前提到的選擇地物，架設(shè)羅盤、花桿，讀取羅盤讀數(shù)。本文中假設(shè)實(shí)測(cè)讀數(shù)為57°，則:

羅差的計(jì)算看似簡單，但由于涉及角度分位的十進(jìn)制轉(zhuǎn)換等多個(gè)步驟，加之通常在野外實(shí)測(cè)方向角后就進(jìn)行計(jì)算，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致羅差錯(cuò)誤。隨著智能手機(jī)的普及和大量應(yīng)用軟件的開發(fā)，使得羅差的多步計(jì)算可以通過電子工作表變得十分便捷。只需要把觀測(cè)到的數(shù)值填寫到相應(yīng)空格，即可得到羅差，不需要在野外進(jìn)行任何運(yùn)算，從根本上避免了計(jì)算錯(cuò)誤的發(fā)生。如第4頁圖6所示，是適合運(yùn)行于移動(dòng)版WPS上的工作表，讀者在實(shí)際工作中，僅需在相應(yīng)空格中填寫讀數(shù)即可得到羅差。

圖6 羅差計(jì)算工作表

該工作表設(shè)計(jì)中考慮了主流智能手機(jī)屏幕尺寸(3.5～6.0)與WPS工作表列的默認(rèn)寬度，可完美運(yùn)行于主流智能手機(jī)平臺(tái)。讀者可通過掃描二維碼(圖7)下載該工作表。需要注意的是，該工作表不是獨(dú)立的程序，需提前安裝移動(dòng)版WPS軟件。

圖7 二維碼

4 結(jié)論與討論

羅差是森林資源清查中一個(gè)重要概念，直接關(guān)系著樣地復(fù)位的成功與否。即使在理想的平面狀態(tài)下，輕微的羅差錯(cuò)誤也極有可能導(dǎo)致樣地邊界位移，出現(xiàn)多測(cè)木、漏測(cè)木等問題。加之羅差的測(cè)定與計(jì)算又涉及到較多理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，從理論入手到實(shí)例示范分析羅差的測(cè)定與計(jì)算，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，深入分析山西省磁坐偏角分布情況，研究羅差在不同區(qū)域間的轉(zhuǎn)換，為森林資源清查工作提供更有力的技術(shù)支持。

［1］ 國家林業(yè)局.第八次全國森林資源清查結(jié)果［J］.林業(yè)資源管理，2014(1):1-2.

［2］ 杜文峰，王 鑫，商 凱，等.淺議森林資源清查樣地復(fù)位［J］.山東林業(yè)科技，2012，42(4):85-86.

［3］ 王家福，魏明亮，宋光新，等.關(guān)于提高森林資源連續(xù)清查樣地復(fù)位率的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.林業(yè)資源管理，1999，4(11):35-36.

［4］ 侯曉巍.森林資源連續(xù)清查中樣地與樣木復(fù)位常見問題分析與對(duì)策［J］.寧夏農(nóng)林科技，2011，52(11):54-55.

［5］ 方正賀，胡永佳，陳 鐘.森林資源連續(xù)清查固定樣地復(fù)位的探討［J］.林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，1996(1):65-69.

［6］ 王風(fēng)臻，刁翠玲，衛(wèi)明艷，等.利用亞米級(jí)GPS測(cè)量森林羅盤儀羅差的研究［J］.山東林業(yè)科技，2012，42(3):86-87.

［7］ 梁長秀，韓光瞬，馮仲科，等.羅盤導(dǎo)線定位及其精度分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(S2):182-186.

［8］ 倪明先.森林羅盤儀的磁性結(jié)構(gòu)基本性能和參數(shù)［J］.云南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，1988(3):41-42.

［9］ 倪明先.森林羅盤儀的檢校［J］.云南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，1985(4):27-28.

［10］ 何 誠.森林精準(zhǔn)計(jì)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2013.