0 引言

【研究意义】森林是很多重要生态系统服务功能的基础，如水土保持功能、气候调节功能、产品供给功能等等^[1]。有研究表明，森林生态系统约保存了全球陆地45%的碳储量^[2]。但在过去的2000年—2010年的10年时间，全球森林大面积退化或丧失，每年退化或丧失的面积达到1.3×10⁷ hm²，这其中有接近一半是生物多样性很高的热带原始森林。这些森林的退化或消失，使得全球生物多样性的消失速度达到了惊人的程度^[3]。全球森林的大面积退化或丧失严重影响了其生态系统服务功能的发挥，因此退化森林生态系统的恢复及其生物多样性的保护已成为全球热点研究问题之一^[4-5]。长期的森林监测是应对和解决这些问题的重要科学基础^[6]。在中国南方，分布着很多重要的森林生态系统，都迫切需要进行生物多样性的监测。尤其在中国西南的广西、贵州、云南、四川等地广泛分布的喀斯特森林，因生态条件的特殊性，相比其他区域的森林更为脆弱且易退化^[7]。喀斯特森林是喀斯特地区生态系统服务功能发挥的基础^[8]，因此更亟需开展长期的监测研究。【前人研究进展】大型监测样地(一般在10 hm²以上)已成为森林监测的基本手段之一^[6]。建立大型森林监测样地首先要开展的工作便是样地的测量标定，这是所有后续监测工作的基础。样地的测量标定，即是将一块形状为长方形或正方形、面积几公顷甚至数十公顷的样地从连续分布的森林中比较精确地测量出来，并将测量出来的样地继续划分为大量10 m×10 m或20 m×20 m的网格样方，标定出每个样方的网格节点，便于开展后续的调查和监测工作。传统的森林罗盘测量方法在小样地的测量中得到了大量应用，但在建立大型样地时，森林罗盘的测量精度很难达到要求，一般需采用精度更高的全站仪进行测量和标定^[9]。中国南方的森林一般分布于地形陡峭的区域，进行森林监测样地测量标定时容易出现较大的测量误差。例如，在广泛分布的喀斯特地区，因小地形十分复杂，岩石出露面积大，而且由于存在水土渗漏作用，其土层也比较浅薄和松散^[10]，因此，测量标定面临很多困难。其中之一就是控制点的埋桩标记问题。传统的控制点埋桩方法通常是将一颗钢钉或直径1 cm左右的一小段木头扎入土壤中进行标记。这种埋桩标记方法在喀斯特森林测量中存在的问题主要是，森林中很难找到有土壤而附近又没有大树分布的地方，同时由于土层浅薄松散，扎入的钢钉或木头很容易发生移动，从而给测量带来极大的误差。复杂地形中森林监测样地的测量标定面临的另一个主要问题是全站仪的架设，由于地形陡峭而复杂，测站架设存在困难。【本研究切入点】由于地形的特殊性和复杂性，其它样地的测量方法在中国南方复杂地形应用时存在部分适用性不佳的问题。基于此，我们拟提出一套适合中国南方复杂地形森林的测量标定方法。【拟解决的关键问题】通过方法的改进，解决中国南方复杂地形中(尤其是喀斯特地形)测量时的埋桩标记问题，并大量减少测站的架设次数。这套方法可有效提高中国南方复杂地形中森林群落监测样地测量标定的精度和工作效率。

1 区域环境概况

方法的验证主要在地形复杂的弄岗国家级自然保护区和广西防城金花茶国家级自然保护区。弄岗国家级自然保护区位于龙州县中北部与宁明县西北部，东经106°42′28″~107°04′54″，北纬22°13′56″~22°33′09″，总面积101 km²。弄岗保护区属典型的喀斯特地貌，类型主要为峰丛谷地型和峰丛洼地型，区内山弄密集，地形复杂；属热带季风气候，全年有7个月平均气温高于22℃，年均最高气温37~39℃，年均降水量1 150~1 550 mm；分布的森林类型为喀斯特季节性雨林^[11]。

广西防城金花茶国家级自然保护区位于广西防城港市防城区境内，东经108°02′02″~108°12′52″，北纬21°43′52″~21°49′39″。自然保护区地处十万大山南麓蓝山支脉，地形较陡峭。总面积为9 098.6 hm²，其中核心区1 479.1 hm²；属热带季风气候；地带性植被为季雨林，还分布有沟谷雨林、常绿阔叶林等植被。区内分布有3种被誉为“植物界的大熊猫”和“茶族皇后”的金花茶。

