Способ определения коэффициентов формы стволов растущих деревьев
Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при лесотаксационных и научно-исследовательских работах, в лесхозах, заповедниках, заказниках, ботанических садах, дендро- и лесопарках. В способе по каждому измеряемому поперечному сечению древесного ствола измеряют линейный угол двугранного угла, у которого ребро проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте измеряемого поперечного сечения ствола, после чего находят коэффициенты формы древесного ствола по формуле:
где
q - коэффициент формы древесного ствола, показывает величину отношения диаметров верхнего и нижнего измеряемых поперечных сечений ствола дерева, то есть величину диаметра верхнего поперечного сечения ствола дерева в долях от величины диаметра нижнего поперечного сечения древесного ствола;
α - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте верхнего измеряемого поперечного сечения ствола дерева;
ϕ - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте нижнего измеряемого поперечного сечения ствола дерева. Это позволит снизить трудоемкость и обеспечит безопасность операций по обмеру растущих высокорослых деревьев. 2 табл.
Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано в лесхозах, лесопарках, заповедниках, заказниках, ботанических садах и дендропарках. Преимущественная область использования изобретения - лесотаксационные работы, исследования продуктивности дендроценозов и фитоценотических популяций древесных растений, определение объема стволов деревьев, особенно редких древесных растений, включенных в списки особо охраняемых видов (Красные книги, региональные списки редких и исчезающих растений), и деревьев, имеющих большую научную, природно-познавательную или историческую ценность (деревья-великаны, деревья-долгожители, деревья-рекордисты и иные достопримечательные деревья).
Известен способ определения сбежистости и формы стволов деревьев (см. учебники «Лесная таксация», автор - академик ВАСХНИЛ Н.П.Анучин / Москва-Ленинград: Гослесбумиздат, 1952; Москва: Лесная промышленность, 1977; Москва: Лесная промышленность, 1982), по которому на предварительно срубленном дереве (для этого специально производят рубку «модельных» деревьев, то есть средних по параметрам деревьев в данной обследуемой совокупности деревьев) выполняют непосредственное измерение (линейками, мерными вилками) диаметров поперечных сечений древесного ствола в различных местах по длине ствола (обычно измеряют диаметры ствола на расстоянии 1,3 м от основания ствола дерева, на половине длины ствола, на 1/4 длины ствола, на 3/4 длины ствола, в комлевой зоне дерева и т.д.) и затем путем сравнения значений указанных диаметров находят различные показатели, характеризующие сбежистость и форму древесного ствола (абсолютный и относительный сбег, коэффициенты формы ствола, соотношения диаметров ствола на разных высотах и т.д.). При обмере малорослых деревьев (высота деревьев не более 5-7 м) указанный способ практически возможно осуществлять и без срубки модельных деревьев, при этом непосредственные измерения диаметров стволов на различных высотах выполняют на растущих деревьях.
Недостатком указанного способа-прототипа является то, что для его осуществления необходимо производить рубку обследуемых деревьев, если их высота больше 5-7 м. Применить указанный способ-прототип к редким древесным растениям (включенные в Красную книгу Российской Федерации Taxus cuspidata, Taxus baccata, Betula maximowicziana, Magnolia obovata, Kalopanax septemlobus, Bothrocaryum controversum, Acer japonicum, Quercus dentata, Pinus pityusa, Juniperus excelsa и др.) практически невозможно, так как рубка этих древесных пород законодательно запрещена. Кроме того, при обмере высокорослых деревьев (высота более 5-7 м) без их срубки осуществление указанного способа требует значительных трудозатрат, так как непосредственные измерения диаметров стволов на различных высотах на растущих высокорослых деревьях сопряжены с немалыми трудностями, в том числе и трудностями в обеспечении безопасности труда оператора. При этом в процессе непосредственного обмера растущих высокорослых деревьев обмеряемые древесные растения подвергаются значительной опасности травмирования (обдир коры, облом веток и др.), особенно это касается таких тонкокорых редких видов, как Taxus cuspidata, Taxus baccata, Bothrocaryum controversum, Magnolia obovata и др., а повреждение древесных растений недопустимо в природоохранном отношении. Как указывается в специальной литературе (см. «Лесная таксация» / Семенюта Ф.И. - Москва: Гослесбумиздат, 1961, стр. 40), чтобы вычислить коэффициент формы ствола растущего дерева, который необходим для определения видового числа, а по нему - объема ствола, требуется измерять диаметр на половине высоты ствола; так как у растущего дерева измерить этот диаметр очень трудно, делаются попытки усовершенствовать специальный прибор - дендрометр, с помощью которого можно было бы легко измерять диаметр на любой высоте дерева.
