基于TS_PDA森林植物多样性监测方法研究

基于TS/PDA 森林植物多样性监测方法研究
王志杰1,梅盛龙2,李美琴2,鲁小珍3
(11南京林业大学土木工程学院,南京210037;21浙江凤阳山-百山祖国家级自然保护区凤阳山管理处,浙江龙泉323700;31南京林业大学森环学院,南京210037)
摘要:人口剧增、资源粗犷使用,导致全球气候异常变化、生态环境恶劣,与此同时,植物多样性以空前的速度丧失,植物物种的迅速减少及灭绝已影响到人类的生存,开展植物多样性保护工作刻不容缓。

围绕森林植物多样性保护研究的需要,研究植物多样性监测样地布设方法及每木监测技术,利用空间信息技术、植物调查技术,实现植物多样性监测样地控制网布设及监测样方的测设,实现基于TS/PDA 技术每木信息采集与定位一体化作业模式。

关键词:植物多样性;样地监测;TS/PDA
中图分类号:S758;TP39　文献标识码:A 文章编号:1002-6622(2009)02-0118-05
Study on TS/PDA -based Monitoring of Forest Plant Diversity
WAN G ZHijie 1,M EI Shenglong 2,L I Meiqin 2,L U Xiaozhen 3
(11College of Civil Engi neeri ng of NJ FU ,N anji ng 210037,Jiangsu ,Chi na ;21Fengyangshan A dmi nist rative Of f ice of Zhejiang Fengyangshan -Baishanz u N ational N at ure Reserve ,L ongquan 323700,Zhejiang ,Chi na ;31Forest and Envi ronment Depart ment of NJ FU ,N anji ng 210037,Jiangsu ,Chi na )
Abstract :Population explosion and overuse of natural resources have resulted in abnormal change of global climate and deterioration of ecological environment.At the same time ,the plant diversity is lost at an unprecedented speed and the species of plants are decreasing rapidly or some even die out ,which has affected human existence.As a result ,it is urgent to protect plant diversity.According to the re 2quirements of protecting forest plant diversity ,research work focuses on layout of monitoring plots ,single tree monitoring techniqe ,and use of spatial information technique and plant survey technique for laying out of sampling plots and areas for plant diversity monitoring 1
K ey w ords :plant diversity ,fixed sample plot monitoring ,Total Station &Personal Digital Assistant (TS/PDA )
收稿日期:2009-02-20;修回日期:2009-04-13基金项目:“中国森林净生产力多尺度长期观测与评价”研究项目(200804006/RHH )作者简介:王志杰(1980-),男,安徽灵璧人,讲师,博士,研究方向:3S 集成技术。

植物多样性是由植物、植物与环境之间所形成的复合体及与此相关的生态过程的总和。

因此实施植物多样性监测的对象包括两个方面:一是植物个体,一是植物个体存在的外部环境。

对植物个体的监测内容主要集中在植物个体定位、空间形状指标测定及其物种属性信息识别;对植物个体存在外部环境信息的监测主要集中在获取林地的立地环境数据,包括林地的地貌、气候、土壤、水
2009年4月第2期林业资源管理
FOREST RESOURCES MANA GEMEN T April 2009No 12
文等数据[1-2]。

森林植物多样性监测样地多处于森林内部,全球定位系统(GPS)卫星信号受到树冠的遮挡,因此很难做到采用GPS来实施植物个体定位。

而全站仪(TS)具有设站灵活,测量点位坐标方便的优点,固可以采用TS实现对植物个体进行空间定位,并采集植物个体的空间形状指标,同时可以测量植物个体存在的外部环境空间位置数据。

TS可以测量、记录、存储植物多样性相关空间信息,但是无法记录植物多样性相关的属性信息,借助掌上电脑(PDA)可弥补TS的不足。

利用蓝牙数据传输通讯技术使得TS与PDA进行集成,实现植物多样性空间数据与属性数据采集一体化作业模式,以提高工作效率及观测精度,满足科研、生产的需要。

1　监测样地概况
凤阳山自然保护区是浙江凤阳山—百山祖国家级自然保护区的一部分,是浙江省海拔最高、面积最大的以保护典型的中亚热带森林生态系统为主的自然保护区。

地处我国东部湿润亚热带,地理位置独特,地史古老,区内相对较高的海拔和茂密的森林,处于有夏雨的热带—暖温带(海洋性)群落交错的特殊地带。

具有植物区系成分的古老性、植物物种的多样性、珍稀动植物资源的丰富性、环境质量的天然“本底性”,以及较为完整的中亚热带森林植被垂直分布序列。

是揭开华东地区植物区系起源、演化的关键地区,也是研究中国与日本植物区系的最重要区域之一,是《中国植物多样性保护行动计划》重点实施区域之一。

完成占地4hm2的植物多样性监测样地的布设,其中:1hm2为固定样地进行每木监测、立地环境数据获取;3hm2为备用样地,留作其它监测如动物等用。

通过对凤阳山自然保护区进行实地勘察,所选监测样地位于自然保护区的核心区域,具有典型代表性,能够满足凤阳山植物多样性研究的需要。

2　植物监测样地布设
211　植物监测样地布设
植物监测样地控制网是植物多样性监测空间定位的参照系统,为实施每木定位、立地环境数据获取、植物多样性监测与管理提供位置基准,它包括平面和高程控制网。

