基于EXCEL的森林樣地調(diào)查計算技術(shù)與應(yīng)用

舒德遠，何光輝，張潔，楊林 ，桂加英，張耀榮，陳松

(貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005)

樣地調(diào)查在森林規(guī)劃調(diào)查、森林采伐設(shè)計、森林資產(chǎn)評估、征占用林地設(shè)計中是最常用的方法[1]，其外業(yè)調(diào)查工作量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算繁重，尤其是在生物多樣性豐富度位居全國前列的貴州地區(qū)[2]，樹種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要查用大量的森林資源常用數(shù)表，手工計算費時費力[3]。傳統(tǒng)的手工計算和查表方法工作效率低，且容易出現(xiàn)錯誤，通過語言設(shè)計的軟件需另行安裝，且不利于林業(yè)工作者直觀理解[4]。EXCEL軟件具有強大的數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析功能，可進行公式編輯和插入函數(shù)，具有連環(huán)鏈鎖計算能力[5]，且EXCEL是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)處理和分析軟件[6]。因此，基于EXCEL的數(shù)據(jù)處理功能和界面友好性，探索其在森林樣地調(diào)查計算中的應(yīng)用，解決林業(yè)生產(chǎn)工作中遇到的統(tǒng)計問題，對提高林業(yè)調(diào)查工作效率和質(zhì)量具有顯著作用。

1 森林樣地調(diào)查的基本內(nèi)容

森林樣地調(diào)查的基本內(nèi)容，可分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算兩大部分。外業(yè)數(shù)據(jù)采集需利用復(fù)雜的工具和儀器[8]，開展樣地選擇、定周界、每木調(diào)查、地形因子測量、林分因子(胸徑、樹高、冠幅、密度等)調(diào)查等工作；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算則主要包括各徑階的平均胸徑、平均樹高計算，樹高曲線擬合，蓄積量的計算等步驟，并根據(jù)樣地蓄積量推算整個林分蓄積量[9]。在樣地調(diào)查中，調(diào)查樣地活立木蓄積最為重要，需要在外業(yè)調(diào)查過程中計算出平均胸徑(平方平均數(shù))，通過平均胸徑確定測高樹分布并測量樹高，再根據(jù)胸徑、樹高和株數(shù)利用二元材積表或材積模型進行樣地蓄積計算[10]。

2 基本功能

本文基于EXCEL軟件，通過3個不同工作表分別實現(xiàn)森林樣地調(diào)查的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算和成果展示。在數(shù)據(jù)采集工作表中按檢尺順序據(jù)實輸入對應(yīng)樣木編號的樹種名稱、胸徑和備注，通過函數(shù)生成各樹種按胸徑由小到大的排序表和對應(yīng)樣木編號，并計算出各樹種各徑階平均胸徑和對應(yīng)株數(shù)，參考生成和計算結(jié)果，選擇需要測量樹高的樣木測量樹高；在數(shù)據(jù)計算工作表中分樹種按徑階計算平均樹高和蓄積等，并根據(jù)計算結(jié)果進一步計算出優(yōu)勢樹種、樹種組成和樣地指標(biāo)、小班指標(biāo)；在數(shù)據(jù)展示工作表中展示出簡潔、明了并包含必要信息的調(diào)查計算成果。

3 功能實現(xiàn)

各項功能的實現(xiàn)和函數(shù)目的詳見圖1。

圖1 功能實現(xiàn)流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集工作表

數(shù)據(jù)采集工作表主要是在樣地外業(yè)調(diào)查時使用，將制作好的表格文件拷貝到平板電腦或手機等裝有EXCEL軟件的移動終端即可使用。外業(yè)調(diào)查時輸入樹種名稱、胸徑和備注，參考生成和計算結(jié)果，選擇需要測量樹高的樣木測量樹高并輸入表格中。

3.1.1 樣木編號、樹種、胸徑等輸入

樣木編號在外業(yè)調(diào)查前輸入數(shù)據(jù)采集工作表，在檢尺過程中，按檢尺順序據(jù)實輸入對應(yīng)樣木編號的樹種名稱、胸徑和備注，備注內(nèi)容包括如斷梢、病蟲害、瀕死木等。

輸入正確的樹種名稱，是后期確定各樹種各徑階平均木、選擇正確的蓄積計算模型和計算樹種組成等過程的基礎(chǔ)。考慮到各地區(qū)生物多樣性不一，樣地內(nèi)樹種結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度各異，本文設(shè)計的方法需據(jù)實按檢尺順序輸入規(guī)范的樹種名稱。在樹種結(jié)構(gòu)單一的地區(qū)，也可通過下拉菜單形式選擇輸入樹種名稱。

