全 文 ：应用 GPS 与 GIS 技术进行暗针叶林生态
系统样地分析 3
关文彬1 3 3 　谢春华1 　吴建安1 　余新晓1 　程根伟2 　李同阳2
(1 北京林业大学 ,水土保持部级重点开放实验室 , 北京 100083 ;
2 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 ,成都 610041)
【摘要】　高海拔地区原始林调查一直难度较大. 采用 GPS与 GIS技术结合 ,不但便于设置与恢复样地 ,而
且还能够比较精确地展现样地空间特征及其中乔木的空间分布格局. 将快速静态定位与局部皮尺检测相
结合 ,除个别点偏差较大外 ,定位相对比较精确 ,RMS 平均为 2. 84 ,平均三维系统误差分别为 : △B = 1. 2
m , △L = 1. 2m , △H = 4. 3m ,均方差分别是 ±0. 6 , ±1. 1 , ±21. 1 ,能够满足于森林经营与管理的需要.
GIS分析表明 ,暗针叶林生态系统主林冠层的郁闭度不能完全刻画出树冠对降雨的再分配作用. 该方法充
分展示了“2S”技术在小尺度森林生态系统管理中的应用潜力 ,尤其是在海拔较高 ,不便于进行航空、航天
测量和常规测量的地区.
关键词 　GPS 　GIS 　群落调查 　样地分析
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 07 - 0773 - 04 　中图分类号 　S718155 　文献标识码 　A
Plot analysis in the dark coniferous ecosystem using GPS and GIS techniques. GUAN Wenbin1 , XIE Chun2
hua1 , WU Jian’an1 , YU Xinxiao1 , CHEN Gengwei2 , L I Tongyang2 (1 The Key L aboratory of Soil and W ater
Conservation of Forest ry B ureau , Beijing Forest ry U niversity , Beijing 100083 ; 2 Institute of Mountain Haz2
ards & Envi ronment , Chinee Academy of Sciences , Chengdu 610041) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (7) :
773～776.
It is generally difficult to survey in primary forests located on high2altitude region. However , it is convenient to
identify and to recognize plots accompanied by GPS and GIS techniques , which can also display the spatial pat2
tern of arbors precisely. Using the method of rapid2static positioning cooperated with tape2measure , it is conclud2
ed that except some points , the positioning was relatively precise , the average value of RMS was 2. 84 , variance
was 2. 96 , and △B , △L , and △H were 1. 2 , 1. 2 , and 4. 3m with their variances being ±0. 6 , ±1. 1 , and
±21. 1 , respectively , which could meet the needs of forestry management sufficiently. Accompanied by some
other models , many ecological processes under small and even medium scale , such as the dynamics of gap succes2
sion , could also be simulated visually by GIS. Therefore , the techniques of“2S”were patent for forest ecosystem
management under the fine scale , especially in the area of high altitude.
Key words 　GPS , GIS , Community investigation , Plot analysis.3 国家自然科学基金重点项目 (39930130) 、国家重点基础研究发展
规划 项 目 ( G2000046807 ) 和 教 育 部 博 士 点 基 金 资 助 项 目
(2000002209) .3 3 通讯联系人.
2001 - 10 - 29 收稿 ,2002 - 03 - 27 接受.
1 　引 　　言
进行群落样地分析是研究森林生态系统结构与
功能的基本手段之一. 常规的方法是采用样带或样
方法 ,通过手绘的办法描述样方中各个物种的空间
位置. 这种方法虽然也能反映出群落水平投影方向
上的二维结构特征 ,但耗时大 ,不能满足于森林资源
长期管理的需要 ,且不能反映出森林生态系统的立
体构型及其动态变化. GPS 技术以其实时提供精度
较高的三维空间位置和时间 ,不受时间、天气和地域
性限制等优点而被广泛应用于各个领域的监测与测
量工作中 ,尤其适用于因复杂地形或高大茂密地物
引起的不通视区域的测量[3 ,7 ,9～11 ] . 而 GIS 更是因
其强大的空间分析功能而广为人知. 但是 ,目前国内
外在这方面的工作并不多见 ,而将这二者完美结合
应用于森林资源管理的先例更是鲜有报道 ,本文旨
在对此做一尝试.