浙江凤阳山监测样地选在自然保护区的核心位置,树木繁多,地形坡度较大,交通不便,区域内无测量控制点。

针对浙江凤阳山植物监测样地所处的地理位置,以及本地区原有的测量成果,决定采用相对独立的坐标系及高程基准。

根据植物监测样地所处的地理位置相对比较隐蔽,地形变化相对复杂,通视条件较差等特点,平面控制网的布设采用复合导线网形,以此实现对样地的控制。

导线布设时根据树木的疏密程度、通视情况及导线布设规范要求实施。

图1为森林植物多样性监测样地平面控制网布设形式。

采用导线网作为样地平面控制网与三角网布设形式相比,具有以下优点:网中各点上的方向数较少,只有两个方向,因而受通视要求的限制较小,易于选点;导线网的图形非常灵活,选点时可根据具体情况随时改变;网中的边长都是直接测定的,因此边长的精度较均匀。

针对山区等特殊情况下,采用三角高程测量方法建立山区的高程控制网并实施控制点的高程测定。

实践表明电磁波测距的三角高程测量,可以达到四等以上水准测量精度,能满足样地高程控制网的基本精度要求。

本样地高程控制网布设线路与平面控制网一致,如图1所示。

图1　植物多样性监测样地平面控制网布设形式
911
　第2期王志杰等:基于TS/PDA森林植物多样性监测方法研究
212　样方测设
样地采用样方法调查,详细记录相关因子。

基本样地单位面积20m ×20m ,按乔木层、灌木层和草本层分层调查,样地设置见图2所示。

外围边框的面积为1hm 2,即100m ×100m ,这样1hm 2样地就被分为25个样方,这些样方需要在样地边框测设完毕之后测设出来,同时每个小样方还需要再进一步细化为16个规格为5m ×5m 的小样方。

样方测设同样受到外部环境影响,即通视困难,而且样方放样时所采用的方法不同,对放样结果的精度影响也是不同的,同时工作效率也存在高低。

综合考虑放样的精度、效率,我们采用了“一站多向法”的观测方法。

该方法具体实施步骤如下:首先在样地控制测量成果的基础上,实现样地外边框的测设;然后,在外边框的基础上,测定某一样方的顶点,如图2中的A 点,这样在A 点架设全站仪可以实现多个方向的观测,即可放出多个样方顶点的位置,同时可以测出下一个将要设站点的坐标。

应用本方法时,应该沿着与山坡坡向垂直的方向实施测量,这样可以减少劳动强度,提高效率。

本方法的优点在于设站次数少,测量的成果多,因此大大地提高了工作效率和测量的精度。

图2　植物多样性监测样地设置示意图
3　每木监测及立地环境数据采集
利用TS/PDA 集成系统,实施森林植物多样性监测,主要获取监测样地内的每棵树木实施定位数据,同时采集树木物种信息、形态信息及立地环境数据等。

311　每木监测及立地环境数据采集方法与流程
每木定位、属性信息获取及立地环境数据采集,其精确性、可靠性、经济性指标都是衡量森林植物多样性监测优劣的重要指标。

全站仪是集测距、测角及数据自动处理于一体的现代测绘仪器,利用微电脑技术实现全站仪与PDA 掌上电脑的集成,并开发基于嵌入式GIS 技术的森林数据采集系统,借助此系统可以测定样地内每棵树的树心坐标(x ,y ,h )、胸径、树高、冠幅等数据。

样地立地数据的采集、存储与管理一体化,可提高数据采集的效率,保障采集数据的质量。

图3为每木监测及立地环境数据采集与管理方法流程图。

图3　每木监测及立地环境数据采集与管理方法流程图
312　全站仪测树数学模型及其精度分析
根据森林植物多样性监测设计任务,在样地内选择相应的控制点,在每个控制点上选择通视条件
比较好的地面架设全站仪,在树杆上仪器的同侧与仪器高度相当处安置棱镜,进行测量工作。

021林业资源管理第2期　
1)树高测量数学模型。

如图4所示,设全站仪测量棱镜高度处的竖直角β1为,斜距为S ,测量树顶的竖直角为β2,棱镜高度为h 。

通过解析计算可得树高计算公式[3]为:
H =h +S sin β2(cos β1+cos β2)
(1
)
图4　全站仪测量树高示意图
依误差传播定律得:
σ2
H =σ2
h +sin 2
β2(cos β1+cos β2)2
・
σ2
S +S 2
(cos β1cos β2+cos2β2)
2・σ2
+
S 2
sin 2
β1sin 2
β2σ2
(2)
树木测量过程中常采用5″级全站仪,假设其标称精度为:±[5″±(10mm +10×10-6D )],取,σI =±5mm ,σ0=±10″,V 1=-45°,V 2=45°,S =30m ,则有σH =±30mm ,σH /H =1/1400,通过分析可知,利用全站仪测量树高的测量相对精度高于通常要求的5%。

