“3S”技術在廣西國有東門林場森林資源規劃設計調查中的應用初探

文澤茂 張朋貴 唐華

摘要：森林資源規劃設計調查是以國有林場為單位，以清查區域內森林資源動態變化，確定經營成果為目的的活動，能夠為基層單位編制森林經營方案、編制采伐限額提供依據。但是，傳統調查方法效率低、耗時長，不適宜精準林業建設需求，利用新技術開展調查勢在必行。基于此，本文簡要探討森林資源規劃設計調查“3S”技術，對總體蓄積量調查、小班區劃調查、制作專題圖予以分析，并探究“3S”技術應用效果，以期為相關工作者提供參考。

關鍵詞：廣西國有東門林場；“3S”技術；森林資源規劃；設計調查

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?。為優化林場經營管理，需立足于森林資源規劃調查更新資源檔案，實施森林資源資產化管理與生態效益補償，制定科學林業發展規劃。而在森林資源調查中，考慮其多分布于山區，存在交通不便、地形復雜的問題，傳統調查方法效果低、花費時間長，可采取“3S”技術，提高調查工作效率及質量。

1 森林資源規劃設計調查“3S”技術

1.1 遙感技術（RS）

RS技術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，對地表現象及地物開展遠距離測控識別的技術。該技術能夠觀測預報氣象氣候、監測環境質量、調查森林資源、預測病蟲害、估測作物產量等，反映水體灰階、色調、紋理、形態等特征，結合影像特征識別濃度、面積等[1]。RS技術能夠用于環境監測、國防軍事、測繪地圖、農業生產等行業，具有動態反映地物變化、探測范圍廣、綜合性數據獲取等特點。

1.2 地理信息系統（GIS）

GIS是管理地理信息的專業軟件系統，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。該技術具備“可視化”功能，利用屏幕將信息展現于遙感影像上，作為信息可視化工具，直觀展現信息規律，也能動態監測“信息”變化[2]。可見，GIS擁有數據輸入、編輯、預處理、檢索、查詢、存儲、更新等功能，是信息“大管家”，由分析應用模型界面、空間數據庫、系統軟件構成，多用于生態規劃、精確農業、數據庫建立、區域規劃等方面。

1.3 全球定位系統（GPS）

GPS的核心是位于兩萬里高空的衛星，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、農業測量、漁業資源測量等，保證空間定位精準度。該技術具有不受天氣影響、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 森林資源規劃設計調查中“3S”技術的應用

2.1 調查要求

東門林場森林資源調查中，要求在原有林地系統上，核對境界線，對原區劃不合理或是產生變化的地方重新調整，對于場外造林以分場為單位開展調查；調查林地不同類型的面積；調查有關森林資源的生態環境及自然地理因素；調查各類林木、森林蓄積；調查森林經營條件、措施及成效；調查森林消耗量與生長量。根據《森林資源規劃設計調查主要技術規定》，確定商品林小班調查允許誤差是A等級，總體蓄積量抽樣精度90%，生態公益林小班允許誤差B等級[3]。

2.2 總體蓄積量調查

2.2.1 總體樣本單元

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

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；E是蓄積量允許相對誤差；C是蓄積量每公頃變動系數。N值通常增加安全系數10%～20%，結合以往東門林場調查數據，確定蓄積量每公頃標準差110.1，變動系數0.82，相對誤差在10%以下，增加安全系數10%，則樣本數量是283。

2.2.2 布設樣點

基于GPS與GIS的樣點布設，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。通過計算確定距離，取整數200 m。在布點過程中，采取公里網加密閥，按照200 m×200 m間距，布設287個樣地，將其編號，采取arcgis軟件布點，借助arcmap添加東門林場地質地形圖進行配準，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數據將其轉化為圖層點對象，導出地圖，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，考慮公里網橫線有Y坐標、縱線有X坐標，可直接根據已知坐標查定、計算位置點距離[4]。例如，公里網線交叉點在地形圖上坐標（2707000，36640000），結合樣點間距，沿交叉點水平方向，右側200 m將有樣點，其坐標是（2707000，36640200）。考慮GPS坐標格式為經緯度，樣點坐標計算為高斯平面直角坐標，需對其進行轉換，使其根據高斯平面直角坐標構建航點。在輸入參數時，輸入南北偏移量0 m，東西偏移量

500 000 m，投影比例1，中央經線108°。

坐標系統轉換方面，將WGS84轉換成東門林場坐標，采取平移三參數方法，步驟如下：

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

（2）按照海拔、經緯度坐標，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，△X、△Z、△Y。

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

2.2.4 調查樣點

在調查樣點中，以樣點為核心，對樹種開展角規控制檢尺寸，角規系數取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 小班區劃調查