2 　研究地区与方法
211 　研究地区概况
研究的暗针叶林生态系统为四川省泸定县贡嗄山海螺
沟海拔 2800～3030m 暗针叶过熟林 ,在 1000m2 固定标准样
地基础之上 ,从坡顶至坡底做 10m ×135m 的垂直样带 ,坡向
朝北 ,平均坡度 28°,29°20′～30°20′N 和 101°30′～102°15′E ,
应 用 生 态 学 报 　2002 年 7 月 　第 13 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2002 ,13 (7)∶773～776
冰碛物堆积母质上发育的茂盛的原始峨嵋冷杉暗针叶成熟
林与南坡冰川退缩迹地的低矮灌丛形成了鲜明对照 ,地面苔
藓发达 ,浅表为碎屑状的石化土壤层 ,地下是深厚的沙石堆
积体. 该区域岭谷高差悬殊 ,垂直落差大 ,高于 6000m 的山
峰多达 45 座. 年降雨量达 1938mm ,主要集中在 6～8 月 ,年
平均风速为 0. 5m·s - 1左右 ,年平均气温 4 ℃,低温少风速使
得林内蒸发很少 ,空气湿度多在 90 %以上. 区内以峨嵋冷杉
( A bies f abri ) 为主要乔木 ,年龄在 170 年左右 ,平均胸径
42cm ,平均树高 38m ,叶面积指数 2. 5365 ;林下灌木主要有
杜鹃 ( Rhododendron sp . ) 、糙皮桦 ( Betula utilis) 、心叶荚迷
( V iburnum cordif olium) 、石灰花楸 ( Sorbus f olgneri) 等 ,偶
见有冷箭竹 ( S inarundianaria f angiana) 、宝兴荀子 ( Co2
toneaster moupinensis) 、茶镳子 ( Ribes sp . )分布.
212 　研究方法
21211 原理与方法 　GPS 伪距测量的基本原理是将伪码发
生器产生的与卫星结构完全相同的码经过延时器延时τ后
便得接收的测距码与本机复制码相关处理 ,相关系数为 1
时 ,τ就是卫星信号延迟传播时间 T ,将 T 乘以 C 即为卫星
到接收机间距离ρ:ρ = T ·C
由于卫星钟、接收机钟的误差及无线电信号经过电离层
和对流层延迟 △T ,实际测出的距离ρ与卫星到接收机距离
R 有误差 ,所以称ρ为伪距.
因此实测距离ρ为 :ρ = R + C ×△T
接收天线接收到卫星发射的导航信号 ,经低音放大器
(LAN)传向接收主机 ,经解析、解调和译码 ,得到卫星位置星
历 ,根据星历算出卫星发射信号时刻在空间的位置 ( X1 ,
Y1 , Z1) ,设 ( X , Y , Z) 是接收机在宇宙直角坐标系中的坐
标 ,则有 :
R = [ ( X - X1) 2 + ( Y - Y1) 2 + ( Z - Z1) 2 ]1/ 2
ρ = [ ( X - X1) 2 + ( Y - Y1) 2 + ( Z - Z1) 2 ]1/ 2
　+ C ×△T
因此只有 4 个未知量 X 、Y 、Z、△T ,这正是要解算的用
户座标及用户钟对 GPS的时钟差. 所以 ,在任何时刻任何地
方只要能收到 4 颗卫星 ,用户就可解算出其所在三维位置分
量、三维速度分量和精确时间.