3.1.2 樹高輸入

因外業(yè)工作環(huán)境差，工作量大[11]，不宜對樣地內(nèi)所有樣木進行樹高測量，實際調(diào)查中多采用分樹種按徑階選擇1至3株平均木實測樹高，再用加權(quán)平均法計算樣地平均高。故在樹種、胸徑等數(shù)據(jù)采集完成后，需分樹種按徑階統(tǒng)計出平均胸徑、株數(shù)，參考統(tǒng)計結(jié)果選擇出需要測量樹高的樣木編號并測出樹高。該步驟的統(tǒng)計過程在數(shù)據(jù)計算工作表中實現(xiàn)，統(tǒng)計結(jié)果需在數(shù)據(jù)采集工作表中展示，以便作為選擇測量樹高樣木的參考。

按胸徑確定徑階，作為后面統(tǒng)計的依據(jù)。采用IF條件函數(shù)，以上限排外法確定每株樣木的徑階，如“IF(AND(胸徑值>=5，胸徑值<7)，″6″，IF(AND(胸徑值>=7，胸徑值<9)，″8″，”，意為胸徑大于等于5并小于7徑階返回為6，胸徑大于等于7并小于9徑階返回為8，以此類推。

生成樹種名稱的漢字編碼，確保每一個樹種編碼的唯一性。采用CODE結(jié)合RIGHT和LEFT函數(shù)生成每株樣木的樹種名稱漢字編碼，如“CODE(LEFT(樹種名稱，1))&CODE(RIGHT(LEFT(樹種名稱，2)，1))&CODE(RIGHT(LEFT(樹種名稱，3)，1))”，意為分別生成樹種名稱第一位、第二位、第三位漢字的漢字編碼，并用“&”將三位漢字的漢字編碼組合成一個數(shù)值。如樹種名稱較長，則以此類推。

生成所有樣木的“樹種+徑階+胸徑”(TRJX)值，形成TRJX值區(qū)域，作為后面TRJX排序的過程數(shù)據(jù)。采用CONCATENATE函數(shù)將樹種名稱、徑階和胸徑組合成一個字符串，并利用“-”將內(nèi)容隔開。如“CONCATENATE(樹種名稱，″-″，徑階，″-″，胸徑)”，意為生成一個“樹種名稱-徑階-胸徑”字符串。將所有樣木逐一計算，生成TRJX值區(qū)域。

生成所有樣木的TRJX編碼，形成TRJX編碼區(qū)域，并進一步排序生成TRJX編碼排序表，作為后面TRJX排序的過程數(shù)據(jù)。首先利用“&”將以上過程生成的樹種名稱漢字編碼、徑階和據(jù)實輸入的胸徑組合成一個數(shù)值，即TRJX編碼。如“樹種名稱漢字編碼&徑階&胸徑”，意為將樹種名稱漢字編碼與對應(yīng)樣木的徑階和胸徑組合成一個數(shù)值。將所有樣木逐一計算，生成TRJX編碼區(qū)域。然后通過SMALL函數(shù)將TRJX編碼區(qū)域進行排序以生成TRJX編碼排序表，如：“SMALL(TRJX編碼區(qū)域，1)”，意為返回TRJX編碼區(qū)域中的最小值；“SMALL(TRJX編碼區(qū)域，2)”，意為返回TRJX編碼區(qū)域中的第二小值，以此類推逐一計算，生成TRJX編碼排序表。

生成TRJX值排序表和對應(yīng)樣木編號，以方便選擇需要測量樹高的樣木。首先采用INDEX結(jié)合MATCH函數(shù)將TRJX值區(qū)域中的所有TRJX值按升序排序，生成TRJX值排序表，如“INDEX(TRJX值區(qū)域，MATCH(TRJX編碼排序表中某一編碼值，TRJX編碼區(qū)域，0)，1)”，意為返回與TRJX編碼排序表中某一編碼值對應(yīng)的TRJX值，將所有樣木逐一計算，生成TRJX值排序表。然后再次采用INDEX結(jié)合MATCH函數(shù)將對應(yīng)樣木編號計算出來，如“INDEX(樣木編號區(qū)域，MATCH(TRJX值排序表中某一值，TRJX值區(qū)域，0)，1)”，意為返回與TRJX值排序表中某一TRJX值對應(yīng)的樣木編號，將所有樣木逐一計算，生成與TRJX值排序表中所有TRJX值對應(yīng)的所有樣木編號。