東門林場采取小班、林班、林場規劃系統，基于“3S”技術獲取衛星圖像，判讀區劃小班，結合小班劃分依據重新勾繪。

2.3.1 衛星圖像獲取

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

2.3.2 目視解譯標志

目的是為小班區劃目視解譯提供標準、統一的判讀依據，結合東門林場衛星圖森林分布、地種類特點，選擇代表性地段，結合GPS導航與微信圖像實地對照考察。以此構建不同年齡組、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添加東門林場衛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“數據—導出”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，安排專人結合衛星圖紋理、顏色、圖案、形狀等特征，結合目視解譯標志，明確小班劃分方案。

2.3.3 計算小班面積

在arcmap布局中，做好版面及頁面設置，導出地形圖后，手持外業工作圖，借助GPS定位進入現場開展實地驗證，確定小班區劃判讀正確性，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法。東門林場可使用arcmap系統軟件計算，步驟如下。

（1）在arcmap內添加小班圖層、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驗證結果。

（2）檢查重疊縫隙，由于相鄰小班可能有縫隙或重疊區域。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計算，導致面積結果較大。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，設置字段數據類型開展幾何計算，以公頃為單位，獲得小班面積。

（4）控制面積平差，比較相同林班內控制面積與統計面積，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，為森林資源規劃設計提供依據。以基本圖為例，包括林場、林班、小班線圖層，步驟如下。

（1）構建柵格地形圖與林班、小班、林場線圖層。

（2）在地圖內點擊添加按鈕，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）剪裁區域制作，描繪地形圖內輪廓，填充顏色和輪廓線設置為無色，選擇空白內輪廓，點擊數據框，啟用剪裁選定內輪廓裁切。

（5）布局視圖制作，點擊數據框菜單，用左鍵向下拉至新建數據框，取消圖層地圖可視性，選擇新框圖，設置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 森林資源規劃設計調查中“3S”技術的應用效果

3.1 提高工作效率

在東門林場抽樣調查中，采取GIS技術布設樣點，利用arcgis軟件制作，與傳統手工布點相比，樣點分布更整潔、美觀、規范、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，相比傳統目視定位，考察調查人員判圖、視圖能力，容易出現周圍地貌地物不顯著，導致定位樣地誤差較大情況。GPS導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導航接收機，良好環境下單點單機定位精度優于10 m，且可以免費使用衛星信號，準確性、先進性較強。但是，GPS導航定位時，普通GPS電池續航不足，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，與移動站、基準站構成PTK模式，以載波相位差分技術定位，控制誤差＜1 m。

3.2 增強數據精準度

在東門林場中，調查小班298個，綜合應用“3S”技術，以衛星影像圖與1∶10000地形圖疊合完成小區規劃，實地驗證區劃準確無誤，正確率97.5%，符合林業生產需求。傳統小班區劃中，采取地形圖勾繪小班或邊界，受限于森林資源以山區為主，地形復雜、交通不便、氣候惡劣，調查難度高，為保證小班區劃準確，要求人員體力充沛、經驗豐富、技術過硬。但是，部分人員缺乏工作經驗，面對復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量。在“3S”技術應用下，采取衛星影像圖與地形圖疊加，目視解譯小班區劃，有效縮短工作時間。

而相比無人機攝像方面，其具有以下優點。一是成本低，“3S”技術可直接利用軟件獲取衛星影像圖。而固定翼無人機影像處理軟件、相機、硬件、人員培訓費用高達10 000～2 000 000元。二是使用便利，部分地區未開放低空管制，操作無人機需要報備手續，遇到大風與陰雨天氣無法飛行，而利用“3S”技術則無此顧慮。三是技術操作門檻低，衛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個人員經過專門培訓。

4 結語

森林資源規劃設計調查目的是清查林木、林地、森林資源數量、種類及質量分布，對林業發展規劃制定、森林資源管理具有重要意義。但是，以往森林資源調查效率低、周期長，卡、表、圖分離，無法及時更新數據。因此，廣西國有東門林場森林資源規劃設計調查中，應按照調查需求，合理應用RS、GPS、GIS技術，準確掌握森林總蓄積量、小班區劃等情況，有效提高管理水平。

參考文獻

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[5] 朱慧英.“3S”技術下的祁連山自然保護區森林資源調查探究[J].綠色科技，2020（9）：134-135.