測樹學研究進展及教學對策

吳文友

(安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院,合肥 230036)

測樹學是林學專業(yè)的專業(yè)基礎課,一方面為森林資源調(diào)查提供理論和技術(shù)方法,另一方面為林學的其他學科提供分析研究的理論和技術(shù)方法,所以在林學專業(yè)的課程體系中有著舉足輕重的地位。理論來源于實踐,又服務于實踐。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會進步,人們對森林的認識和需求都發(fā)生了很大的變化,逐漸認識并體會到森林生態(tài)效益及“精準林業(yè)”的重要性,所以在測樹學的內(nèi)容和調(diào)查技術(shù)方法的研究方面投入了大量的精力,并取得了一定的成果。林業(yè)教育的目的是為森林的經(jīng)營管理培養(yǎng)專門人才。林學本科專業(yè)學生作為未來的林業(yè)專門人才的主體,顯然應認清形勢,并具備相應的知識儲備,以便更好地服務于林業(yè)。因此,在林業(yè)學科專業(yè)教育方面,應本著與時俱進的精神,積極開展教育教學改革,努力培養(yǎng)合格的適應林業(yè)發(fā)展需要的綜合型林業(yè)專門人才。

一、測樹學的發(fā)展動態(tài)

(一)測樹學內(nèi)容的實質(zhì)性擴展

隨著環(huán)境問題的日益尖銳以及人們生活水平的不斷提高,人們對森林的需求已不僅僅局限于木材的利用,而是更為注重森林的生態(tài)效益和社會效益。盡管過去也強調(diào)森林生態(tài)效益的重要性,但是一直以來都只停留在表面上,而現(xiàn)在從理論到實踐對森林生態(tài)效益的關(guān)注都進入到實質(zhì)性狀態(tài)。與之相適應,測樹學的內(nèi)容也得到實質(zhì)性擴展,這從多個方面都可以得到印證。例如,在測樹學的研究方面,有越來越多的與生態(tài)效益有關(guān)的生物量及生物多樣性研究的文章出現(xiàn)[1-5],為合理經(jīng)營森林、最大限度地維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、充分發(fā)揮生態(tài)效益提供了理論基礎。

在測樹學的實踐應用方面,不僅森林公園的數(shù)量不斷增加,而且要求盡可能地應用森林生態(tài)學理論去調(diào)查和經(jīng)營管理森林,以充分發(fā)揮森林公園保護生態(tài)環(huán)境和滿足人們游憩需求的功能。在中國的森林資源清查體系中,也不斷補充森林生態(tài)狀況調(diào)查方面的內(nèi)容,前5次森林資源清查是以木材生產(chǎn)為主,第6次森林資源清查則增加了林木權(quán)屬、病蟲害等級等內(nèi)容,目前正在進行的第7次全國森林資源清查工作更是把森林生態(tài)功能、森林健康和生物多樣性等反映生態(tài)狀況的內(nèi)容納入監(jiān)測范疇。中國的森林資源連續(xù)清查體系正朝著森林資源與生態(tài)狀況綜合監(jiān)測體系的方向發(fā)展。

與此相適應,《測樹學》第3版正式將林分3大量(蓄積量、材種出材量、生長量)測定擴充為4大量(增加生物量,第11章)測定,在“標準地調(diào)查”一節(jié)中增加了多樣性、群落結(jié)構(gòu)、森林健康與森林生態(tài)功能評價等內(nèi)容,同時在附錄中增加了旅游資源調(diào)查方面的內(nèi)容[6]。

(二)測樹儀器和測樹理論的更新與改進

1.新型的測樹儀器

傳統(tǒng)的測樹儀器主要以光學和機械原理為主,采用人工測量的方法,工具較為簡易,易受人為因素影響,測量誤差較大。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)和電子儀器技術(shù)的不斷發(fā)展,有很多新型電子測樹儀器出現(xiàn),但總結(jié)起來多數(shù)是在原有測樹原理的基礎上引進電子儀器進行測樹,主要是利用電子儀器的精密性提高測定的精度,同時結(jié)合相應的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)測算的效率。

例如,電子角規(guī)是將電子經(jīng)緯儀與PDA有機結(jié)合,充分發(fā)揮電子經(jīng)緯儀精密的測角功能和PDA強大的數(shù)據(jù)處理和存貯功能,以提高測定的精度和效率[7]。