按樹種計算各徑階的平均胸徑和株數(shù)。這一計算過程在數(shù)據(jù)計算工作表中運用時，需要用到計算結(jié)果，作為參考以方便選擇需要測量樹高的樣木。

選擇需要測量樹高的樣木編號并測量樹高后輸入。結(jié)合實際情況，某一樹種某一徑階的株數(shù)越多，需要測量樹高的樣木株數(shù)就越多，一般選擇3株以上，反之則越少(某一樹種某一徑階均不得少于1株)。在實際調(diào)查過程中，根據(jù)各樹種各徑階的平均胸徑和株數(shù)，在TRJX值排序表中逐一選擇與某一樹種某一徑階平均胸徑最靠近的樣木(不得選擇備注欄中存在特殊情況的樣木)，根據(jù)對應(yīng)的樣木編號，找到樣地中對應(yīng)樣木編號的樣木測量樹高并輸入，逐一樹種逐一徑階測量樹高并輸入完成即可。

3.2 數(shù)據(jù)計算工作表

數(shù)據(jù)計算工作表是一個中間過程，主要是在內(nèi)業(yè)處理階段使用，將外業(yè)調(diào)查移動終端內(nèi)記錄的表格文件拷貝到裝有EXCEL軟件的電腦桌面端上即可使用。

3.2.1 分樹種按徑階計算平均胸徑和株數(shù)

生成“樹種-徑階”(TRJ)值，作為后面統(tǒng)計的過程數(shù)據(jù)。利用CONCATENATE函數(shù)將數(shù)據(jù)采集工作表中據(jù)實輸入的樹種名稱和對應(yīng)按胸徑確定的徑階合并為TRJ值。如“CONCATENATE(樹種名稱，″-″，對應(yīng)徑階)”，意為將樹種名稱與對應(yīng)徑階組合成一個文本字符串。將所有樣木逐一計算，生成TRJ值區(qū)域。

生成所有且不重復(fù)的TRJ值區(qū)域，作為后面分樹種按徑階計算相關(guān)因子的依據(jù)。利用INDEX結(jié)合MATCH和COUNTIF函數(shù)生成所有且不重復(fù)的TRJ值，如“INDEX(TRJ值區(qū)域，MATCH(0，INDEX(COUNTIF(已生成區(qū)域，TRJ值區(qū)域)，0，0)，0))”，意為返回與已生成區(qū)域不重復(fù)的下一個TRJ值。逐一計算，得到所有且不重復(fù)的TRJ值區(qū)域。

分樹種按徑階計算平均胸徑。采用SQRT結(jié)合AVERAGEIF函數(shù)計算滿足條件的平均胸徑，如“SQRT(AVERAGEIF(TRJ值區(qū)域，″=″& 某一TRJ值，胸徑平方區(qū)域))”，意為將與某一TRJ值相等的TRJ值區(qū)域中對應(yīng)的所有胸徑平方求平均值后開平方，即得到某一TRJ值對應(yīng)的平均胸徑。逐一計算，得到所有與不重復(fù)的TRJ值對應(yīng)的平均胸徑。

分樹種按徑階計算株數(shù)。采用COUNTIF函數(shù)計算滿足條件的株數(shù)，如“COUNTIF(TRJ值區(qū)域，″=″& 某一TRJ值)”，意為返回與某一TRJ值相等的TRJ值區(qū)域中的所有個數(shù)，即得到與某一TRJ值相對應(yīng)的株數(shù)。逐一計算，得到所有與不重復(fù)的TRJ值對應(yīng)的株數(shù)。

3.2.2 分樹種按徑階計算平均樹高

采用AVERAGEIFS函數(shù)計算滿足多重條件的所有單元格平均值，如“AVERAGEIFS(樹高值區(qū)域，TRJ值區(qū)域，某一TRJ值，樹高值區(qū)域，″>0″)”，意為將所有與某一TRJ值對應(yīng)的樹高求平均值，即得到與某一TRJ值相對應(yīng)的平均樹高。逐一計算，得到所有與不重復(fù)的TRJ值對應(yīng)的平均樹高。

3.2.3 分樹種按徑階計算蓄積

以貴州省現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)為例，杉木、馬尾松、華山松、云南松、柏木、軟闊、硬闊等相關(guān)樹種(類)已有二元立木材積模型，均是以胸徑、樹高兩個因子與立木材積的關(guān)系編制得出，且馬尾松、杉木等存在中心產(chǎn)區(qū)和一般產(chǎn)區(qū)二元立木材積模型的不同，需對樹種分類。