测距码伪距单点绝对定位精度低于 100m ,一般采用
D GPS(差分 GPS) 技术可以大大提高定位精度. 所谓 D GPS
即是通过在已知点上安置 GPS 接收机得到伪距改正值 ,并
将其提供给同步观测的移动站接收机 ,将其改正为实测伪
距[5 ] . 在基准站 A 观测 j 卫星测得伪距为 :
ρjA = ρjA t + c ( V TA - V tj) + L jA t rop + L jA ion
式中 ,ρjA t为 t 时刻 A 至卫星 j 的真实距离 ,可用几何公式求
得 , L jA t rop为对流层 , L jA ion为电离层. 由电台送往移动台 B 点
的差分改正为 :
Δρj = ρjA t - ρjA = - c ( V TA - V tj) - L
j
A t rop - L jA ion
B 点观测的伪距为 :
ρjB = ρjB t + c ( V TB - V tj) + L
j
B trop + L jBion
于是 ,当同步观测卫星多于 4 颗时 ,可按最小二乘法平差求
出流动站接收机所在点的三维坐标及两接收机的相对钟差 .
21212 设备 　本研究采用 NovAtel Outrider/ GISMOTM系统.
Outrider 主要由 Propak ⅡGPS 接收主机与 502 GPS 双频天
线 (天线高 2m) 、12V 密封铅2酸电池和 HP200 掌上数据采集
器及部分附件组成 ,可以接收和跟踪 12 个通道的 L1 及 C/ A
码 ,L1 与 L2 载波和 L2 P 码 (或加密 Y码) ,采用 32 位 CPU
高速处理与 NovAtel 窄相关技术 (Narrow Correlator Technol2
ogy)结合 ,防止数据更新中的多路径效应 ,适用于高动态及
周跳频繁的环境 ; GISMO 由 Propak ⅠGPS 接收主机与
501 GPS天线、12V 密封铅2酸电池和 PC 机及附件组成 ,可以
多路径并行跟踪 L1 波段的 C/ A 码 ,主要应用于中等精度及
高精度制图和 GIS 测量 ,可十分便利地进行特征及属性采
集 ,在本研究中用作基准站.
21213 方法 　研究地区地形复杂 ,高山分布较多且海拔较
高 ,空气湿度大 ,不便于航天或航空测量 ;样地位于冰碛物坡
面上 ,乱石分布较多 ,且林下灌木丛生 ,通视状况很差 ,给林
内行走造成了极大阻力 ,也不便于常规方法测量. 应用 GPS
与 GIS技术结合 ,不但避重就轻 ,便于测量 ,也便于样地分析
与样地恢复. 但由于山区电台信号不太理想 ,实时动态测量
(RTK)难度也较大 ,所以选择采用快速静态定位数据后处理
办法[1 ,2 ] ,对样边界及其中的乔木予以定位 ,并对边界部分
地段辅以皮尺测量 ,以提高定位精度 ;并对样地内上层乔木
进行每木检尺. 通过对基准站长期连续观测解算得到基准站
坐标 ,移动站以走走2停停的方式平均每 2min 采集一个点 ,
最后在 Softsurve 软件中求得后差分结果.
3 　结果与分析
311 　林内信号接收情况
对林内卫星接收结果分析发现 ,山区林内 GPS
定位测量信号接收受地形影响较为明显 ,在山下最
佳情况下可以接收 5～6 颗卫星 ,而在山中上部则可
以接收到 7～8 颗卫星 ;而山上的叶面积指数为
21758 ,而山下的叶面积指数仅有 2. 54 ,PDOP 值平
均为 5. 047 ,方差为 1. 077 ,坡上、中、下的 PDOP 值
分别是 4. 715、4. 34 和 5. 535 ;有 16 %的点出现异常
跳动 ,PDOP 值超过了 5. 5 ,并且主要位于坡的中、
下部. 而无林地与有林地信号接收也无明显差异 ,甚
至当 GPS 天线紧位于树干周围时 ,树干及树冠对
GPS 卫星信号的接收影响也非常小. 图 1 是 GPS 在
不同坡位状态下的暗针叶林下卫星接收情况.
