公益林生態(tài)監(jiān)測固定樣地測設方法比較

李 兵， 文愛軍， 朱 昕， 陳德干， 周利軍， 顏秋翠， 王 強，張 平， 鄺平云， 曾凡武， 陳 健

(1.臨武縣林業(yè)局， 湖南 臨武 424300；2.湖南省林業(yè)局，湖南 長沙 410004；3.臨武縣西山國有林場，湖南 臨武 424300；4.臨武縣東山國有林場， 湖南 臨武 424300)

我國在20世紀80年代提出了森林“生態(tài)利用”的原則。1991年，林業(yè)部提出要充分發(fā)揮森林的經濟效益、生態(tài)效益和社會效益。1994年，國家確定了林業(yè)部門負責林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設的管理職能，提出到21世紀中葉實現(xiàn)建立比較完備的生態(tài)體系的奮斗目標，提出了對森林實行“分類經營”的方針[1]。2019年12月28日頒布的《中華人民共和國森林法》(2020年7月1日實施)第六條規(guī)定了國家以培育穩(wěn)定、健康、優(yōu)質、高效的森林生態(tài)系統(tǒng)為目標，對公益林和商品林實行分類經營管理。森林分類經營是以林種經營目的為依據的組織經營模式，便于目標管理[2]。林種就是森林的種類，具體劃分為防護林、用材林、經濟林、薪炭林和特種用途林。公益林包括防護林和特種用途林，是指以生態(tài)效益和社會效益為主體功能，依據國家和省有關規(guī)定劃定，經批準公布并簽有公益林保護協(xié)議的森林、林木以及宜林地。

臨武縣2001年啟動公益林區(qū)劃界定工作，2004年全面完成，2006年開始實施森林生態(tài)效益補償。至2019年，全縣省級以上公益林補償面積達25469.1hm2(其中國家級的12561.4hm2，省級的12907.7hm2)，占林地總面積的25.50%。為了及時掌握公益林范圍、數量、質量、結構、生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其動態(tài)變化情況，客觀評價公益林建設和保護管理成效，湖南省林業(yè)局組織開展了公益林生態(tài)監(jiān)測評價工作。按省林業(yè)局監(jiān)測評價工作的要求，縣級林業(yè)局參加面上固定樣地調查工作。樣地測設是樣地調查的前期工作，樣地測設離不開樣地面積測量和周長測量。面積測量是森林資源環(huán)境調查中的基礎性工作，其精度直接與森林資源環(huán)境調查監(jiān)測結果的精確性和可靠性密切相關[3]。在林業(yè)工程測量中，前期已有多人做過羅盤儀測量和GPS等其他測量方法的對比研究，且均得出羅盤儀精度不高的結論[4-9]；還有很多人做過面積大小對測量精度影響的對比研究，結果顯示，當樣地面積小時，羅盤儀測量跟GPS等其他方法測量結果非常接近，精度無顯著差異[10-15]。因公益林生態(tài)監(jiān)測評價固定樣地面積小，邊長短，所以本次調查依然使用羅盤儀測量。為了提高樣地測設精度，減少誤差和節(jié)約調查成本，作者對2種不同樣地測設方法進行了對比試驗，旨在今后各類林業(yè)調查中，根據不同調查目的和立地條件，因地制宜選擇合適的樣地測設方法。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)臨武縣位于湖南省南端，地處南嶺山脈東段北麓，土地總面積137523.0hm2，其中林地面積99875.3hm2，活立木蓄積量2490067m3，森林覆蓋率62.02%。該區(qū)屬低山地貌，平均海拔910m，地勢陡峭，地面起伏較大；氣候溫暖濕潤，四季分明；土壤為山地黃壤，土質疏松。根據省林業(yè)局統(tǒng)一提供的5個固定樣地中心點的地理坐標，利用Arcgis軟件定位，確定樣地分布在水東鎮(zhèn)、東山國有林場和西山國有林場范圍內，在此基礎上選取5個固定樣地。各固定樣地信息見表1。

表1 固定樣地信息Tab.1 The information of fixed sample plot樣地號經度/°E緯度/°N地類生態(tài)區(qū)位林種事權等級流域645112.58125.410喬木林地生態(tài)型國有林場水源涵養(yǎng)林省級珠江流域646112.65525.410灌木林地荒漠化和水土流失嚴重地區(qū)水土保持林國家級珠江流域647112.73025.409喬木林地高速公路與鐵路兩旁護路林省級珠江流域661112.35525.210竹林地森林公園風景林省級湘江流域662112.42925.209喬木林地森林公園風景林省級珠江流域