Цель изобретения - устранение указанных недостатков, снижение трудоемкости и обеспечение безопасности операций по обмеру растущих высокорослых деревьев, то есть обеспечение возможности малотрудоемкого и безопасного обмера растущих высокорослых деревьев, возможности малотрудоемких дистанционных измерений сбежистости и формы стволов деревьев без их срубки, экологизация (приведение в соответствие с природоохранными требованиями) измерительных работ.
Сущность и отличительные признаки разработанного способа поясняются следующим. У каждого обмеряемого дерева определяют его вид и по общепринятой в лесной таксации методике измеряют диаметр древесного ствола на расстоянии 1,3 м от основания ствола и высоту дерева. Затем с наиболее удобной для визирования, произвольно выбранной одной точки визируют на растущее (стоящее) обмеряемое дерево, при этом поочередно визируют на измеряемые поперечные сечения ствола в различных местах по длине ствола (например, на расстоянии 1,3 м от основания ствола дерева, на половине длины ствола, на 1/4 длины ствола, на 3/4 длины ствола, в комлевой зоне и т.д.). При этом по каждому обмеряемому поперечному сечению древесного ствола измеряют линейный угол двугранного угла, ребро которого проходит через точку визирования, а грани (полуплоскости) которого параллельны оси древесного ствола (для случаев вертикально растущих деревьев укатанные грани вертикальны) и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности ствола в месте измеряемого поперечного сечения ствола дерева. Затем находят коэффициенты формы древесного ствола по формуле;
где q - коэффициент формы древесного ствола, показывает величину отношения диаметров верхнего и нижнего измеряемых поперечных сечений ствола дерева, то есть показывает величину диаметра верхнего поперечного сечения ствола дерева в долях от величины диаметра нижнего поперечного сечения древесного ствола (в лесной таксации общепринято соотносить диаметры ствола в разных местах по его длине к диаметру ствола на расстоянии 1,3 м от основания ствола дерева);
α - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани (полуплоскости) которого параллельны оси древесного ствола (для случаев вертикально растущих деревьев указанные грани вертикальны) и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте верхнего измеряемого поперечного сечения ствола дерева;
ϕ - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола (для вертикально растущих деревьев указанные грани вертикальны) и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте нижнего измеряемого поперечного сечения ствола (в лесной таксации нижним поперечным сечением принято считать сечение на расстоянии 1,3 м от основания ствола).
Пример. В ходе испытаний разработанного способа применяли различные угломерные инструменты, при этом выяснено, что наилучшими инструментами для осуществления разработанного способа являются геодезические угломерные приборы: теодолиты (для особо точных измерений) и буссоли (для измерений о практически достаточной точностью). При этом были определены основные факторы, обусловливающие точность измерительных работ, а также была произведена математико-статистическая оценка точности разработанного способа и его сравнение со способом-прототипом. Выяснено, что точность определения коэффициента формы древесного ствола по разработанному способу в основном зависит от средней квадратической погрешности измерения угла одним приемом и величины измеряемого линейным углом двугранного угла (смотрите таблицу 1), а величина этого угла зависит от диаметра ствола обмеряемого дерева и от расстояния от точки визирования до ближайшей точки поверхности ствола обмеряемого дерева, что позволило составить вспомогательную таблицу для определения (при осуществлении способа) предельных расстояний от ближайшей точки поверхности ствола обмеряемого дерева до места установки угломерного геодезического прибора в зависимости от необходимой точности определения коэффициента формы древесного ствола, от толщины (диаметра) ствола обмеряемого дерева и от уровня точности применяемого угломерного геодезического прибора, то есть от средней квадратической погрешности измерения угла одним приемом (смотрите таблицу 2). Указанную таблицу постоянно использовали при выборе места установки угломерного геодезического прибора. Для особо точных измерений двугранных углов по описываемому способу наиболее целесообразно использовать высокоточные теодолиты, у которых средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом не превышает 5 угловых секунд (теодолит Т5 и др.).