樹種分類。在數(shù)據(jù)計算工作表中，結(jié)合數(shù)據(jù)采集工作表中據(jù)實輸入的樹種名稱手動對樹種進行分類，也可通過IF條件函數(shù)自動計算樹種分類或下拉菜單形式點選輸入樹種分類。

按TRJ計算蓄積。根據(jù)以上步驟得到的與所有且不重復(fù)TRJ值相對應(yīng)的平均胸徑、平均樹高和株數(shù)，結(jié)合樹種分類，采用IF條件函數(shù)計算與每一個TRJ值對應(yīng)的蓄積，如“IF(樹種分類=″軟闊″，軟闊二元立木材積模型計算式*株數(shù))”，意為按照軟闊二元立木材積模型計算式，計算樹種分類為軟闊的TRJ值對應(yīng)蓄積。其他樹種分類以此類推，生成TRJ蓄積區(qū)域，同時，還可以增加多重條件控制起源、產(chǎn)區(qū)等選擇不同的二元立木材積模型。

3.2.4 計算樣地優(yōu)勢樹種及樹種組成

計算各樹種蓄積和樣地總蓄積。首先采用SUMIF函數(shù)計算各樹種蓄積，如SUMIF(樹種名稱區(qū)域，″=″&某一樹種名稱，TRJ對應(yīng)蓄積區(qū)域)，意為對樹種名稱區(qū)域中對應(yīng)于某一樹種名稱的TRJ對應(yīng)蓄積求和，返回結(jié)果即為該樹種的蓄積和。其他樹種以此類推，然后采用SUM函數(shù)對各樹種蓄積求和，即為樣地總蓄積。

計算各樹種組成成數(shù)并排序，作為后面確定樣地優(yōu)勢樹種及樹種組成的過程數(shù)據(jù)。首先利用計算公式“ROUND(某一樹種蓄積*10/樣地總蓄積，0)”即可得到某一樹種的組成成數(shù)(十分法表示)，其他樹種組成成數(shù)以此類推，生成樹種組成成數(shù)區(qū)域。然后采用LARGE函數(shù)對各樹種組成成數(shù)排序，如“LARGE(樹種組成成數(shù)區(qū)域，1)”，意為返回第1個最大值，其他樹種以此類推。

確定樣地優(yōu)勢樹種及樹種組成。以上樹種組成成數(shù)的最大值對應(yīng)樹種即為樣地優(yōu)勢樹種。采用CONCATENATE函數(shù)將各樹種的組成成數(shù)值與樹種名稱按由大到小的順序組合成一個文本字符串，即為樹種組成。

以上方式是按照蓄積確定樹種組成成數(shù)的計算方法，對于竹林、胸徑小于5厘米的幼齡林等特殊情況，也可采用COUNTIF函數(shù)計算各樹種的株數(shù)，按株數(shù)比例確定樹種組成成數(shù)，本文不進行詳細敘述。

3.2.5計算樣地平均胸徑、平均樹高、公頃株數(shù)、公頃蓄積

計算樣地平均胸徑。以上3.2.1已計算出各樹種各徑階的平均胸徑，同理，采用SQRT結(jié)合AVERAGE函數(shù)計算樣地的平均胸徑，如“SQRT(AVERAGE(胸徑平方區(qū)域))”，意為將所有的胸徑平方求平均值后開平方，即得到所有樣木的平均胸徑(平方平均數(shù))。

計算樣地平均樹高。以上3.2.2計算出各樹種各徑階的平均樹高后，利用公式“株數(shù)*平均樹高”計算出某一TRJ值對應(yīng)的樹高株數(shù)加權(quán)值(TRGT)，逐一計算得到TRGT區(qū)域，然后利用公式“SUM(TRGT區(qū)域)/樣地總株數(shù)”即可計算出樣地平均樹高。

計算公頃株數(shù)、公頃蓄積。以上3.2.1已計算出樣地中各樹種各徑階的株數(shù)，采用SUM函數(shù)計算出樣地總株數(shù)，3.2.4已計算出樣地總蓄積。結(jié)合樣地面積與公頃的單位轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出公頃株數(shù)、公頃蓄積，如每畝量乘以15換算成每公頃量。

3.2.6 計算小班指標(biāo)

