测树学实验指导书

《测树学实验》指导书
李凤日编
二00五年三月
实验一测树工具的使用
一、目的
熟悉和掌握几种常用的测树工具的构造、原理及使用方法。

二、仪器、用具
轮尺、围尺、勃鲁莱测高器、超声波测高器、DQW—2型望远测树仪、二米测竿、记录夹、记录用表、计算工具。

(
1
(组距)为
防止倾斜，否则，易产生偏大的误差。

(二)测高器
测高器的种类较多，但根据原理大体可分为两大类：一类是利用几何相似形原理设计的，如克里斯顿测高器，圆筒测高器等；另一类是利用三角原理设计的，如勃鲁莱测高器等。

1．几何原理测高：如图1-2所示，当BC//B’C’时，则有：
若EC、B’C’，为定长(一般EC用2m测竿, B’C’用30cm测尺取代)，则将BC(树高) 值代入上式，(树高)值代入上式，即可计算出相应的E’C’值。

若将一系列的BC(树高)值刻划在相应的E’C’位置，即可从测尺(B’C’)上直接读出树高(BC)
值。

克里斯顿测高器就是利用上述关系设计的。

使用时，只需将二米测竿垂直立于树基部(或在树干上标2m高度)，然后，选择一个能同时望见树梢和树脚及二米测竿顶的地方，用大拇指和食指轻提仪器，让其自然下垂，与树干平行，屈伸手臂，使仪器上、下钩正好卡住树梢及树基，保持仪器和头部不动，迅速瞄视测竿顶端，这时，视线所通过的仪器刻度值即为树干的全高。

图1－2 克里斯屯测高器测高原理示意图图1－3 克里斯屯测高器及其刻度
这种测高器具有用法简单，携带方便，测高时不用量水平距离等优点，对16m以下的树木测定结果比较准确，但掌握不熟练时，可能出现较大的误差。

据h
图
1－6在坡地上测高
(三)多用测树仪
近二、三十年，多用途的综合性测树仪的研制取得了较大的进展，这类测时仪能测定树高、立木任意部位直径、水平距离、坡度、每公顷断面积等多种因子。

我国常见的有LC-1型和LC-2型林分速测镜，DCW-3型光学测树仪、DQW-2型望远测树仪等。

此处仅就DQW-2型望远测树仪作简要介绍。

DQW-2型望远测树仪其结构如图1-7。

原理是用显微投影的标尺，测量经望远镜放大了的目标，通过光学系统，成象在一个焦平面上，以相似形定理和三角函数作为测量原理。

使用时，将仪器固定在三角架上，按下制动纽，待鼓轮静止后，通过目镜可见到圆形视场(图1-8)被准线分为上下两部分。

上半部是观测目标，下半部是测量各因子用的标尺。

图1－7 DQW-2型望远测树仪2C l ——观测树顶梢H 尺上的读数(格)； C 。

——观测树基部H 尺上的读数(格)。

(2) 标定中央直径的部位：当仪器对准中央直径时，H 尺的读数应该是：
2
12
1C C C -=
（H 尺读数为异号时），
2
2
12
1C C C -=
（H 尺读数为同号时）。

将此读数调至准线上，这时，准线与树干相截的位置即是中央直径部位。

目镜组制动纽
选光窗连接螺母 制动螺丝弯头
微动架 罗盘仪架头
连接坐
商标
丝堵
图1－8 圆形视场 图1－9 司尺 图1－10 测距
（
) 提交测径、测高及误差计算结果(用表1—1)。

测距读数
零线对齐
测高尺
坡度尺
表1-1 树木胸径、树高测定计算表
实验二 伐倒木材积测定
一、 目 的
1．学会用树干上几个必要的直径值绘制树干纵剖面图(削度图)的方法； 2．掌握用中央断面、平均断面求积式及其区分求积式计算树干材积的方法；
3．了解标准木(样木)卡片的内容。