312 　误差分析
31211 定位误差 　在利用 GPS 作走走2停停快速静
态定位时 ,主要以 5m ×5m 样方的 4 个顶点为参照 ,
以便于将定位结果与皮尺测量结果作比较. 测量结
果表明 ,除个别点偏差较大外 ,定位相对比较准确 ,
RMS 平均为 2. 84 , △B 、△L 、△H 平均分别为1. 2、
477 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
图 1 　坡上下卫星接收情况
Fig. 1 Different state of satellite receiving on the upper and lower of the
slope for GPS.
1. 2 和 4. 3m ,均方差是 0. 69、1. 1、21. 1. 每 5m 间的
平均定位距离为 4. 836m ;坡底与坡顶定位高差为
71199967m ,坡势呈上坡下缓之势 ,若以平均坡度
28°算 ,实际高差为 61. 2887m ,误差为 13. 6 %. 定位
结果见表 1.
表 1 　利用 GPS对样地边界定位结果
Table 1 Results of positioning by GPS on plot
点号
Position
X Y Z 点号
Position
X Y Z
1 790478. 7 3508. 837 2934. 288 11 790531. 7 3436. 82 2982. 127
2 790475. 6 3508. 665 2969. 323 12 790538. 066 3439. 661 3008. 534
3 790485. 1 3508. 467 2962. 686 13 790537. 7 3429. 617 3018. 421
4 790484. 6 3501. 355 2977. 748 14 790535. 5 3435. 657 3016. 338
5 790489 3499. 501 2953. 441 15 790542. 5 3428. 764 3006. 15
6 790493. 7 3485. 06 2983. 098 16 790537. 9 3424. 152 3018. 389
7 790502. 9 3487. 457 2965. 572 17 790541. 9 3407. 769 3023. 956
8 790506. 5 3468. 68 2981. 996 18 790555. 3 3411. 675 3032. 318
9 790511. 39 3472. 367 2965. 537 19 790547. 8 3413. 263 3026. 022
10 790513. 7 3453. 769 2944. 6123 采用 BJ254 坐标系 Based on BL254 coordinate system.
31212 误差来源 　自美国取消 SA 政策以后 , GPS
定位精度得以明显提高. 在近距离内作数据后处理
伪距差分定位 ,虽然可以消除或减弱卫星钟误差及
接收机时钟误差、卫星轨道误差、电离层延迟误差、
对流层大气折射误差. 但误差仍可能来源于 : (1) 天
线安置精度 ,即天线对中误差、天线整平误差及量取
天线高的误差. 当天线高为 2m 时 ,天线整平时 ,即
圆水准气泡偏一格 ,对中影响为 5mm ; (2) 天线相位
中心位置偏差 ,在 GPS 测量中 ,其伪距观测值是测
量卫星到接收机天线相位中心的距离 ,而天线对中
却是以几何中心为准 ,所以 ,天线相位中心与几何中
心的不一致将会影响定位精度. 因而在野外观测时 ,
应对天线进行严格对中、整平 ,同时还要将天线盘上
方向标指北 (偏差在 3°～5°之内) [10 ] . (3) 地形和林
冠对定位的综合影响 ,但以地形影响为主. (4) 接收
机本身的分辨效率 ,本实验采用的 NovAtel Outrid2
er/ GISMOTM在不受多路径效应影响时 ,单点伪距
测量 3min ,其精度都在 10cm 以内.
313 　GIS 成图分析
选择 Softsurve 软件中的 Processor 模块 ,采用
BJ254 投影坐标系 ,15°截止角 , PDOP 值小于 10 ,标
准伪伪距差 0. 5 ,数据间距 10s ,将移动站与基准站
GPS 定位数据作后处理伪距差分解算后 (表 1) ,将
结果以文本文件格式 ( . txt ) 输出并导入到 GIS (采
用 Arc view3. 2) . 以每株乔木的常规测树因子为该
点属性. 假设树冠都呈规则的圆形 ,以该点位为中
心 ,按其 1/ 2 冠幅建立缓冲区 ,即可得到乔木树冠在
样地中的水平分布格局图 (图 2) .
　　利用 Arc view 可以统计出主林层树冠在各个
小样方 (5m ×5m)中的分布情况 (表 2) ,建立与各样
方中林下降雨的相关关系. 比较发现 ,仅采用各样方
中的郁闭度不能完全刻画出树冠对降雨的再分配作
用 (图 3) .