2 研究方法

2.1 測設用工具

外業(yè)調查工具有華測牌LT700UP平板 GPS數據采集終端(上海華測導航技術股份有限公司生產)、哈光牌DQL-127森林羅盤儀(哈爾濱光學儀器廠有限責任公司生產)、標桿、普通皮尺(50m)、測樹圍尺、白色PPR管、藍色PPR管、水泥樁、砍刀、鋤頭等；內業(yè)計算有聯(lián)想牌電腦、三星牌打印機等。

2.2 測設方法

2.2.1 中心點測量法 中心點測量法為《湖南省省級以上公益林生態(tài)監(jiān)測評價實施方案》中規(guī)定的測設方法，要求固定樣地設置為40m×25m的長方形樣地，面積1000m2，其中與等高線平行的邊長為40m，垂直于等高線的邊長為25m。樣地設置樣式見圖1。

圖1 固定樣地設置示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed sample plot setting

根據表1中各個樣地的理論坐標，利用手持GPS導航定位確定樣地中心點位，記錄GPS現(xiàn)場坐標，并插上白色PPR塑料管作為臨時標記；將羅盤儀置于樣地中心點位，架設支架，使羅盤儀支架重心置于樣地中心點位，安裝好羅盤儀并調整好水平。根據固定樣地實際地形與等高線平行的直線方向設置基準線，水平距為20m，確定角點0位置，并插上標桿。旋轉羅盤儀，瞄準角點0位置的標桿，記錄方位角至表2角點0方位角欄內。樣地中心點測量法示意圖見圖2。

圖2 固定樣地中心點測量法示意圖Fig.2 Schematic diagram of center point survey method of fixed sample plot

角點0方位角加32°，得到中心點-角點1方位角度數，記入表2相應欄內。順時針旋轉羅盤儀至中心點-角點1方位角度數，用標桿和皮尺測量水平距23.58m，確定角點1的位置，并用白色PPR塑料管臨時標記。為使本次試驗具有對比性，2種測量方法均在同一樣地內進行，首先確定角點1作為公共角點，再分別使用不同方法測量。中心點-角點1方位角加上116°，得到中心點-角點2方位角度數；中心點-角點2方位角加上64°，得到中心點-角點3方位角度數；中心點-角點3方位角加上116°，得到中心點-角點4方位角度數；用測量角點1的方法分別確定角點2、3、4的位置。如遇通視不良或無法一站完成測量，需要移站，則進行多站測量。

樣地中心點至4個角點水平測距均為23.58m。當樣地坡度為平坡、緩坡時，可通過抬平皮尺測量水平測距；當樣地坡度大于5°，皮尺無法抬平時，則需通過傾斜角與三角函數求算斜距，分別記入表2相應欄內。公式如下：

式中：L為斜距，θ為傾斜角。

實地測量4個角點的周長，計算閉合差。在實地測量中不可避免地要產生誤差，即產生閉合差f，致使起點與終點不能重合。f的實地長度稱為導線全長的絕對閉合差，它與導線全長之比稱為導線全長相對閉合差(精度)[16]。絕對閉合差計算公式如下：

f=L1-L0。

式中：f為絕對閉合差；L1為樣地4個角點實地測量的周長總和；L0為樣地4個角點理論周長總和(130m)。中心點測量只要求計算絕對閉合差f，當f≤0.65m時，該樣地測設合格；當f>0.65m時，該樣地不合格，需要重設。

表2 羅盤儀中心點測量手簿Tab.2 Survey manual of compass center point method樣地號角點0方位角目標(角點)正方位角傾斜角斜距/m水平距/m邊長角點水平距/m備注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站測量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站測量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站測量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: 測站均為對應中心點。

2.2.2 導線測量法 用羅盤儀測定各導線邊的磁方位角，用皮尺或用視距法測定各導線邊的水平距離，并在圖上確定各導線點的平面位置，稱為羅盤儀導線測量法。本次導線測量法的樣地布設采用閉合導線形式完成，即從固定樣地公共角點1出發(fā)，順時針經角點2、3、4后，又折回到角點1，組成1個內角均為90°的閉合長方形[17]。樣地導線測量法示意圖見圖3。

圖3 固定樣地導線測量法示意圖Fig.3 Schematic diagram of traverse survey method of fixed sample plot

