“3S”技術(shù)在廣西國有東門林場森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中的應(yīng)用初探

文澤茂 張朋貴 唐華

摘要：森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查是以國有林場為單位，以清查區(qū)域內(nèi)森林資源動態(tài)變化，確定經(jīng)營成果為目的的活動，能夠為基層單位編制森林經(jīng)營方案、編制采伐限額提供依據(jù)。但是，傳統(tǒng)調(diào)查方法效率低、耗時長，不適宜精準林業(yè)建設(shè)需求，利用新技術(shù)開展調(diào)查勢在必行?；诖?，本文簡要探討森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查“3S”技術(shù)，對總體蓄積量調(diào)查、小班區(qū)劃調(diào)查、制作專題圖予以分析，并探究“3S”技術(shù)應(yīng)用效果，以期為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：廣西國有東門林場；“3S”技術(shù)；森林資源規(guī)劃；設(shè)計調(diào)查

廣西國有東門林場處于廣西南部，是亞洲最大桉樹基因庫，素有“中國桉樹看廣西，廣西桉樹出東門”之美譽。林場總經(jīng)營面積4.37萬hm2，森林蓄積量260萬m?，每年可采伐木材30萬m?。為優(yōu)化林場經(jīng)營管理，需立足于森林資源規(guī)劃調(diào)查更新資源檔案，實施森林資源資產(chǎn)化管理與生態(tài)效益補償，制定科學(xué)林業(yè)發(fā)展規(guī)劃。而在森林資源調(diào)查中，考慮其多分布于山區(qū)，存在交通不便、地形復(fù)雜的問題，傳統(tǒng)調(diào)查方法效果低、花費時間長，可采取“3S”技術(shù)，提高調(diào)查工作效率及質(zhì)量。

1 森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查“3S”技術(shù)

1.1 遙感技術(shù)（RS）

RS技術(shù)是從外層空間或高空接收地球表層地物電磁波信息，通過攝影、掃描、傳輸、處理等方法，對地表現(xiàn)象及地物開展遠距離測控識別的技術(shù)。該技術(shù)能夠觀測預(yù)報氣象氣候、監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量、調(diào)查森林資源、預(yù)測病蟲害、估測作物產(chǎn)量等，反映水體灰階、色調(diào)、紋理、形態(tài)等特征，結(jié)合影像特征識別濃度、面積等[1]。RS技術(shù)能夠用于環(huán)境監(jiān)測、國防軍事、測繪地圖、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)，具有動態(tài)反映地物變化、探測范圍廣、綜合性數(shù)據(jù)獲取等特點。

1.2 地理信息系統(tǒng)（GIS）

GIS是管理地理信息的專業(yè)軟件系統(tǒng)，不僅能分級分層、分門別類管理地理信息，將其重組分析、組合分析等，還能更新、輸出、查詢與檢索。該技術(shù)具備“可視化”功能，利用屏幕將信息展現(xiàn)于遙感影像上，作為信息可視化工具，直觀展現(xiàn)信息規(guī)律，也能動態(tài)監(jiān)測“信息”變化[2]?？梢?，GIS擁有數(shù)據(jù)輸入、編輯、預(yù)處理、檢索、查詢、存儲、更新等功能，是信息“大管家”，由分析應(yīng)用模型界面、空間數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)軟件構(gòu)成，多用于生態(tài)規(guī)劃、精確農(nóng)業(yè)、數(shù)據(jù)庫建立、區(qū)域規(guī)劃等方面。

1.3 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS的核心是位于兩萬里高空的衛(wèi)星，可在地球任何地方、任何時間精準檢測用戶所需的時間、速度、位置等信息，多用于森林資源測量、農(nóng)業(yè)測量、漁業(yè)資源測量等，保證空間定位精準度。該技術(shù)具有不受天氣影響、全球覆蓋、定時定速精準度高、可移動定位、多功能、高效率特點。