Разработанный способ применяли при лесотаксационных работах по определению продуктивности дендроценозов с участием редких древесных растений, включенных в списки особо охраняемых видов (Красная книга Российской Федерации и др.), и фитоценотических популяций древесных растений, образующих указанные дендроценозы (лесные фитоценозы Южных Курил и южного Горного Крыма). У каждого обмеряемого дерева определяли его вид и общепринятыми в лесной таксации методами измеряли диаметр древесного ствола на расстоянии 1,3 м от основания ствола и высоту дерева. Для измерения углов использовали геодезическую буссоль БГ-1, насаженную на длинную (до уровня глаз оператора) заостренную на нижнем конце прямую палку, которую устанавливали в удобном для визирования месте параллельно оси обмеряемого древесного ствола (при обмере не наклоненных, вертикально растущих деревьев палку устанавливали вертикально). При этом при выборе места установки буссоли использовали данные таблицы 2, то есть учитывали предельные расстояния от точки визирования до ближайшей точки поверхности ствола обмеряемого дерева, что выполняли в целях обеспечения необходимой точности определения коэффициента формы древесного ствола. При работе в горных лесах, на склонах буссоль обязательно устанавливали с нагорной стороны от обмеряемого дерева (вверху по склону), так как этим обеспечивали наилучший обзор ствола обмеряемого дерева. По подавляющему большинству обмеренных деревьев буссоль устанавливали на таком расстоянии от дерева, при котором относительная ошибка определяемого коэффициента формы одного древесного ствола была менее ±3%, во всех случаях указанная ошибка для каждого ствола не превышала ±5%. Через диоптры буссоли (глазной и предметный) поочередно визировали на измеряемые поперечные сечения ствола, расположенные в 2-х следующих местах по длине ствола: на расстоянии 1,3 м от основания ствола дерева и на 1/2 длины ствола. По каждому обмеряемому поперечному сечению древесного ствола измеряли линейный угол двугранного угла, грани (полуплоскости) которого были параллельны оси древесного ствола (для вертикально растущих деревьев указанные грани были вертикальны) и проходили через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте измеряемого поперечного сечения ствола дерева, а ребро двугранного угла проходило через точку визирования (место установки буссоли). Затем, после выполнения натурных измерений, с помощью компьютера находили коэффициенты формы древесного отвода по вышеуказанной формуле.
Разработанный способ позволил без срубки модельных деревьев получить ранее неизвестные коэффициенты формы древесного ствола (и на их основе видовые числа для определения объема стволов деревьев) в дендроценозах Южных Курил с участием редких видов у фитоценотических популяций доминантов (Abies sachalinensis, Picea ajanensis, Picea glehnii, Betula ermanii, Ainus hirsuta, Fraxinus mandshurica, Ulmus laciniata, Ulmus japonica, Acer mayrii и др.) и редких древесных пород (Taxus cuspidata, Magnolia obovata, Bothrooaryum controversum, Kalopanax septcrnlobus, Quercus dentata, Quercus crispula, Cerasus sachalinensis, Padus ssiori, Phellodendron sachalinense и др.), а также в дендроценозах южного Горного Крыма с участием редких видов у фитоценотических популяций доминантов (Pinus pallasiana, Quercus pubescens, Quercus pttraea, Carpinus betulus, Fagus sylvatica, Fagus orientalis, Fraxinus excelsior и др.) и редких видов (Pinus pityusa [stankewiczii], Juniperus excelsa, Taxus baccata, Arbutus andrachne, Pistacia mutica).
По сравнению со способом-прототипом, разработанный способ обладает следующими преимуществами;
1. По разработанному способу для выполнения измерительных операций не требуется срубка модельных деревьев, что имеет природоохранное значение. Разработанный способ позволяет осуществлять дистанционные измерения сбежистости и формы стволов растущих высокорослых деревьев без их срубки, существенно снижает трудоемкость операций по обмеру растущих высокорослых деревьев и обеспечивает безопасность измерительных работ.
