测树学研究进展及教学对策

吴文友

(安徽农业大学林学与园林学院,合肥 230036)

测树学是林学专业的专业基础课,一方面为森林资源调查提供理论和技术方法,另一方面为林学的其他学科提供分析研究的理论和技术方法,所以在林学专业的课程体系中有着举足轻重的地位。理论来源于实践,又服务于实践。随着科学技术的发展和社会进步,人们对森林的认识和需求都发生了很大的变化,逐渐认识并体会到森林生态效益及“精准林业”的重要性,所以在测树学的内容和调查技术方法的研究方面投入了大量的精力,并取得了一定的成果。林业教育的目的是为森林的经营管理培养专门人才。林学本科专业学生作为未来的林业专门人才的主体,显然应认清形势,并具备相应的知识储备,以便更好地服务于林业。因此,在林业学科专业教育方面,应本着与时俱进的精神,积极开展教育教学改革,努力培养合格的适应林业发展需要的综合型林业专门人才。

一、测树学的发展动态

(一)测树学内容的实质性扩展

随着环境问题的日益尖锐以及人们生活水平的不断提高,人们对森林的需求已不仅仅局限于木材的利用,而是更为注重森林的生态效益和社会效益。尽管过去也强调森林生态效益的重要性,但是一直以来都只停留在表面上,而现在从理论到实践对森林生态效益的关注都进入到实质性状态。与之相适应,测树学的内容也得到实质性扩展,这从多个方面都可以得到印证。例如,在测树学的研究方面,有越来越多的与生态效益有关的生物量及生物多样性研究的文章出现[1-5],为合理经营森林、最大限度地维持森林生态系统的稳定性、充分发挥生态效益提供了理论基础。

在测树学的实践应用方面,不仅森林公园的数量不断增加,而且要求尽可能地应用森林生态学理论去调查和经营管理森林,以充分发挥森林公园保护生态环境和满足人们游憩需求的功能。在中国的森林资源清查体系中,也不断补充森林生态状况调查方面的内容,前5次森林资源清查是以木材生产为主,第6次森林资源清查则增加了林木权属、病虫害等级等内容,目前正在进行的第7次全国森林资源清查工作更是把森林生态功能、森林健康和生物多样性等反映生态状况的内容纳入监测范畴。中国的森林资源连续清查体系正朝着森林资源与生态状况综合监测体系的方向发展。

与此相适应,《测树学》第3版正式将林分3大量(蓄积量、材种出材量、生长量)测定扩充为4大量(增加生物量,第11章)测定,在“标准地调查”一节中增加了多样性、群落结构、森林健康与森林生态功能评价等内容,同时在附录中增加了旅游资源调查方面的内容[6]。

(二)测树仪器和测树理论的更新与改进

1.新型的测树仪器

传统的测树仪器主要以光学和机械原理为主,采用人工测量的方法,工具较为简易,易受人为因素影响,测量误差较大。随着计算机技术、信息技术和电子仪器技术的不断发展,有很多新型电子测树仪器出现,但总结起来多数是在原有测树原理的基础上引进电子仪器进行测树,主要是利用电子仪器的精密性提高测定的精度,同时结合相应的数据处理软件系统提高数据测算的效率。

例如,电子角规是将电子经纬仪与PDA有机结合,充分发挥电子经纬仪精密的测角功能和PDA强大的数据处理和存贮功能,以提高测定的精度和效率[7]。

再如,三维激光扫描成像系统利用激光扫描仪扫描林木,然后利用专门软件进行计算机处理,就可以非常方便地直接量测立木的直径(包括分段直径)、树高、冠幅等测量因子,为研究树干和树冠形状、材积、生物量等提供可靠的基础数据,进而为森林资源的动态监测奠定基础[1,8]。

又如,树木年轮分析仪是利用高分辨率显微镜定位技术,或运用高分辨率的数字化电磁探针扫描,并结合显微照相探头,对树木生长锥样芯或年轮盘片进行树木年轮与密度的测定,然后将操作分析结果交由专业软件统计、分析;激光或超声波测高器是利用激光和超声波传感器以及倾斜传感器提供即时的距离和角度值,从而测定树高。另外,还有一些电子测径仪可以测定任意高度、直径,并且可以进行适时存储或远程传输等。

2.测树方法的更新与改进

例如,冯仲科等[9]在角规测树中考虑到林分蓄积空间分布不均匀的特点,以Voronoi图—泰森多边形法代替常规的算术平均法估测林分蓄积量,改进了角规测树方法,使蓄积总量估测精度更高。再如,宫鹏[10]、张超[11]、李明泽[12]等利用数字摄影测量理论与技术获取森林资源调查中的各种测树因子等,突破了常规的测树方法。