再如,三維激光掃描成像系統(tǒng)利用激光掃描儀掃描林木,然后利用專門軟件進行計算機處理,就可以非常方便地直接量測立木的直徑(包括分段直徑)、樹高、冠幅等測量因子,為研究樹干和樹冠形狀、材積、生物量等提供可靠的基礎數(shù)據(jù),進而為森林資源的動態(tài)監(jiān)測奠定基礎[1,8]。

又如,樹木年輪分析儀是利用高分辨率顯微鏡定位技術(shù),或運用高分辨率的數(shù)字化電磁探針掃描,并結(jié)合顯微照相探頭,對樹木生長錐樣芯或年輪盤片進行樹木年輪與密度的測定,然后將操作分析結(jié)果交由專業(yè)軟件統(tǒng)計、分析;激光或超聲波測高器是利用激光和超聲波傳感器以及傾斜傳感器提供即時的距離和角度值,從而測定樹高。另外,還有一些電子測徑儀可以測定任意高度、直徑,并且可以進行適時存儲或遠程傳輸?shù)取?/p>

2.測樹方法的更新與改進

例如,馮仲科等[9]在角規(guī)測樹中考慮到林分蓄積空間分布不均勻的特點,以Voronoi圖—泰森多邊形法代替常規(guī)的算術(shù)平均法估測林分蓄積量,改進了角規(guī)測樹方法,使蓄積總量估測精度更高。再如,宮鵬[10]、張超[11]、李明澤[12]等利用數(shù)字攝影測量理論與技術(shù)獲取森林資源調(diào)查中的各種測樹因子等,突破了常規(guī)的測樹方法。

上述這些測樹儀器和測樹方法的更新與改進,雖然在一定程度上提高了測量的精度和效率,但是受到諸多條件的限制,目前在生產(chǎn)實踐中還難以推廣。

(三)數(shù)理統(tǒng)計方法的多元化和廣泛應用

數(shù)理統(tǒng)計方法一直是測樹學的重要組成部分,但過去由于受計算速度慢的影響,其應用有很大的限制。隨著計算機的普及以及大量數(shù)理統(tǒng)計軟件的出現(xiàn),這一問題目前已得到有效的解決。同時,數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展以及人們對森林認識的進一步加深,使得對森林進行全面、準確的考量成為可能與必要,也使所獲得的數(shù)據(jù)更多、更加復雜,從而需要更多地應用各種統(tǒng)計理論進行定量研究。這就使得數(shù)理統(tǒng)計方法在測樹學方面的應用更為廣泛并出現(xiàn)了多元化趨勢。

目前,統(tǒng)計方法在測樹學方面的應用正從簡單統(tǒng)計趨向于復雜統(tǒng)計、從參數(shù)估計趨向于非參數(shù)估計。例如,在常規(guī)的多元統(tǒng)計的基礎上,李崇貴[13]進行了基于嶺估計和穩(wěn)健估計的蓄積量估計方法的研究與評價;陳而學[14]等利用k—最近鄰(k—NN)法進行了森林蓄積的估測;劉志華[15]、洪偉[16]等利用神經(jīng)元網(wǎng)絡方法(ANN)進行了森林蓄積量估測和森林資源管理模型方面的研究;馬友平[17]等進行了基于灰色GM(1,1)模型的生長模型等研究。這些研究充分考慮了森林各因子之間關(guān)系的復雜性,揭示了森林各因子之間更為深刻、更為本質(zhì)性的內(nèi)在聯(lián)系,所以研究結(jié)果更為可靠。

(四)遙感技術(shù)(RS)的日趨成熟及“3S”技術(shù)的廣泛應用

20世紀70年代末,遙感技術(shù)就應用于森林資源調(diào)查的研究。隨著遙感和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,其在測樹學上的應用也日趨成熟,主要呈現(xiàn)2個特點:一是在內(nèi)容上由過去單純的森林分類和蓄積測定擴展到現(xiàn)在的生物量調(diào)查以及更精準的林分因子調(diào)查,如利用LiDAR技術(shù)可以獲得林分的樹高、郁閉度、林分密度、蓄積量和生物量等[3,4];二是在遙感工作波段上由過去的主要是光學遙感擴展到多波段遙感,如 LiDAR遙感使用的微波輻射源等[3,4]。經(jīng)過多年的摸索,在理論研究和實際應用中,確認了遙感信息在森林資源監(jiān)測中的主導作用,為建立以遙感技術(shù)為主要技術(shù)手段的新的森林資源監(jiān)測體系提供了有力的支持。