2 森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中“3S”技術(shù)的應(yīng)用

2.1 調(diào)查要求

東門林場森林資源調(diào)查中，要求在原有林地系統(tǒng)上，核對境界線，對原區(qū)劃不合理或是產(chǎn)生變化的地方重新調(diào)整，對于場外造林以分場為單位開展調(diào)查；調(diào)查林地不同類型的面積；調(diào)查有關(guān)森林資源的生態(tài)環(huán)境及自然地理因素；調(diào)查各類林木、森林蓄積；調(diào)查森林經(jīng)營條件、措施及成效；調(diào)查森林消耗量與生長量。根據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》，確定商品林小班調(diào)查允許誤差是A等級，總體蓄積量抽樣精度90%，生態(tài)公益林小班允許誤差B等級[3]。

2.2 總體蓄積量調(diào)查

2.2.1 總體樣本單元

東門林場在總體蓄積量調(diào)查中，抽樣總體為總面積，采取系統(tǒng)抽樣方法控制調(diào)查精度，樣本單元數(shù)量公式如下：

其中，t是可靠性指標，95%可靠性時取值1.96；n是樣本單元數(shù)；E是蓄積量允許相對誤差；C是蓄積量每公頃變動系數(shù)。N值通常增加安全系數(shù)10%～20%，結(jié)合以往東門林場調(diào)查數(shù)據(jù)，確定蓄積量每公頃標準差110.1，變動系數(shù)0.82，相對誤差在10%以下，增加安全系數(shù)10%，則樣本數(shù)量是283。

2.2.2 布設(shè)樣點

基于GPS與GIS的樣點布設(shè)，需確定樣點距離，公式如下：

其中，A是總體面積；L是樣點間距；n是樣本數(shù)。通過計算確定距離，取整數(shù)200 m。在布點過程中，采取公里網(wǎng)加密閥，按照200 m×200 m間距，布設(shè)287個樣地，將其編號，采取arcgis軟件布點，借助arcmap添加?xùn)|門林場地質(zhì)地形圖進行配準，進而添加林班邊界矢量圖、林場邊界及287電子樣點坐標，利用XY數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)化為圖層點對象，導(dǎo)出地圖，部分點位布置見圖1。

2.2.3 樣點定位

樣點定位中，采取GPS導(dǎo)航法，確定樣點地面，借助地形圖坐標計算高斯平面直角縱坐標與橫坐標，考慮公里網(wǎng)橫線有Y坐標、縱線有X坐標，可直接根據(jù)已知坐標查定、計算位置點距離[4]。例如，公里網(wǎng)線交叉點在地形圖上坐標（2707000，36640000），結(jié)合樣點間距，沿交叉點水平方向，右側(cè)200 m將有樣點，其坐標是（2707000，36640200）?？紤]GPS坐標格式為經(jīng)緯度，樣點坐標計算為高斯平面直角坐標，需對其進行轉(zhuǎn)換，使其根據(jù)高斯平面直角坐標構(gòu)建航點。在輸入?yún)?shù)時，輸入南北偏移量0 m，東西偏移量

500 000 m，投影比例1，中央經(jīng)線108°。

坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方面，將WGS84轉(zhuǎn)換成東門林場坐標，采取平移三參數(shù)方法，步驟如下：

（1）arcmap地形圖上，4個公里網(wǎng)線交叉點作為控制點，配準東門林場坐標系，構(gòu)建土層計算特征點經(jīng)緯度、海拔等。

（2）按照海拔、經(jīng)緯度坐標，以下列公式確定東門林場空間直角坐標，公式如下：

其中，a是東門林場地球橢球長半徑；H0是坐標系海拔；L0是坐標系經(jīng)度；B0是坐標系緯度；e2是地球橢球扁率。

（3）實地尋找東門林場特征點，利用GPS接收機確定經(jīng)緯度坐標、海拔，將其在地形圖上矢量標注出來，進而計算WGS84直角坐標。

（4）根據(jù)WGS84直角坐標，減去東門林場三維直角坐標，獲得三組平移參數(shù)，△X、△Z、△Y。

在GPS導(dǎo)航上存點，將樣地高斯投影坐標錄入其中，使用地圖導(dǎo)航，確定實地樣地位置。

2.2.4 調(diào)查樣點

在調(diào)查樣點中，以樣點為核心，對樹種開展角規(guī)控制檢尺寸，角規(guī)系數(shù)取1，周圍樹種選擇3～5個平均木，利用激光測高器確定樹高，以標準表確定形高，以角規(guī)控制檢尺確定每公頃斷面積，與形高相乘確定蓄積量[5]。