上述这些测树仪器和测树方法的更新与改进,虽然在一定程度上提高了测量的精度和效率,但是受到诸多条件的限制,目前在生产实践中还难以推广。

(三)数理统计方法的多元化和广泛应用

数理统计方法一直是测树学的重要组成部分,但过去由于受计算速度慢的影响,其应用有很大的限制。随着计算机的普及以及大量数理统计软件的出现,这一问题目前已得到有效的解决。同时,数据获取技术的发展以及人们对森林认识的进一步加深,使得对森林进行全面、准确的考量成为可能与必要,也使所获得的数据更多、更加复杂,从而需要更多地应用各种统计理论进行定量研究。这就使得数理统计方法在测树学方面的应用更为广泛并出现了多元化趋势。

目前,统计方法在测树学方面的应用正从简单统计趋向于复杂统计、从参数估计趋向于非参数估计。例如,在常规的多元统计的基础上,李崇贵[13]进行了基于岭估计和稳健估计的蓄积量估计方法的研究与评价;陈而学[14]等利用k—最近邻(k—NN)法进行了森林蓄积的估测;刘志华[15]、洪伟[16]等利用神经元网络方法(ANN)进行了森林蓄积量估测和森林资源管理模型方面的研究;马友平[17]等进行了基于灰色GM(1,1)模型的生长模型等研究。这些研究充分考虑了森林各因子之间关系的复杂性,揭示了森林各因子之间更为深刻、更为本质性的内在联系,所以研究结果更为可靠。

(四)遥感技术(RS)的日趋成熟及“3S”技术的广泛应用

20世纪70年代末,遥感技术就应用于森林资源调查的研究。随着遥感和相关技术的不断发展,其在测树学上的应用也日趋成熟,主要呈现2个特点:一是在内容上由过去单纯的森林分类和蓄积测定扩展到现在的生物量调查以及更精准的林分因子调查,如利用LiDAR技术可以获得林分的树高、郁闭度、林分密度、蓄积量和生物量等[3,4];二是在遥感工作波段上由过去的主要是光学遥感扩展到多波段遥感,如 LiDAR遥感使用的微波辐射源等[3,4]。经过多年的摸索,在理论研究和实际应用中,确认了遥感信息在森林资源监测中的主导作用,为建立以遥感技术为主要技术手段的新的森林资源监测体系提供了有力的支持。

随着20世纪90年代末地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)的兴起,遥感技术与二者的结合越来越紧密,逐渐形成了“3S”技术体系,并在理论研究与生产实践中得到广泛应用。例如,李崇贵[13]、侯长谋[18]等以“3S”技术为基础进行了林分蓄积量的测定等。再如,在实践中,国家林业局实施了全国森林资源数据库试点示范项目,建立了覆盖全国的以“3S”技术为基础的基础地理空间数据库系统、TM陆地资源卫星图像数据库等。大部分省级林业部门也建立了森林资源数据库以及有关的专业数据库,并在森林资源管理、森林防火、林业有害生物防治等方面开展了广泛应用。

二、测树学课程教学存在的问题

(一)课时缩减

高等院校推行素质教育和进行学分制改革以来,测树学课程的教学时数被压缩了近1/3。但是,测树学作为林学专业的专业基础课,课程内容都是基础性的,不能随意进行删减;同时,随着测树学内容的扩展以及新技术、新方法的引入,课程内容反而有所增加。因此,如果采用常规方法和手段开展测树学课程教学,受课时缩减的影响,各部分课程内容势必难以透彻讲述,从而影响课程的教学质量。

(二)实践教学难以实施且与理论教学脱节

实践教学是测树学课程教学的重要环节,对林学专业本科生走上工作岗位后能否胜任工作有直接的影响。尽管多数高等林业院校都开展了异地综合实习,但是由于实习时间较短、师资力量不足、实习场地分散等原因,部分学生不能完整地参与所有实习环节,教师也无法兼顾每个学生,所以实习效果受到影响。尤其是受学校教学活动安排的影响,异地综合实习通常滞后于测树学课程理论教学较长时间,所以学生在实习时对测树学理论已或多或少有所遗忘,不能实现实习内容与课堂理论知识的相互印证;理论教学与实践教学的脱节也使实习效果事倍功半。同样,在测树学理论教学过程中,由于多数高等林业院校地处城市,难以安排课程实践环节,所以学生对教师在课堂上所举的实例缺乏直观印象,难以理解计算过程。这也使理论教学的效果受到一定的影响。