2. При измерении углов теодолитами, у которых средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом не превышает 15 угловых секунд, разработанный способ значительно превосходит прототип по точности определения коэффициента формы древесного ствола.
3. При использовании для измерения углов высокоточных теодолитов, у которых средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом не превышает 5 угловых секунд, разработанный способ позволяет на высоком уровне точности определять коэффициенты формы древесного ствола у недоступных деревьев (деревья, произрастающие на отвесных скалах, как, например, Arbutus andrachne, Pinus pallasiana, Junipeus excelsa, Juniperus oxycedrus в южном Горном Крыму; и др.), что невозможно (или чрезвычайно трудно) осуществить по способу-прототипу.
Благодаря указанным преимуществам разработанный способ может быть использован для дистанционных измерений сбежистости и формы стволов растущих высокорослых деревьев без их срубки, для дистанционных обмеров редких деревьев (виды, включенные в Красную книгу РФ; деревья, представляющие большую научную, историческую, культурную ценность; деревья-гиганты и т.д.). Кроме того, разработанный способ дает реальную возможность экологизировать методику обмеров древесных растений, обеспечить приведение этой методики в соответствие с природоохранными требованиями, что вносит существенный вклад в сохранение дендрофлоры, особенно редкой. Разработанный способ перспективен для внедрения в лесном хозяйстве, в заповедниках, заказниках, в ботанических садах, дендро- и лесопарках.
| Таблица 1 |
Точность определения по разработанному способу коэффициента формы древесного ствола в зависимости от уровня точности угломерного геодезического прибора и от величины двугранного угла, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности ствола в месте измеряемого поперечного сечения ствола дерева
| Точность измерения углов при осуществлении разработанного способа - средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом, в угловых секундах /"/ и минутах /'/ (тип геодезического угломерного прибора) | Минимальная величина двугранного угла (не менее, в угловых градусах /°/ и угловых минутах /'/), при которой обеспечивается следующая точность определения коэффициента формы древесного ствола (q) по разработанному способу, и сравнение точности разработанного способа с прототипом | ||||
| По точности разработанный способ превосходит прототип | Точность способа одинакова с прототипом | Точность достаточна, но меньше, чем у прототипе | |||
| Очень высокая точность, ошибка не более ±0,1% | Высокая точность, ошибка от ±0,1% до ±0,4% | Ошибка от ±0,5% до ± 1,1% | Ошибка менее ±3% | Ошибка до ±5% | |
| Погрешность 5" (теодолит Т5) | 1°20' | 30' | 10' | 4' | 3' |
| Погрешность 15" (теодолит Т15) | 3°40' | 1°20' | 30' | 20' | 10' |
| Погрешность 30" (теодолит Т30) | 7°30' | 2°30' | 1° | 30' | 20' |
| Погрешность 2,5' (буссоль БГ-1) | - | - | 5° | 2° | 1°10' |
| Таблица 2 | ||||||
| Вспомогательная таблица для определения предельных расстояний от обмеряемого дерева до места установки угломерного геодезического прибора | ||||||
| Ступень толщины обмеряемого дерева, см | Точность измерения углов - средняя квадратическая погрешность измерения угла одним приемом, в угловых секундах /"/ и минутах /'/ (тип геодезического угломерного прибора) | Предельные расстояния от точки визирования до ближайшей точки поверхности ствола обмеряемого дерева (не более, в метрах) и точность определения коэффициента формы древесного ствола (q) по разработанному способу и его сравнение с прототипом | ||||
| Поточности разработанный способ превосходит прототип | Точность способа одинакова с прототипом | Точность достаточна, но меньше, чем у прототипа | ||||