2 方法和步骤 2.1 总体思路

采用坐标测量法，通过1条或2条一级闭合导线控制整体测量误差，通过坐标放样测量技术标定样方节点，以减少测站的架设次数。具体思路：沿样地4条边线布设1条一级闭合导线，或者以样地2条中垂线中的1条为基线，沿样地边线布设2条一级闭合导线(监测样地较大时)。确定一级闭合导线误差后，对闭合导线的控制点坐标进行平差，根据平差后的闭合导线控制点往样地中心引支导线，采用坐标放样测量技术确定每个样方坐标网格(10 m×10 m或20 m×20 m)节点(图 1)。

2.2 起始控制点位置、坐标和高程的确定

通过踏查及查阅地形图，确定样地4条边线的走向及4个角点的大致位置，初步确定样地坐标系。样地的角点和边线应尽量避开悬崖、陡坡等难以通达的地方。样地原点一般以西南方向角点为准。

如果样地面积较大，起始控制点可选在样地1条边线的中点附近；如果样地面积较小(如边长小于100 m)，则可选择样地的一个角点作为起始控制点。起始控制点的坐标通过假定坐标法给出，即假定起始控制点的(X₁，Y₁)坐标值为(1 000，1 000)，这样可避免因给定值太小导致测量中坐标值出现负数的情况，同时方便测量数据的记录和输入；起始控制点的高程通过手持GPS获得。

在(X₁，Y₁)处设测站，沿确定的边线方向找1个与(X₁，Y₁)通视的测点，定为(X₂，Y₂)(图 2)，用全站仪测量(X₁，Y₁)至(X₂，Y₂)的平距HS及高差ΔZ，通过计算可得到(X₂，Y₂)的坐标和高程，即(X₁±HS，Y₁)或(X₁，Y₁±HS)，高程为Z₁±ΔZ。

2.3 一级闭合导线的测量及误差处理

根据前面确定的2个已知坐标的控制点，应用全站仪的坐标测量功能，沿样地4条边线附近布设1条一级闭合导线；利用喀斯特地貌岩石出露多的特点，将构成闭合导线的全部控制点的埋桩位置均设在稳固的岩石上，控制点的埋桩标记方式为凿1个直径0.2 cm、深度0.2 cm的浅坑，并以这个浅坑为原点用红色油漆画一个直径4 cm的圆圈。

计算一级闭合导线的闭合误差，采用近似平差的方法对闭合导线控制点的坐标和高程误差进行处理。闭合误差的确定方法为已知起始控制点(X₁，Y₁)的坐标为(1 000，1 000)，用全站仪测出闭合导线后，在闭合导线最后一个控制点架设测站，测量起始控制点(X₁，Y₁)的坐标，设全站仪测出的坐标为X_测、Y_测，用该点的观测坐标值与已知坐标值比较，得到fx=X_测-1000，fy=Y_测-1000；可以计算出导线闭合差：fd= fx²+fy²。

设导线总长度为D，如果fd＜D*1/3000，就可以进行坐标改正数的计算：

V_Xi=(-fx/D)*(D₁+D₂+D₃+…+D_i-1)，

V_Yi=(-fy/D)*(D₁+D₂+D₃+…+D_i-1)，

其中D_i-1是第i点之前的导线边长。改正后的坐标为X_i=X_i^′+V_Xi，Y_i=Y_i^′+V_Yi，其中X_i^′、Y_i^′是第i个控制点的实际测量值。对于高程可以用同样的方法来计算高程改正数。

根据平差后的闭合导线的控制点往样地中心引支导线，构成支导线的控制点的埋桩位置同样选择在稳固的岩石上，控制点的埋桩标记方式为凿1个直径0.3 cm、深度0.3 cm的浅坑，并以这个浅坑为原点用红色油漆画1个直径3 cm的圆圈。

2.4 样方网格节点的坐标放样测量

依据一控制点坐标及其周围样方网络节点的理论坐标，在计算器中可计算出周围网络节点到该控制点的水平方位角(α)和水平距离(HS)。根据α和HS，在全站仪系统中采用坐标放样测量功能标定出节点的位置(图 3a)。

在闭合导线和支导线的控制点上架设测站，用CASIO fx-4000P计算器计算待标定网格节点与测站点的水平距离和角度，再采用全站仪坐标放样测量功能标定出每个样方(20 m×20 m或者10 m×10 m)的网格节点位置。

本套方法的放样测量与其他大型森林样地的测量方法存在一定区别(图 3)。其他大型森林样地的测站一般选择在网络节点上，测量角度一般为90°的整数倍。本套方法测站位置可根据通视情况灵活设置，通过计算器程序编制，快速实现节点的放样测量。