隨著20世紀90年代末地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)的興起,遙感技術(shù)與二者的結(jié)合越來越緊密,逐漸形成了“3S”技術(shù)體系,并在理論研究與生產(chǎn)實踐中得到廣泛應用。例如,李崇貴[13]、侯長謀[18]等以“3S”技術(shù)為基礎進行了林分蓄積量的測定等。再如,在實踐中,國家林業(yè)局實施了全國森林資源數(shù)據(jù)庫試點示范項目,建立了覆蓋全國的以“3S”技術(shù)為基礎的基礎地理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、TM陸地資源衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫等。大部分省級林業(yè)部門也建立了森林資源數(shù)據(jù)庫以及有關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫,并在森林資源管理、森林防火、林業(yè)有害生物防治等方面開展了廣泛應用。

二、測樹學課程教學存在的問題

(一)課時縮減

高等院校推行素質(zhì)教育和進行學分制改革以來,測樹學課程的教學時數(shù)被壓縮了近1/3。但是,測樹學作為林學專業(yè)的專業(yè)基礎課,課程內(nèi)容都是基礎性的,不能隨意進行刪減;同時,隨著測樹學內(nèi)容的擴展以及新技術(shù)、新方法的引入,課程內(nèi)容反而有所增加。因此,如果采用常規(guī)方法和手段開展測樹學課程教學,受課時縮減的影響,各部分課程內(nèi)容勢必難以透徹講述,從而影響課程的教學質(zhì)量。

(二)實踐教學難以實施且與理論教學脫節(jié)

實踐教學是測樹學課程教學的重要環(huán)節(jié),對林學專業(yè)本科生走上工作崗位后能否勝任工作有直接的影響。盡管多數(shù)高等林業(yè)院校都開展了異地綜合實習,但是由于實習時間較短、師資力量不足、實習場地分散等原因,部分學生不能完整地參與所有實習環(huán)節(jié),教師也無法兼顧每個學生,所以實習效果受到影響。尤其是受學校教學活動安排的影響,異地綜合實習通常滯后于測樹學課程理論教學較長時間,所以學生在實習時對測樹學理論已或多或少有所遺忘,不能實現(xiàn)實習內(nèi)容與課堂理論知識的相互印證;理論教學與實踐教學的脫節(jié)也使實習效果事倍功半。同樣,在測樹學理論教學過程中,由于多數(shù)高等林業(yè)院校地處城市,難以安排課程實踐環(huán)節(jié),所以學生對教師在課堂上所舉的實例缺乏直觀印象,難以理解計算過程。這也使理論教學的效果受到一定的影響。

三、測樹學課程教學的改革探索

為了適應測樹學的發(fā)展形勢,提高測樹學課程的教學質(zhì)量,培養(yǎng)合格的能適應林業(yè)發(fā)展形勢的綜合型林業(yè)專門人才,應本著與時俱進的精神,對測樹學課程教學進行改革探索。

(一)理論教學內(nèi)容的改革

1.逐步提高林分生物量測定等森林生態(tài)方面調(diào)查內(nèi)容的授課比例,適應林業(yè)發(fā)展形勢的需要。

2.有機地將“3S”技術(shù)融入測樹學課程內(nèi)容,通過介紹相關(guān)論文的方法,在相關(guān)章節(jié)講述“3S”技術(shù)在測樹學中的最新應用進展,并引導學生關(guān)注相關(guān)研究。

3.在課程教學中引入數(shù)理統(tǒng)計軟件,以一元材積表編制為例,讓學生學會數(shù)理統(tǒng)計軟件的基本使用方法并掌握各種統(tǒng)計的基本原理,為學生奠定堅實的科研基礎。

4.在課程教學中,注意介紹測樹新儀器和新方法的原理及其使用。

5.要強調(diào)電子表格在林業(yè)應用中的作用,因為現(xiàn)在很多林業(yè)上的基礎數(shù)據(jù)及其分析處理都是以電子表格形式存在的。這對學生適應實際工作崗位上的實務要求有重要的意義。