2)树心坐标测量。

利用全站仪测量样地林木空间点位的三维坐标解析计算公式为:
X B =X A +D sin V cos αY B =X A +D sin V sin αH B =H A +D cos V +i -v
(3)
式中:(X B ,Y B ,H B )为待定点B 点(林木树心)三维坐标;(X A ,Y A ,H A )为安置仪器点A 三维坐标;D 为A ,B 二点之间斜距;V 为天顶距;α=α0+β-180°,β为水平角,α0为定向方位角;i ,v 分别为
仪器高和棱镜高,设σβ=σV =σ0,σi =σv =σD ,σD =
a +
b ・D ,若不考虑起始数据及直径d 的误差,依误
差传播定律得:
σ2x B =sin 2V cos 2βσ2D +D 2sin 2V sin 2βσ2
0+ D 2cos 2V cos 2βσ2
σ2y B =sin 2V cos 2βσ2D +D 2sin 2V sin 2βσ2
0+ D 2
cos 2
V sin 2
βσ2
0σ2B =sin 2V σ2D +D 2σ2
D
σ2HB =cos 2V σ2D +D 2sin 2V σ2D +2σ2
i
(4)
对于5″级的全站仪,依(4)式,通过计算得到:σB =±
15mm ,σH =±11mm ,可见利用全站仪进行树心坐标测量的精度较高,可以满足样地树木空间位置监测的要求。

313　每木属性信息采集与管理
由于样地内植物繁多,如果所有属性数据均采
用传统的方法通过表格记录然后录入数据库或电子表格文件,将导致效率及其低下。

因此,针对样地内植物繁多且随着时间的推移样地内植物信息将频繁发生变化的特点,在空间和时间的参照系下合理组织及处理样地监测数据,建立样地植物监测数据库
系统,以解决数据的存储与管理并实施植物多样性变化等时空问题的分析预测。

基于嵌入式GIS 技术开发的PDA 便携式植物监测数据采集系统,可以现场完成对植物多样性数据的采集、存储与管理工作。

所采集的数据成果以主流数据格式存储,便于数据共享。

植物多样性数据库详细的数据结构设计包括地理要素,图层、图像的结构与组织;植物属性表设计,表格字段的基本属性、别名等。

数据库属性数据结构设计如表1、表2所示。

表1　乔木层调查记录表数据结构
乔木树种标识ID 植物名胸径树高枝下高冠幅生活力监测
时间
备注
表2　灌木(草本)层数据结构
样方编号植物名高度多度盖度监测时间备注
……
1
21　第2期王志杰等:基于TS/PDA 森林植物多样性监测方法研究
314　立地环境数据采集与管理
样地的立地环境数据主要包括监测样地处的气候、地质、地貌、土壤、水文、植被等对林木生存、生长有重大意义的生态环境因子数据。

其中地形地貌数据采集的内容主要涉及样地的海拔、坡向、坡位、坡度、坡形、小地形等数据;土壤数据获取主要涉及样地土壤的种类、厚度、性质、母质、发育程度、侵蚀程度、腐殖质含量等数据;水文数据采集的内容主要涉及样地的地下水位高低、矿化度、季节变化,积水状况,土层含水量及变化等数据;生物数据采集的内容主要涉及样地的植被状况,病虫害程度等。

同时还要获取样地处的人为活动的相关信息,如土地利用历史、现状等。

对需要采集的数据,进行分类,然后采用不同的方法进行采集。

由于不同的采集方法对应一定的技术手段和工具,导致所获取的数据具有多源异构的特点,所以仍需对数据进行处理,处理方法包括数据格式的转换、数据融合等。

最后再将处理后的数据用森林植物多样性监测样地立地环境数据库统一管理[4]。

4　小结
由于森林资源存在着地域分布的差异性,如海拔高度、经纬度的地带差别,可以认为森林在结构上存在空间复杂性,由此带来了森林资源经营和管理的难度。

面对此问题,利用空间信息技术,通过对设置的固定样地进行长期定时观测和信息采集,在获取了大量的森林空间信息的基础上,分析保护区植物多样性的动态变化趋势和人为干扰影响程度,从而对保护区的保护管理措施的有效性进行评估,为完善保护区的管理提供科学的依据,以达到自然保护区周边地区的土地利用和森林及植物多样性资源的持续管理的目的。

参考文献:
[1]王为民,布朗姆,吴训锋,等.自然保护区综合管理探索与实践
[M].云南:云南科技出版社,2004.
[2]蔡体久,姜孟霞.森林分类经营———理论、实践及可视化[M].北
京:科学出版社,2005.
[3]冯仲科,赵春江,聂玉藻,等.精准林业[M].北京:中国林业出版
社,2002.
[4]李芝喜,孙保平.林业GIS[M].北京:中国林业出版社,2000.
221林业资源管理第2期　。