在角點1安置羅盤儀，中心點-角點0直線與角點3-4直線平行，方向相同，方位角相同，可以推算出角點1-2方位角大小為中心點-角點0方位角加上180°；旋轉羅盤儀至角點1-2方位角讀數，用標桿和皮尺測量水平距40m，測定角點2的位置，并用藍色PPR塑料管臨時標記，記錄方位角讀數至表3中角點1-2正方位角欄內。移動羅盤儀至角點2位置，角點1-2方位角加上90°得到角點2-3方位角讀數，旋轉羅盤儀至角點2-3方位角讀數，用標桿和皮尺測量水平距25m，測定角點3的位置，并用藍色PPR塑料管臨時標記，記錄方位角讀數至表3中角點2-3正方位角欄內。

表3 羅盤儀導線測量手簿Tab.3 Survey manual of compass traverse manual樣地號測站 (角點)目標(角點)正方位角反方位角平均方位角傾斜角斜距/m水平距/m平均水平距/m備注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站測量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站測量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站測量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站測量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站測量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站測量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

旋轉羅盤儀至角點1位置，測量角點2-1方位角讀數，用皮尺測量水平距讀數，記錄方位角讀數至表3中角點1-2反方位角欄內。同法測出角點3-4的正方位角、水平距和角點2-3反方位角、水平距，并將數據記入表3的相應欄內。依次測定剩余的角點位置和水平距至角點1。如遇通視不良或無法一站完成測量，則需要移站，進行多站測量。

當傾斜角超過5°時，則需通過傾斜角與三角函數改平。其水平距計算公式如下：

D=L×cosθ。

式中：D為水平距，L為斜距，θ為傾斜角。

在林業(yè)測量中，羅盤儀導線測量的精度不應低于 1/200，相對閉合差(精度)計算公式如下：

式中：K為相對閉合差(精度)；f為絕對閉合差；∑D為導線全長。當K≤1/200時，該樣地測設合格；當K>1/200時，該樣地不合格，需要重設。

3 結果與分析

3.1 不同測設方法各測量因子比較

從表4可以看出：中心點法測量的5個樣地的絕對閉合差均在0.65m以內，符合技術規(guī)定要求，樣地測設全部合格；導線法測量的樣地相對閉合差均在 1/200 以內，符合技術規(guī)定要求，樣地測設全部合格。經過計算，2種方法閉合差(精度)都在允許范圍內，全部合格。

表4 不同樣地測設方法各測量因子數據統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of survey factors of different survey and setting methods樣地號中心點測量法導線測量法實測周長/m理論周長/m絕對閉合差/m是否合格實測周長/m理論周長/m相對閉合差是否合格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 不同樣地測設方法成對比較試驗

(1) 作統(tǒng)計假設。假設導線測量法的測量精度與中心點測量法的無顯著差異。

(2)計算。

(3) 得出結論。由自由度f=5-1=4，危險率a=0.05 查《學生氏t分布的雙側分位數(ta)表》，得ta=2.776。因為t>ta，所以可以推翻假設。

通過以上分析可以認為這2種測設方法的測量精度有顯著差異[18]。

表5 不同樣地測設方法成對比較試驗數據表Tab.5 Data sheets of paired comparison test fordifferent survey and setting methods樣地號∑D(導線測量法)/mL1(中心點測量法)/md(差數)/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 不同樣地測設方法用時比較

從表6可以看出：中心點法測量5個樣地共用時970 min，導線法測量共用時662 min。中心點法測量單個樣地用時比導線法測量的要多38～81min；中心點法測量5個樣地的總用時比導線法測量的要多308 min。

表6 不同樣地測設方法用時統(tǒng)計表Tab.6 Statistics table of spent time of different survey and setting methodsmin樣地號中心點測量法用時導線測量法用時差值6452101426864616111447647165127386612291488166220513174Σ970662308

3.4 不同樣地測設方法測量路線的清理長度

從表7可以看出：中心點法測量的5個樣地清理長度共1 219.22 m，導線法測量的清理長度共649.15 m。中心點法測量單個樣地的清理長度比導線法測量的要長113.68 m～114.22 m；中心點法測量5個樣地的總清理長度比導線法測量的要長570.07 m。在樣地內，中心點法測量比導線法測量多出了從中心點向4個角點和1條中心線的清理長度。

表7 不同樣地測設方法樣地清理長度統(tǒng)計表 Tab.7 Statistical table of clearing length of sample plots with different surveying and setting methodsm樣地號中心點測量清理長度導線測量清理長度差值總長度基準線長度中心點至4個角點長度周長總長度周長 總長度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 不同樣地測設方法的植被破壞情況