二、 资料、仪器及辅助用表
1.计算机
2．30×20cm 方格纸一张及必要的绘图仪器； 3．标准木卡片(见用表2-1)；
1） L
）
计
性插值公式计算树高2m 、4m ……等高度处的直径，并计算出该直径的相应断面积代入下式计算树干材积。

l g g g V n n )21
1
10∑-++=）（平均
，''31l g V n = （3）
式中：l ——区分段长
'
l ——梢头长。

再加上梢头材积即为树干总材积。

四、 思考题
1．这次实验所用四个公式计算的树干材积是否相等?如不相等，是否
能简单的说明一下理由?
2．能否利用树干纵剖面图，直观的描述一下树干的纵剖面形状?
3．实际进行造材时除考虑树种、材种的长度和粗度外，还要考虑什么?为什么?
4．用区分求积式计算的各材种材积，与由原木材积表查出的各材种材积值是否一致?能叙述不一致的理由吗?
五、实验报告
1.树干纵剖面图
2．各种公式计算树干材积的结果(表2—2)。

4．按区分求积式计算各材种带皮与去皮材积的结果记入标准木卡片
用表2-1（续）
用表2—2各公式计算树干材积表
本实验分组进行，每小组6-7人。

(一)外业
1．选择标准地的基本原则:
(1)在哈尔滨实验林场对所调查林分作全面踏查，掌握林分的特点，选出具有代表性的，即林分特征及立地条件一致的地段设置标准地。

(2)标准地不能跨越河流、道路或伐开的调查线，且应远离林缘。

(3)标准地面积：按标准地上林木株数的多少为标准。

如近熟和成熟林应有100株以上，中龄林150株以上，幼龄林200株。

一般先用400m2的小样方查数株数，再按上述标准推算满足要求的标准地面积。

(4)标准地形状：一般用矩形或方形。

差
，
地的标桩，粗12—14cm，长1.2m，埋入地下50cm。

3．标准地调查：
(1)每木调查：
在标准地内分别树种、活立木、枯立木、倒木，测定每株树木的胸径的工作，称每木调查(或每木检尺)。

①径阶大小的确定：林分平均直径6—12cm，采用2cm为一径阶；林分平均直径在12cm以上，以4cm为一径阶，人工林可用1cm为一径阶。

②确定起测径阶：检尺时最小径阶称为起测径阶，小于起测径阶的树木称为幼树。

一般调查时，天然成过熟林起测径阶为8cm，中龄林4cm，人工幼林1或2cm。

径时应注意：
a．必须测定距地面1.3m处直径，在坡地量测坡上1.3m处直径。

b．轮尺必须与树干垂直且与树干三面紧贴，测定胸径并记录后，再取下轮尺。

c. 遇干形不规整的树木，应垂直测定两个方向的直径，取其平均值。

在1.3m 以下分叉者应视为两株树，分别检尺。

d ．测定位于标准地境界上的树木时，本着北要南不要，取东舍西的原则。

e. 测者每测一株树，应报出该树种、材质等级及直径大小，记录者应复诵。

凡测过的树木，应用粉笔在树上向前进的方向作出记号，以免重测 a ．标准地每100m 2测一株树高最高、树冠完整的树木； b ．将标准地大致分为几个小区，每区选一优势木测高；
c ．优势木平均高n
H
H n
i ∑=1
i
优优＝
④ 用勃鲁莱测高器测高，精确到0.5m 。

幼林可用特制测竿测高，必
须有专人观察测竿是否正确达树顶，不得由持竿人在树下估计，用测竿测高精确到0.1m 。

⑤ 树冠测定：
对测高，样木要测枝下高(b H )和冠幅(w C )。

枝下高精确到0.5m 。

冠幅要求按东西、南北二个方向量测，精确到0.lm 。

② 树冠投影法：
在方格纸上绘制标准地树冠投影图，从图上求出投影面积和准地面积，用下式计算之：
式中：c ——郁闭度；
C S ——林冠投影面积；
S——林冠空隙面积；
O
S——标准地面积。