2.3 小班區(qū)劃調(diào)查

東門林場采取小班、林班、林場規(guī)劃系統(tǒng)，基于“3S”技術(shù)獲取衛(wèi)星圖像，判讀區(qū)劃小班，結(jié)合小班劃分依據(jù)重新勾繪。

2.3.1 衛(wèi)星圖像獲取

東門林場使用衛(wèi)圖助手，根據(jù)標準圖1∶1比例獲取高斯投影衛(wèi)星圖像，分辨率1 m以內(nèi)。在衛(wèi)星影像圖內(nèi)輸入平移三參數(shù)，獲得林場坐標高斯投影。

2.3.2 目視解譯標志

目的是為小班區(qū)劃目視解譯提供標準、統(tǒng)一的判讀依據(jù)，結(jié)合東門林場衛(wèi)星圖森林分布、地種類特點，選擇代表性地段，結(jié)合GPS導(dǎo)航與微信圖像實地對照考察。以此構(gòu)建不同年齡組、樹種組、郁閉度、土地種類的解譯標志，填寫解譯標志表，描述地塊形狀、紋理、顏色、圖形等特征。之后，利用arcmap添加?xùn)|門林場衛(wèi)星影像圖與高斯投影配準，做好林班矢量圖與格柵地形圖層，通過“數(shù)據(jù)—導(dǎo)出”方式，命名成“小班面圖層”添加至地圖窗口，編輯小班面圖層。此過程中，安排專人結(jié)合衛(wèi)星圖紋理、顏色、圖案、形狀等特征，結(jié)合目視解譯標志，明確小班劃分方案。

2.3.3 計算小班面積

在arcmap布局中，做好版面及頁面設(shè)置，導(dǎo)出地形圖后，手持外業(yè)工作圖，借助GPS定位進入現(xiàn)場開展實地驗證，確定小班區(qū)劃判讀正確性，進而重繪小班。而計算小班面積中，以往采取求積儀法或透明方格點數(shù)法。東門林場可使用arcmap系統(tǒng)軟件計算，步驟如下。

（1）在arcmap內(nèi)添加小班圖層、柵格地形圖，編輯小班圖層，利用編輯工具的裁剪面工具、整形要素、編輯折點切割小班或改變其形狀，進而合并操作，保證小班邊界符合外業(yè)驗證結(jié)果。

（2）檢查重疊縫隙，由于相鄰小班可能有縫隙或重疊區(qū)域。如果有縫隙將漏算面積，減少森林資源量；如果有重疊將會重復(fù)計算，導(dǎo)致面積結(jié)果較大。所以，拓撲檢查小班圖層，檢查是否有縫隙或重疊做好處理工作。

（3）小班面積計算時，打開圖層屬性表，將面積字段添加其中，設(shè)置字段數(shù)據(jù)類型開展幾何計算，以公頃為單位，獲得小班面積。

（4）控制面積平差，比較相同林班內(nèi)控制面積與統(tǒng)計面積，如果兩者相同，則認可小班面積，相對誤差＜1%需面積控制平差，將每個小班面積與平差系數(shù)相乘，獲得平差面積。

2.4 制作專題圖

在專題圖制作中，利用arcgis軟件，繪制林相圖、林班圖、基本圖、森林分布圖等，為森林資源規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)。以基本圖為例，包括林場、林班、小班線圖層，步驟如下。

（1）構(gòu)建柵格地形圖與林班、小班、林場線圖層。

（2）在地圖內(nèi)點擊添加按鈕，將所有基本圖層添加其中，按照點、線、面、底進行排序。

（3）設(shè)置小版面土層、填充顏色、輪廓線顏色等，做好標注工作，包括林班面積、林班號、林場名稱、樹種、小班號、造林年度、面積等。對于農(nóng)地、無立木林地、宜林荒地及其他土地，僅標記土地種類、小班號、小班面積即可。

（4）剪裁區(qū)域制作，描繪地形圖內(nèi)輪廓，填充顏色和輪廓線設(shè)置為無色，選擇空白內(nèi)輪廓，點擊數(shù)據(jù)框，啟用剪裁選定內(nèi)輪廓裁切。