根據(jù)小班面積和已計算得到的樣地平均胸徑、平均樹高、株數(shù)、蓄積等數(shù)據(jù)可計算小班的相關(guān)指標(biāo)。

3.3 數(shù)據(jù)展示工作表

數(shù)據(jù)展示工作表主要是展示調(diào)查計算成果。通常情況下，森林樣地調(diào)查和計算成果需要整理打印后備查或存檔。需精簡上述步驟中的計算過程，輸出簡潔、明了并包含必要信息的調(diào)查計算成果。本文采用單獨的數(shù)據(jù)展示工作表，主要采用單元格引用方式，將采集和計算成果運用到數(shù)據(jù)展示工作表即可。

4 使用要求

在外業(yè)調(diào)查過程中，必須在數(shù)據(jù)采集工作表中據(jù)實準(zhǔn)確輸入對應(yīng)樣木編號的樹種名稱、胸徑和備注，并確保一一對應(yīng)。樣木數(shù)量不限，但樹種名稱和胸徑不能為空，樹高和備注均可根據(jù)實際情況輸入。

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算階段，必須準(zhǔn)確確定樹種分類。以貴州省現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)為例，杉木、馬尾松、華山松、云南松、柏木等樹種分類均為對應(yīng)的樹種名稱，但軟闊、硬闊包含的種類較多，需結(jié)合樹種特性和相關(guān)規(guī)范性文件據(jù)實確定樹種分類。

5 方法的優(yōu)缺點

5.1 優(yōu)點

簡化工作量。通過本方法開展森林樣地調(diào)查計算工作，外業(yè)只需在數(shù)據(jù)采集工作表中據(jù)實輸入對應(yīng)樣木編號的樹種名稱、胸徑和備注，并根據(jù)計算結(jié)果選擇需要測量樹高的樣木進行測量，無需每木測量，內(nèi)業(yè)只需進行樹種分類。與鄧玉明[4]研究成果中“徑階等數(shù)據(jù)需要手動錄入”相比，本方法可極大簡化工作量。

實現(xiàn)一次性計算出各樹種蓄積和樹種組成。本方法通過分樹種按徑階計算平均胸徑、平均樹高、株數(shù)和蓄積等，進一步計算出各樹種蓄積和樹種組成，與王雍樹[3]、蘇振海等[10]研究成果相比，計算指標(biāo)更豐富，應(yīng)用深度更徹底。

應(yīng)用面廣。本方法不受樣地形狀和面積的限制，只需結(jié)合樣地實際面積與公頃或小班面積的關(guān)系轉(zhuǎn)換計算即可，與馮家祥[1]研究成果中“系數(shù)、胸徑常數(shù)、樹高常數(shù)等均為寫入已有各樹種蓄積量計算系數(shù)和常數(shù)”相比，本方法應(yīng)用面更廣。

可視、直觀、易于理解。EXCEL軟件界面友好[5]，是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)處理和分析軟件[6]，廣大林業(yè)工作者能熟練使用，具有可視、直觀、易于理解的效果。

5.2 缺點

本方法中采用CODE函數(shù)生成樹種名稱的漢字編碼，該函數(shù)返回的代碼對應(yīng)于終端中當(dāng)前使用的字符集，不同的終端可能采用不同的編碼方案，不同的編碼方案返回的數(shù)值不一樣，其排序即不一樣。因此，在不同終端使用時，需注意編碼方案是否相同，若不相同，需調(diào)整生成樹種名稱漢字編碼的函數(shù)。

本方法采用十分法計算樹種組成成數(shù)并確定樹種組成，因四舍五入可能會導(dǎo)致樹種組成成數(shù)之和不等于10的情況，若出現(xiàn)該情況需人為主觀判斷并修正樹種組成成數(shù)。

本方法以貴州省現(xiàn)有地方標(biāo)準(zhǔn)中已有的二元立木材積模型為例計算蓄積，若相關(guān)模型有更新或出現(xiàn)新的材積模型，需手動更新計算模型。

6 結(jié)論

本文基于EXCEL軟件的友好界面和強大功能，主要采用IF、INDEX、MATCH、CONCATENATE、SQRT、LARGE等函數(shù)，基本思路是：(1)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)一次性輸入；(2)分樹種按徑階計算平均胸徑、平均樹高、株數(shù)和蓄積等，并根據(jù)計算結(jié)果計算出優(yōu)勢樹種、樹種組成和樣地指標(biāo)、小班指標(biāo)等；(3)所需結(jié)果一次性全部計算完成并展示在數(shù)據(jù)展示工作表中。使用過程中無需查找任何調(diào)查數(shù)表，相關(guān)計算自動完成，計算精度高，大大提高了工作效率，具有較高的可操作性和實用性。可在國家儲備林、征占用林地、森林采伐設(shè)計等工作中充分使用，是比較成熟的應(yīng)用，效果明顯。