T
(5)选伐标木(样木)和解析木：
①根据平均木或不同的调查目的选取标准木或解析木。

将标准木所在林分状况记入准木卡片。

、
标准地内四角及中心各设一块1×1m的样方。

设置好样方后，要估测一下总盖度、营养苗(即仅带枝叶的营养休)及生殖苗(具花或果实的苗)的平均高度。

记录样方内所出现的全部植被名称。

对每种植被作如下数量指标调查；
a. 密度：密度是与多度意义相近的一个指标。

它是脂单位面积内某种植物的个体数目。

测时即数每一平方米样方内所测植物的株(或从)数。

b．盖度；指植物地上部分(枝叶)的垂直投影，以覆盖面积的百分比表示(它相当于林业上所用的郁闭度)。

盖度可分种盖度(又叫分盖度)、层盖度及总盖度(群落盖度)。

要求测定每种植物的种盖度(由于植物枝n十相
互重叠，各种之种盖度之和常大于总盖度)。

c．高度：植物高度说明植物的生长情况、竞争和适应能力。

对每种植物种高度的测定，应分营养苗及生殖苗分别测定，注意测量的自然高度应取平均值。

d．物候相，即指植物随气候条件按时间有规律的变化而表现出的按一定顺序的发育期。

可分营养期、花蕾期，开花期、结实期和果后营养期等几个阶段。

e. 生产力：指植物的生长状况，它是一个相对指标。

可分强、较强、中等、较弱及弱填写，其记载形式举例如上：将植被(幼树、下木及活地被物)调查结果，填用表5—5中。

⑧土壤调查：在标准地内选择有代表性的位置，挖土坑，记载土壤剖面(详见“土壤调查表”)。

④更新调查：可用小样方或其它方法调查与记载树种、年龄、平均高、分布状况及密度等。

⑤病虫害及其它情况的记载。

(7)清理林场，以保持林内环境卫生。

4．进行目测练习：
)：
(3)胸径、树高、材积生长率的计算：．
(4)计算形数：
(5)计算形率：
式中
d——H/4、H/2、3H/4处的直径
i
(6)计算树皮材积及树皮率：
树皮材积=V
带皮-V
去皮
树皮率％
带皮
皮
V
V
（7）材种材积的计算（详见实验二）。

2．标准地各调查因子的计算：
（1）林分平均直径：
被标准地面积除，即换算成每公顷株数与断面积。

（5）蓄积量：（详见实验八）
(6)树种组成：按各树种蓄积量(或断面积)占总蓄积量(或总断面积)的成数计算，并用十分数表示(如8落2桦)。

（7）疏密度：
疏密度积量）
标准表上断面积（或蓄量）标准地断面积（或蓄积
(8)标准地各径阶各材材积及材种出材率的计算(详见实验二)。

① 根据林分平均年龄、平均高查地位级表确定地位级。

② 根据优势树种平均年龄及上层木平均高，查该树种地位指数表确定地位指数。

－
用表5－1 标准地调查簿标准地
林场
I. 林地概况
1.
4.
II.
1.
月
3.
4.
月
6.
7.
8.
III
1
IV
V
VI
VII、其它月日
用表5－3每木检尺及测高记录表
树种：
调查日期：年月日调查者：
实验四、绘制树高曲线
一、目的
1．熟悉资料的整理方法；
2．掌握随手曲线的绘制技术和曲线调整方法；
3．学会采用数式法利用计算机绘制树高曲线。

二、仪器用具
1) 建立数据库
将标准地调查所测定的林木胸径和树高建立计算机数据库，每株树作为一条记录，作为建立树高曲线的基础数据。

本实验也可以采用表4－1所提供的樟子松人工林树高测定数据（文件名为ZzsH-D.xls）.
表4－1 樟子松人工林树高测定数据序
号胸径树高
序
号
胸径树高
序
号
胸径树高
序
号
胸径树高
111.9 6.90 2112.5 10.40 4118.2 10.00 6115.5 10.95 28.6 6.75 2211.0 10.25 4214.8 9.65 6213.2 10.90
1510.3 9.00 3514.3 15.10 5520.9 14.90 7527.5 19.00 168.5 7.65 3620.7 16.50 5610.5 10.20 7625.2 18.35 17 6.5 7.40 3717.2 14.90 5710.3 8.95 7724.2 19.00 1810.5 10.00 3815.2 13.60 5810.9 8.60 7822.8 19.15 199.7 8.95 3913.2 14.10 5920.0 11.30 7919.9 18.15
2015.7 10.75 4010.7 14.20 6018.2 11.65 8020.1 11.60 2）异常数据的剔除
基础数据是总体中的一组样本，如有个别过大或过小的异常数据混杂进去，会影响拟合曲线的精度。

为此，必须剔除异常数据以提高曲线的质量。

异常数据的剔除过程分两步进行：首先，用计算机绘制各自变量和因
树种：樟子松起源：实生
=1i
∑=∆
=
∆k
i i
f
1
（4-2）
式中：∆—离差代数和；
和模型。