（5）布局視圖制作，點擊數(shù)據(jù)框菜單，用左鍵向下拉至新建數(shù)據(jù)框，取消圖層地圖可視性，選擇新框圖，設(shè)置1∶10000比例尺，檢查林場、林班、小班境界線吻合性，不吻合需要重新調(diào)整比例尺。

（6）插入圖銜落款、圖頭名稱、指北針及比例尺，另存地圖文件。

3 森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中“3S”技術(shù)的應(yīng)用效果

3.1 提高工作效率

在東門林場抽樣調(diào)查中，采取GIS技術(shù)布設(shè)樣點，利用arcgis軟件制作，與傳統(tǒng)手工布點相比，樣點分布更整潔、美觀、規(guī)范、準確，縮短布點時間，有效提高工作效率。并且，在樣點定位時使用GPS技術(shù)，相比傳統(tǒng)目視定位，考察調(diào)查人員判圖、視圖能力，容易出現(xiàn)周圍地貌地物不顯著，導(dǎo)致定位樣地誤差較大情況。GPS導(dǎo)航定位有效彌補目視定位不足，觀測時間短、精確度高、操作便利。特別是GPS導(dǎo)航接收機，良好環(huán)境下單點單機定位精度優(yōu)于10 m，且可以免費使用衛(wèi)星信號，準確性、先進性較強。但是，GPS導(dǎo)航定位時，普通GPS電池續(xù)航不足，且受茂密森林影響，接收信號較弱，不如無立木和空曠宜林地。為此，GPS接收機需配置大容量鋰電池，選用測地形接收系統(tǒng)，與移動站、基準站構(gòu)成PTK模式，以載波相位差分技術(shù)定位，控制誤差＜1 m。

3.2 增強數(shù)據(jù)精準度

在東門林場中，調(diào)查小班298個，綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)，以衛(wèi)星影像圖與1∶10000地形圖疊合完成小區(qū)規(guī)劃，實地驗證區(qū)劃準確無誤，正確率97.5%，符合林業(yè)生產(chǎn)需求。傳統(tǒng)小班區(qū)劃中，采取地形圖勾繪小班或邊界，受限于森林資源以山區(qū)為主，地形復(fù)雜、交通不便、氣候惡劣，調(diào)查難度高，為保證小班區(qū)劃準確，要求人員體力充沛、經(jīng)驗豐富、技術(shù)過硬。但是，部分人員缺乏工作經(jīng)驗，面對復(fù)雜地形可能看錯位置，無法尋找開闊視野觀察點，降低勾繪小班效率與質(zhì)量。在“3S”技術(shù)應(yīng)用下，采取衛(wèi)星影像圖與地形圖疊加，目視解譯小班區(qū)劃，有效縮短工作時間。

而相比無人機攝像方面，其具有以下優(yōu)點。一是成本低，“3S”技術(shù)可直接利用軟件獲取衛(wèi)星影像圖。而固定翼無人機影像處理軟件、相機、硬件、人員培訓(xùn)費用高達10 000～2 000 000元。二是使用便利，部分地區(qū)未開放低空管制，操作無人機需要報備手續(xù)，遇到大風與陰雨天氣無法飛行，而利用“3S”技術(shù)則無此顧慮。三是技術(shù)操作門檻低，衛(wèi)星影像圖與地形圖疊加操作便利，人員可獨立完成。操作無人機對人員要求高，需要2～3個人員經(jīng)過專門培訓(xùn)。

4 結(jié)語

森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查目的是清查林木、林地、森林資源數(shù)量、種類及質(zhì)量分布，對林業(yè)發(fā)展規(guī)劃制定、森林資源管理具有重要意義。但是，以往森林資源調(diào)查效率低、周期長，卡、表、圖分離，無法及時更新數(shù)據(jù)。因此，廣西國有東門林場森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查中，應(yīng)按照調(diào)查需求，合理應(yīng)用RS、GPS、GIS技術(shù)，準確掌握森林總蓄積量、小班區(qū)劃等情況，有效提高管理水平。

參考文獻

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