三、测树学课程教学的改革探索

为了适应测树学的发展形势,提高测树学课程的教学质量,培养合格的能适应林业发展形势的综合型林业专门人才,应本着与时俱进的精神,对测树学课程教学进行改革探索。

(一)理论教学内容的改革

1.逐步提高林分生物量测定等森林生态方面调查内容的授课比例,适应林业发展形势的需要。

2.有机地将“3S”技术融入测树学课程内容,通过介绍相关论文的方法,在相关章节讲述“3S”技术在测树学中的最新应用进展,并引导学生关注相关研究。

3.在课程教学中引入数理统计软件,以一元材积表编制为例,让学生学会数理统计软件的基本使用方法并掌握各种统计的基本原理,为学生奠定坚实的科研基础。

4.在课程教学中,注意介绍测树新仪器和新方法的原理及其使用。

5.要强调电子表格在林业应用中的作用,因为现在很多林业上的基础数据及其分析处理都是以电子表格形式存在的。这对学生适应实际工作岗位上的实务要求有重要的意义。

(二)实验教学内容的改革

1.对传统的实验内容进行归纳合并。传统的实验内容立足于传统的测树学内容,并主要以笔算为主;由于考虑计算效率问题,所以很多类似的实验内容不得不分散设置,如蓄积量的测定。随着计算机的普及以及课时的缩减,对传统实验内容进行归纳合并成为必须。这有利于在不增加实验学时的前提下增加新的实验内容,同时有利于提高学生的归纳总结能力。

2.实验内容中涉及数学模型参数估计的,要采用数理统计软件处理方法代替笔算估计。

3.增设生物量(重量)测定方面的实验内容。

4.在条件成熟的情况下,设计一些“3S”技术在测树学中具体应用的实验内容。如设计一个将视差测树高与树高—材积模型结合计算林分蓄积量的实验,以提高学生对“3S”技术的认识。

5.对相关实验内容采用电子表格进行计算,以提高计算效率。

(三)实践教学的改革

1.提高师生比,开展分级指导

在异地综合实习过程中,同时安排2门课程的实习,以提高师生比;同时,增加分组数量,减少各组的人数。在学生开始实习之前,指导教师对实习的方法和步骤进行完整的现场展示,使学生对实习的整个过程有较为系统的认识;同时,重点对各组组长进行强化训练。在实际的实习活动中,由各组组长进行一般性的指导,由指导教师进行重点指导。这样,一方面可以有效地缓解师资不足与实习场地分散之间的矛盾;另一方面有利于发挥学生自身的能动性,使所有学生都能自觉地参与到实践教学的各个环节,从而提高动手能力,为今后的林业生产实践奠定坚实的基础。

2.开展现场教学

在测树学理论教学中,安排一些简单的现场教学,使学生获取一些基础数据;然后在教学过程中充分利用学生自己调查获得的数据进行举例,从而便于学生的理解,实现理论与实践的结合,提高理论教学的效果。

3.实践内容的多媒体展示

在测树学课堂教学过程中,充分利用照片、录像等手段展示与课程内容相关的野外森林调查的全过程,使学生获得直观印象并与理论相互印证,以激发学生的学习兴趣,避免课堂教学过程中理论与实践的脱节。实践表明,理论教学与实践案例相结合的方法能使学生学得更深、记得更牢,达到事半功倍的教学效果。

(四)多媒体教学的推行和加强

多媒体以其多角度、多层次的展示功能,在课堂教学中发挥着重要作用,取得了很好的教学效果。在测树学课程教学中运用多媒体进行教学,可以节约时间,缓解课时缩减与教学内容增加之间的矛盾;同时,对在教学过程中融入“3S”技术、统计软件及电子表格等内容提供了重要保证。因此,在测树学课程教学中全面推行和加强多媒体教学是有必要的。

1.及时更新多媒体教学的内容,尤其是“3S”技术方面的内容,以适应林业的发展形势。

2.在多媒体课件的设计上,要强化启发式教学方法的设计。每次提出问题之后,要首先展示相关图表,让学生自己总结规律;然后由教师进行点评和补充;最后展示最终结论。这种方式既能提高学生的综合分析能力,又促进了教学中的师生互动,有利于提高学生的课堂注意力,使教学效果明显提高。

3.设计好课堂教学的流程。由于多媒体教学需要在不同程序之间切换,如果事先不做好充分准备,就可能使教学过程不顺畅,反而浪费时间、降低了课堂效率,所以必须要明确多媒体教学的操作流程。

总之,只有及时跟踪和分析测树学的发展趋势,并据此改革测树学课程的教学内容和方法,才能培养出合格的符合林业发展形势要求的综合型林业专门人才。

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