但是，对于多个自变量的问题，由于变量之间的相互影响很难确定候选模型。

分析者可以根据以往类似问题的研究结果，并通过分析各个自变量和因变量的散点图来确定。

迄今为止国内外提出了上百种树高曲线模型，表4－3中仅列出了具有代表性的22种树高曲线方程。

实际工作中，可以根据不同的树种选用
这些树高曲线方程。

2）参数的估计及统计推断
测树学中许多模型，如树高曲线、削度方程、树木生长方程及收获模型等，均属于典型的非线性回归模型，估计参数时需采用非线性最小二乘法（详见有关文献）。

许多高级统计软件包，如SAS、SPSS、Statistica、
7 Hossfeld (1822)
8 Bates and Watts (1980)
9 Loetsh 等人 (1973)
10 Curtis (1967)
11 Curtis (1967)
12 Levakovic (1935) c
d D a
H )b 1(3.1-++
=，d=1,2或其他
常数 13 Yoshida (1928)
14 Ratkowsky and Reedy
(1986)
15 Korf (1939)
16 修正Weibull （Yang,
拟合统计量作为比较和评价备选模型的标准。

各统计量的表达式和具体比较方法如下：
1） 残差均方（MSE ）
)/(p n SSE MSE -= (4－3)
MSE 统计量广泛地用作选定模型的标准，一般选择具有最小MSE 值的
备选回归作为最终模型。

然而，当分析者的目的在于估计参数或者是选定一个模型用于外推的目的，这种方法是最适合的；如果分析者的目的是为了选择一个用于提供可靠估计值的模型（林业上的回归分析多为此目的），MSE 统计量可能应该按以下方法使用。

① p 值很大时，绘MSE 对应于p 个变量的关系图，MSE 值通常围绕着
24) 然而，有一个点，它是R 2值急骤下降的起点，这个点对应p 值相应的模型常被定为最终模型。

3） 修正的相关指数（2a R ）
()
⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛----=SST n SSE p n n R R a 1111122
(4－5) 这个统计量基本上与MSE 等价，MSE 更便于解释。

因此，作为选择模
型的标准，MSE优于2
a
R。

4）预测平方和统计量（PRESS）
以上介绍的几种基于预测的统计量都有一个共同的缺点，即在计算某点的预测偏差时，该点曾在建立回归模型时已经使用过。

PRESS统计量克服了这一缺点：
6)
值
5）Akaike 信息量准则（AIC）
AIC统计量应用比较广泛，即可用于时间序列分析种的自回归阶数的确定，也可用于回归自变量的选择。

()p
SSE
n
AIC-
-
=ln
2
(4－7) 采用AIC选择模型的标准是选择使（13－55）达到最小的自变量子集。

在各备选回归模型中，这5个统计量作为反映拟合程度优劣的指标，
值大的方程。

考虑将这分析者将寻求当MSE、PRESS和AIC值小，R2和R2
a
些统计量作为评价备选回归模型的标准时，应区别两种不同情况：
①所需评价的各种模型具有相同的变量个数（p在被评价的模型组内是个常数）。

作为最佳树高曲线模型，并对所确定的方程进行残差分析。

采用数式法拟合树高方程时，因树高变化很大，一般应选试几个回归曲线方程，从中选择拟合效果最佳的一个方程作为树高曲线方程。

当树高曲线方程确定后，将林分平均直径（
D）代入该方程中，即可求出相应的
g
林分条件平均高。

同样，若将各径阶中值代入其方程时，也可求出径阶平
均高。

四、思考题
1．树高曲线的变化规律？
2．树高曲线方程的性质？
五、实验报告
1．随手绘制的树高曲线。

2．4－5个树高曲线模型的参数拟合结果。

林分地位质量，实际上，就是不同的林分都以在标准年龄（A
）时的优势
I
木平均高作为比较林地生产力的依据。

地位指数表，通常应用于同龄林或相对同龄林分评定地位质量，一般分别地区、分别树种编制地位指数表。

使用地位指数表时，先测定林分优势木平均高和年龄，由地位指数表上即可查得该林分林地的地位指数级。

例如，小兴安岭红松天然林地位指数表（表5—1）基准年龄为100年（A
=100
I 年），某现实红松天然林，林分年龄为120年，优势木平均高为25m，由表5—1和图5—1中可查得地位指数为“22”，这意味着该林分在标准年龄（100年）时优势木平均高达22m，表明该红松天然林地的生产力较高。

与地位级法相比，地位指数是一个能够直观反映立地质量的数量指标，
1. 资料的收集
（1）确定标准地的数量
根据未来用表地区范围的大小及编表树种的生长状况，确定标准地的数量，一般要求每个树种在300块以上为宜。