图 2 　利用 Arc view 展现样地中乔木空间格局
Fig. 2 Appearances of the pattern of arbors in plot in the system of Arc
view.
图 3 　各样方中郁闭度与截留率关系
Fig. 3 Relationship between closure and interception efficiency in each plot .
4 　结 　　语
　　本研究采用伪距差分数据后处理的办法 ,在星
5777 期 　　　　　　　　　关文彬等 :应用 GPS与 GIS技术进行暗针叶林生态系统样地分析 　　　　　　　　
表 2 　各样方中树冠分布及截留功能
Table 2 Distribution of crown area and its interception eff iciency in
each plot
斑块号
No.
斑块数
Count
面积
Area
(m2)
空隙
Gap
(m2)
郁闭度
Closure
( %)
截留率
Interception
( %)
102 1 17. 77 7. 23 71. 06 14. 92
103 1 16. 84 8. 16 67. 36 28. 54
104 1 6. 25 18. 75 25. 00 21. 88
105 2 6. 74 18. 26 26. 97 30. 54
106 1 16. 42 8. 58 65. 68 25. 16
107 1 0. 91 24. 09 3. 65 11. 55
109 1 0. 67 24. 33 2. 66 21. 67
110 1 3. 82 21. 18 15. 28 8. 61
111 1 1. 50 23. 50 6. 02 21. 02
112 2 8. 68 16. 32 34. 72 27. 78
113 1 0. 36 24. 64 1. 45 43. 76
116 1 0. 38 24. 62 1. 50 33. 95
117 1 14. 09 10. 91 56. 37 24. 86
118 1 9. 30 15. 70 37. 21 21. 74
119 1 1. 50 23. 50 6. 02 34. 25
120 2 8. 62 16. 38 34. 49 37. 89
121 3 5. 77 19. 23 23. 09 41. 47
122 1 2. 11 22. 89 8. 45 35. 59
202 1 0. 75 24. 25 3. 01 34. 28
203 1 5. 64 19. 36 22. 57 29. 14
209 1 0. 06 24. 94 0. 23 16. 20
210 1 17. 13 7. 87 68. 52 15. 41
211 1 4. 86 20. 14 19. 44 31. 51
218 1 4. 22 20. 78 16. 90 26. 26
219 1 3. 59 21. 41 14. 35 47. 80
220 2 11. 20 13. 80 44. 79 48. 51
221 2 6. 42 18. 58 25. 69 44. 39
227 1 2. 91 22. 09 11. 63 31. 51
况较好的情况下 ,水平定位精度较高 ,受目前码相位
差分技术限制 ,垂直定位精度较差 ,PDOP 值平均为
5. 05 ,在山区主要受地形因素的影响 ,除个别点偏差
较大外 ,定位相对比较准确 , RMS 平均为 2. 84 ,方
差为 2. 96 , △B 、△L 、△H 平均分别是 1. 2、1. 2 和
4. 3m ,均方差为 0. 6 ,1. 1、21. 1.
在山区进行林业调查时 ,应当尽量选择灵敏度
高的内置天线或适合的外接天线 ,如果天线太短或
灵敏度不够 ,将大大降低 GPS 定位精度 ;但天线太
长往往又不便于山区林内作业 ,且要注意 GPS 接收
天线整平、对中 ,否则 ,将会产生较大的定位误差.
GIS 技术为实时管理森林资源提供了理想的工
作平台[2 ] ,将 GPS 定位结果与 GIS 空间分析技术结
合起来 ,不但可以方便地设置与恢复样地 ,而且还可
以比较直观地模拟中、小尺度各种生态过程 ,为森林
生态系统的经营与管理提供更为科学、及时的理论
依据 ,但目前这方面的工作还有待于加强.
在 Arc view 平台上 ,空间展示并定量统计出主
林冠层在各样方内的空间分布格局. 结果表明 ,长江
上游暗针叶林生态系统中 ,主林冠层的郁闭度与树
冠对降雨的再分配作用无直接相关关系.