| Очень высокая точность, ошибка не более ±0,1% | Высокая точность, ошибка от ±0,1% до ±0,4% | Ошибка от ±0,5% до ±1,1% | Ошибка не менее ±3% | Ошибка до ±5% | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 8 | 5" (Т5) | 3,4 | 9,1 | 27,5 | 68,7 | 91,6 |
| 15" (Т15) | 1,2 | 3,4 | 9,1 | 13,7 | 27,5 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 0,9 | 2,3 | 3,9 | |
| 12 | 5"(Т5) | 5,1 | 13,7 | 41,2 | 103,1 | 137,4 |
| 15" (T15) | 1,8 | 5,1 | 13,7 | 20,6 | 41,2 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 1,3 | 3,4 | 5,8 | |
| 16 | 5" (Т5) | 6,8 | 18,3 | 54,9 | 137,4 | 183,3 |
| 15" (Т15) | 2,4 | 6,8 | 18,3 | 27,4 | 54,9 | |
| 2,5'(БГ-1) | - | - | 1,8 | 4,5 | 7,8 | |
| 20 | 5" (Т5) | 8,5 | 22,8 | 68,7 | 171,8 | 229,1 |
| 15" (Т15) | 3,0 | 8,5 | 22,8 | 34,3 | 68,7 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 2,2 | 5,6 | 9,7 | |
| Продолжение таблицы 2 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 24 | 5" (Т5) | 10,2 | 27,4 | 82,4 | 206,1 | 274,9 |
| 15" (Т15) | 3,6 | 10,2 | 27,4 | 41,1 | 82,4 | |
| 2,5'(БГ-1) | - | - | 2,6 | 6,8 | 11,7 | |
| 28 | 5" (Т5) | 11,9 | 31,9 | 96,1 | 240,5 | 320,7 |
| 15" (Т15) | 4,2 | 11,9 | 31,9 | 48,0 | 96,1 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 3,1 | 7,9 | 13,6 | |
| 32 | 5" (Т5) | 13,6 | 36,5 | 109,8 | 274,9 | 366,5 |
| 15" (Т15) | 4,8 | 13,6 | 36,5 | 54,8 | 109,8 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 3,5 | 9,0 | 15,6 | |
| 36 | 5" (Т5) | 15,3 | 41,1 | 123,6 | 309,2 | 412,3 |
| 15" (Т15) | 5,4 | 15,3 | 41,1 | 61,7 | 123,6 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 3,9 | 10,1 | 17,5 | |
| 40 | 5" (Т5) | 17,0 | 45,6 | 137,3 | 343,6 | 458,2 |
| 15" (Т15) | 6,0 | 17,0 | 45,6 | 68,6 | 137,3 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 4,4 | 11,3 | 19,4 | |
| 44 | 5" (Т5) | 18,7 | 50,2 | 151,0 | 377,9 | 504,0 |
| 15" (T15) | 6,7 | 18,7 | 50,2 | 75,4 | 151,0 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 4,8 | 12,4 | 21,4 | |
| 48 | 5" (T5) | 20,4 | 54,8 | 164,8 | 412,3 | 549,8 |
| 15" (T15) | 7,3 | 20,4 | 54,8 | 82,3 | 164,8 | |
| 2,5 (БГ-1) | - | - | 5,3 | 13,5 | 23,3 | |
| 52 и более | 5" (Т5) | 22,1 | 59,3 | 178,5 | 446,6 | 595,6 |
| 15" (Т15) | 7,9 | 22,1 | 59,3 | 89,1 | 178,5 | |
| 2,5' (БГ-1) | - | - | 5,7 | 14,6 | 25,3 |
Способ определения коэффициентов формы стволов растущих деревьев, включающий визирование с одной точки на противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте измеряемых поперечных сечений древесного ствола на заданных высотах, измерение углов и нахождение соотношений измеренных параметров, отличающийся тем, что по каждому измеряемому поперечному сечению древесного ствола измеряют линейный угол двугранного угла, у которого ребро проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте измеряемого поперечного сечения ствола, после чего находят коэффициенты формы древесного ствола по формуле
где q - коэффициент формы древесного ствола, показывает величину отношения диаметров верхнего и нижнего измеряемых поперечных сечений ствола дерева, то есть величину диаметра верхнего поперечного сечения ствола дерева в долях от величины диаметра нижнего поперечного сечения древесного ствола;
α - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте верхнего измеряемого поперечного сечения ствола дерева;
ϕ - измеряемый линейным углом двугранный угол, ребро которого проходит через точку визирования, а грани параллельны оси древесного ствола и проходят через противоположные крайние видимые точки поверхности древесного ствола в месте нижнего измеряемого поперечного сечения ствола дерева.