在编表地区内，分别树种，在不同年龄、不同立地条件（如地形、地势、坡度、坡向、坡位或各种土壤类型）上设置标准地。

7
地或样地内所选测树木树高平均值作为优势木平均高。

③在林分中测定20株以上的优势木（含亚优势木），以其平均值作为优势木平均高。

④测定3—6株均匀分布在标准地或样地内的优势木树高，以其平均值作为优势木平均高。

选测优势木的方法很多，原则上编表和使用表时选测的方法一致。

当前国内外多采用在林分中每100m 2
选一株最高（或最粗）的树木作为优势木。

根据我国试验结果，认为每个标准地内选测3株优势木树高，其算术平均高作为优势高的效果较好。

（5）选伐解析木
用编表数据对某一导向曲线拟合，并绘制模型预估值(i y
ˆ)与标准化残差(
MSE
y
y i i ˆ )之间的残差图。

在残差图中，超出±2倍标准差以外的数据作为极端观测值予以剔除。

3．导向曲线的拟合
在林分优势高生长曲线簇中，有一条代表在中等立地条件下，林分优
势高随林分年龄变化的平均高生长曲线，这条曲线称作导向曲线。

该曲线的形状近似呈“S”型，常用树木生长方程来拟合这条曲线，主要候选模型有：
（1）舒马克（Schumacher）方程
b
A
= (5—1)
H/-
ae
2)
3)
4)
5)
6)
根据标准地整理资料，采用非线性回归模型的参数估计方法，拟合导向曲线的候选模型，估计其参数并计算拟合统计量。

通过比较各模型的拟合统计量，选择一个最优模型作为该树种地位指数的导向曲线，具体方法见实验四。

例如，根据小兴安岭红松天然林255块标准地资料，拟合得到的最优
导向曲线方程为：
()
611651
.0004605.0101133.34A
e H --= (5—7)
4．标准年龄及地位指数级距的确定 （1）标准年龄（A I ）的确定
根据树种的生长快慢，决定在某一年龄的树高来表示林地生产力，这
20
根据该地区编表树种在标准年龄时，树高绝对变动幅度（ΔH ）
及经营水平确定地位指数级距（C ）和指数级个数（k ），一般指数级距为1～2m ，指数级个数小于10个为宜，并可用下式概算出指数级距：
k
H
C ∆=
(5—8)
我国多采用1m或2m为指数级距，本例红松天然林地位指数级距C=2m。

表3—6 我国主要树种（人工林）的标准年龄
5．地位指数表的编制
以导向曲线为基础，按标准年龄时的树高值和指数级距，采用比例法建立同型地位指数曲线。

例如，根据小兴安岭红松天然林导向曲线（5—8）式，将标准年龄A
（=100年）代入（3—11）式，用比例法求出其他各地
I
位指数级的优势高：
()()611651
.0611651
.0004605.0exp(1)004605.0exp(1I A A SI H ----= （5—9） 以2m 指数级距，将地位指数SI=12m ，14m ，……24m 分别代入（5—9）式，可以得到小兴安岭地区红松的地位指数表，见表5—1。

图5—1为红松天然林地位指数曲线。

6. 实验数据
计算机、曲线板或自由曲线尺、方格纸等。

三、方法步骤
立木材积表是根据材积三要素之间的相关关系编制而成，以表示单株树木平均带皮材积。

根据材积与胸径一个要素之间的关系编制的材积表，称为一元材积表。

根据材积胸径、树高两个要素之间的关系编制的材积表，称为二元材积表。

使用二元材积表，需要测定树高，工作量较大，使用也不方便，所以在生产实践中
都是将二元材积表导算为调查地区的一元材积表之后，再进行使用的。

在材积表的编制方法上，由图解法(材积曲线、材积直线)转变到广泛采用材积回归方程。

对于材积表的编制工作，随着计算机的应用，提高了编表的效率和准确度。

尤其是对多个材积方程进行选优与检验等都提供了优越条件。

各径阶都有—一定的株数，最好做到使样木株数按径阶分布接近于正态分布，样木伐倒后，用区分求法求算样本的材积。

2．编表资料的整理：
对抽中的样木，伐倒后用区分求积法测定材积，并将各样木的胸径(D)、树高(H)及材积(V)建立计算机数据库作为编制和检验材积表的基础数据。

根据所收集的资料，用计算机绘制散点图，进行数据预处理，。