随着 GPS 定位技术的发展 ,其定位精度将会越
来越高 ,完全可以满足当前林业管理的需要. 尤其是
高海拔山区 ,终日云雾缭绕 ,难于进行航空、航天测
量 ;地形复杂 ,又不便于常规测量 , GPS 技术具有很
大的应用潜力. 与 GIS、RS 技术结合 ,可以实现不同
尺度上森林资源数字化管理[4 ,6 ,8 ] . 但时 ,目前 GPS
接收机常用的铅酸电池还有待于改进 ,一是减轻电
池质量 ,二是延长供电时间 ,这不仅便于野外调查 ,
也可提高工作效率 ,避免中途断电 ,造成部分数据失
效. 在无断电的后顾之忧时 ,延长各点定位时间 ,还
可以进一步提高定位精度.
致谢 　本文在完成过程中得到了中国科学院成都山地灾害
研究所罗辑副研究员的指导 ,在外业工作中得到了贡嘎山高
山生态定位研究站工作人员的全力协助 ,在此一并表示衷心
地感谢 !
参考文献
1 　Clark RL ,Robert PC ,Rust RH , et al . 1996. A comparison of rapid
GPS techniques for topographic mapping. Proceeding of the 3rd In2
ternational Conference , Minneapolis , Minnesota , USA. 23 ～ 26
J une 1996. 651～662
2 　Courteau J ,Darche MH. 1997. A comparison of seven GPS units
under forest conditions. Special Report of Forest Engineering Re2
search Institute of Canada. 32
3 　Du S2Z(杜盛珍) ,Chen S2Y(陈士银) . 1998. Introduction of global
positioning system and its application in forestry. J Guangdong For
Sci & Technol (广东林业科技) ,14 (1) :47～50 (in Chinese)
4 　Feng Z2K(冯仲科) , Zhang Z2L (张志良) , Guo X2L (郭学林) .
1999. GPS principles and its application on soil and water concerva2
tion. J Soil W ater Conser (中国水土保持) , 10 : 36～37 (in Chi2
nese)
5 　Feng Z2K(冯仲科) , Yu X2X(余新晓) . 2000.“3S”techniques and
its applications. Beijing :China Forestry Press. (in Chinese)
6 　Feng Z2K(冯仲科) . 1999. Study on modern forestry survey map
technique system. Beiji ng S urvey M ap (北京测绘) , (2) : 28～30
(in Chinese)
7 　Feng Z2K(冯仲科) . 1998. Three dimensions position system made
of total station. S urvey and M ap Technol Dynamics (测绘科技动
态) , (4) :30～33 (in Chinese)
8 　Lange AF , Robert PC , Rust RH , et al . 1996. Centimeter accuracy
differential GPS for precision agriculture applications. Proceeding of
the 3rd International Conference ,Minneapolis ,Minnesota ,USA. 23
～26 J une 1996. 675～680
9 　Liu D2J (刘大杰) ,Xuan Y2M (旋一民) , Guo J2J (过静君) . 1996.
The Principles of GPS and the Method for Data Processing. Shang2
hai : Tongji University Press. (in Chinese)
10 　Pan H(潘　辉) ,Xiao S(肖　胜) ,Lai Y2B(赖颜斌) , et al . 1998.
Global positioning system ( GPS) and its applied prospect in
forestry. J Fujian For Sci & Technol (福建林业科技) ,25 (3) :68
～73 (in Chinese)
11 　Xu L2X(许兰霞) ,Feng Z2K(冯仲科) . 2000. Problems and corre2
sponding improving methods of applying“3S”technique to survey
and access forest and ecological environment . World For Res (世界
林业研究) ,13 (2) :14～19 (in Chinese)
作者简介 　关文彬 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事
生态学、景观生态、荒漠化防治研究 ,发表论文 29 篇. Tel :
623381062115 ,E2mail : Xiechunhua @263. net
677 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