(二)實驗教學內(nèi)容的改革

1.對傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容進行歸納合并。傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容立足于傳統(tǒng)的測樹學內(nèi)容,并主要以筆算為主;由于考慮計算效率問題,所以很多類似的實驗內(nèi)容不得不分散設置,如蓄積量的測定。隨著計算機的普及以及課時的縮減,對傳統(tǒng)實驗內(nèi)容進行歸納合并成為必須。這有利于在不增加實驗學時的前提下增加新的實驗內(nèi)容,同時有利于提高學生的歸納總結(jié)能力。

2.實驗內(nèi)容中涉及數(shù)學模型參數(shù)估計的,要采用數(shù)理統(tǒng)計軟件處理方法代替筆算估計。

3.增設生物量(重量)測定方面的實驗內(nèi)容。

4.在條件成熟的情況下,設計一些“3S”技術(shù)在測樹學中具體應用的實驗內(nèi)容。如設計一個將視差測樹高與樹高—材積模型結(jié)合計算林分蓄積量的實驗,以提高學生對“3S”技術(shù)的認識。

5.對相關(guān)實驗內(nèi)容采用電子表格進行計算,以提高計算效率。

(三)實踐教學的改革

1.提高師生比,開展分級指導

在異地綜合實習過程中,同時安排2門課程的實習,以提高師生比;同時,增加分組數(shù)量,減少各組的人數(shù)。在學生開始實習之前,指導教師對實習的方法和步驟進行完整的現(xiàn)場展示,使學生對實習的整個過程有較為系統(tǒng)的認識;同時,重點對各組組長進行強化訓練。在實際的實習活動中,由各組組長進行一般性的指導,由指導教師進行重點指導。這樣,一方面可以有效地緩解師資不足與實習場地分散之間的矛盾;另一方面有利于發(fā)揮學生自身的能動性,使所有學生都能自覺地參與到實踐教學的各個環(huán)節(jié),從而提高動手能力,為今后的林業(yè)生產(chǎn)實踐奠定堅實的基礎。

2.開展現(xiàn)場教學

在測樹學理論教學中,安排一些簡單的現(xiàn)場教學,使學生獲取一些基礎數(shù)據(jù);然后在教學過程中充分利用學生自己調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)進行舉例,從而便于學生的理解,實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合,提高理論教學的效果。

3.實踐內(nèi)容的多媒體展示

在測樹學課堂教學過程中,充分利用照片、錄像等手段展示與課程內(nèi)容相關(guān)的野外森林調(diào)查的全過程,使學生獲得直觀印象并與理論相互印證,以激發(fā)學生的學習興趣,避免課堂教學過程中理論與實踐的脫節(jié)。實踐表明,理論教學與實踐案例相結(jié)合的方法能使學生學得更深、記得更牢,達到事半功倍的教學效果。

(四)多媒體教學的推行和加強

多媒體以其多角度、多層次的展示功能,在課堂教學中發(fā)揮著重要作用,取得了很好的教學效果。在測樹學課程教學中運用多媒體進行教學,可以節(jié)約時間,緩解課時縮減與教學內(nèi)容增加之間的矛盾;同時,對在教學過程中融入“3S”技術(shù)、統(tǒng)計軟件及電子表格等內(nèi)容提供了重要保證。因此,在測樹學課程教學中全面推行和加強多媒體教學是有必要的。

1.及時更新多媒體教學的內(nèi)容,尤其是“3S”技術(shù)方面的內(nèi)容,以適應林業(yè)的發(fā)展形勢。

2.在多媒體課件的設計上,要強化啟發(fā)式教學方法的設計。每次提出問題之后,要首先展示相關(guān)圖表,讓學生自己總結(jié)規(guī)律;然后由教師進行點評和補充;最后展示最終結(jié)論。這種方式既能提高學生的綜合分析能力,又促進了教學中的師生互動,有利于提高學生的課堂注意力,使教學效果明顯提高。

3.設計好課堂教學的流程。由于多媒體教學需要在不同程序之間切換,如果事先不做好充分準備,就可能使教學過程不順暢,反而浪費時間、降低了課堂效率,所以必須要明確多媒體教學的操作流程。

總之,只有及時跟蹤和分析測樹學的發(fā)展趨勢,并據(jù)此改革測樹學課程的教學內(nèi)容和方法,才能培養(yǎng)出合格的符合林業(yè)發(fā)展形勢要求的綜合型林業(yè)專門人才。

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