從表8可以看出：中心點測量法和導線測量法都對樣地內植被造成了不同程度的破壞，無論是單個樣地評估還是5個樣地綜合評估，中心點測量法的植被破壞程度都比導線測量法的要嚴重一些。中心點法測設樣地時，從中心點向4個角點和1條中心線測設，再繞測4個角點一周檢驗閉合差，樣地中有9條測量線；而導線法測量只需繞測量樣地一周即可，比中心點法測量要少5條測量線，樣地內植被破壞情況相對來說是極少的。

表8 不同樣地測設方法樣地內植被破壞情況表Tab.8 Vegetation damage degree in sample plots with dif-ferent survey and setting methods樣地號植被破壞情況中心點測量法導線測量法645輕微極少646輕微極少647輕微極少661輕微極少662輕微極少綜合評價輕微極少

4 結論與討論

(1) 中心點測量方法符合技術要求。成對比較試驗結果顯示，導線測量法和中心點測量法的測量精度有顯著差異，且前者的精度遠遠大于后者，但2種方法的閉合差都符合相應技術要求，因此，樣地調查選擇中心點測量方法也是合理的。樣地面積誤差的大小取決于各邊界線長度的量測和角度偏離度及偏離方向[19]，控制角度、邊長測量精度，才能得到合格閉合差。中心點測量法無返測量，精度較導線測量法的低。

(2)中心點測量法的工作效率比導線測量法的低。通過對比分析，中心點測量法較導線測量法的測量用時和線路清理長度均更長，樣地內植被破壞程度更嚴重。所以，中心點測量法的工作強度更大，用工量更多，調查成本比導線測量法的更高，工作效率更低。為了消除2種方法在測量同一樣地時因先后順序帶來的影響，在試驗中有3個樣地先用中心點法測量并標記，再用導線法測量和標記同一樣地。另外2個樣地則先用導線法測量并標記，再用中心點法測量和標記同一樣地。結果表明導線法測量工作效率優(yōu)于中心點法測量。

(3)2種測量方法各適用于不同的林業(yè)工程。中心點法測量類似于輻射法測量[20]，可以不移站，一站式測完所有角點和目標，適用于地勢開闊平緩的地段，其缺點是精度偏低，工作效率低，不僅要測量中心點到角點的直線邊長，還要測量4個角點的邊長再計算閉合差，主要適用于林改(或退耕還林造林)聯(lián)戶勾圖小班分戶、全國森林資源連續(xù)清查、公益林生態(tài)監(jiān)測評價等需要定位調查目標的調查工作。導線測量法從起測站開始，順時針移動測站，最后回到起測站結束，節(jié)約時間和成本，對生態(tài)破壞和影響不大，主要適用于森林資源調查、森林經營方案、營造林規(guī)劃設計、采伐作業(yè)設計、森林撫育作業(yè)設計、林權勘界、征點用林地調查、各類專項調查等工作。

(4)測量的誤差無法避免。羅盤儀結構簡單，制造粗糙，測量精度低，但價格低廉，攜帶方便，操作簡便，在精度要求不高或面積不大的林業(yè)調查設計中廣泛使用。其使用過程中不可避免地會產生誤差，主要原因有羅盤儀自身質量、方位角讀數、傾斜角讀數、測距皮尺伸縮性、標桿垂直度、移站測量、地域磁場、高壓電線等原因。

(5)與時俱進，今后工作推薦使用精密儀器。羅盤儀技術原理單一落后，方位角和傾斜角讀數只能精確到1°，若要精確到0.5°，只能憑經驗估測，精度低，遇到大面積樣地或地形變化較大的情形，精度更加難以達到要求。雖然在工作中能基本滿足技術要求，但在信息云時代已成為歷史工具?，F(xiàn)代林業(yè)工程測量面積越來越大，要求精度高、操作便捷、計算精準、節(jié)約工作成本和提高工作效率?；谝陨显颍瑸闈M足新時期林業(yè)發(fā)展的需要，林業(yè)測量也要與時俱進，今后工作推薦使用高精度儀器，推行北斗導航測量設備，比如全站儀(北斗)等。

(6)中心點法測量線路清理對調查數據影響雖然不大，但樣地內植被還是遭到了相對較大的破壞。至于因測設樣地破壞的植被對林中生物多樣性、群落穩(wěn)定性有何影響，及對整個森林生態(tài)環(huán)境影響的差異，有待進一步調查研究。

(7)本次僅測設了5個樣地，數據具有一定的局限性，試驗結果也可能存在一定的地域性，與其他地域或多樣地大數據有無一致性，或是否具有代表性，尚待進一步研究。