2.5 样地整体误差控制及测量误差的检验

在测量时，根据平差后的一级闭合导线上的控制点，采用2.4节坐标放样方法首先将一级闭合导线附近可通视的网络节点全部标定出来。对于远离一级闭合导线或其他因通视原因不能标定的节点，需用一级闭合导线上的控制点引二级导线，依据二级导线上的控制点用坐标放样测量技术标定其位置。如引二级导线还有未能标定的节点，可依据二级导线再引支导线进行测量。这样可以将样地的整体测量误差控制在一级闭合导线的闭合误差范围内。同时，为了控制二级导线之间的误差，在引二级导线时，每隔100 m左右须与相邻的二级导线控制点或节点进行附合，如误差超过20 cm，需沿着测量导线往回检视，找出原因后重新引控制点进行测量。

整个样地测量完毕后，在一级闭合导线上随机选择2个可通视的控制点。作为测站和后视，通过严格的三脚架架站和架前视测量，引1条贯穿整个样地的检验导线。复核检验导线周围节点的误差和其他控制点的误差。同时，检验导线必须和一级闭合导线进行附合，以确定检验导线本身的精度。

3 应用实例 3.1 15 hm²样地(喀斯特地形)实测

应用本套测量方法，在弄岗国家级自然保护区建立了1个15 hm²的喀斯特季节性雨林监测样地^[12]，样地的边长为500 m和300 m。由于样地较大，采用图 1所示的第2种测量方案，即以样地南北向中垂线为基线，在样地东片和西片各布设了1条一级闭合导线(图 4)。东片闭合导线的fx为21 cm，fy为6 cm；西片闭合导线的fx为38 cm，fy为7 cm，均达到了测量要求。整个样地测量完毕后，在2条一级闭合导线结合的中垂线上随机选择了2个可通视的控制点，往样地西边线引检验导线，检验结果表明，大部分被抽检节点的误差均小于30 cm，极少数节点因地形等不通视原因，在测量时进行了平移定点，误差超过30 cm，但最大误差均小于50 cm。同时在中垂线上随机选择了2个可通视的控制点往样地东边线引检验导线，检验结果表明，大部分抽检节点的误差均小于25 cm。

根据测量得到的1 581个网格节点的高程，绘制了所测15 hm²样地的地形图(图 5)。从测量结果看，样地的最低处海拔约184 m，而最高点海拔达到374 m，样地的高差约190 m。从测量获得的地形图看，样地西片区非常陡峭(图 5)，部分地方平均坡度可达到60°~70°。

3.2 1 hm²样地(非喀斯特地形)实测

应用本套测量方法，成功在地形复杂的广西防城金花茶国家级自然保护区建立了多个1 hm²森林样地。以建立的东兴金花茶监测样地为例，其面积为100 m×100 m，所引闭合导线的fx和fy均小于15 cm，10 m×10 m节点误差小于10 cm。样地高差达到73.9 m，平均坡度在45°(图 6)。

4 结论

通过对已有森林样地测量标定方法的改进，本研究提出了一套适用于中国南方复杂地形森林样地测量标定的方法。本套方法在喀斯特这类小地形变化复杂、通视条件较差的地区非常实用。通过闭合导线的测量，不仅可以明确整个样地的测量误差，并且可以采用平差等技术措施修正测量误差。在节点标定时采用极坐标放样测量技术，使得测站点选择相对灵活机动，可尽量将测站点置于架站和通视条件均较好的地方，不仅有效减少架站次数，减小因架站引起的测量误差，同时也节省了大量测量时间。

与现有方法相比，本研究提出的方法将控制点的埋桩位置选择在稳固的岩石上，并采用在埋桩位置处凿一个浅坑，以该浅坑为原点画一个固定直径的圆作为标记方式，克服了在喀斯特等复杂地形中采用传统控制点埋桩标记方式造成的误差，可有效提高复杂地形中森林群落监测样地测量标定的精度；进一步地，还可用可编程计算器来完成待标定网格节点与测站点的水平距离和角度的计算，既节约计算时间又减少出错机率，从而提高工作效率。从实际应用结果看，本研究提出的测量标定方法在陡峭的喀斯特地形和非喀斯特地形中都得到了成功的应用。

本套方法使用过程中需用到全站仪的极坐标放样测量功能，而部分型号较老的全站仪可能不具备该功能，因此在测量时会受到仪器功能的限制。

致谢 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所王新贵、韩文衡, 专业测绘人员林飞雄等人参加了弄岗15 hm²监测样地的测量工作，谨此致谢。