Способ оценки объемного запаса круглых лесоматериалов на лесосеке по категориям крупности и расположению в стволе дерева

Изобретение относится к лесному и лесопарковому хозяйству и лесной промышленности. В способе отдельно, по элементам леса, производят обмер диаметров стволов всех деревьев на лесосеке на высоте 1,3 м в коре. Выборочно обмеряют высоты растущих деревьев и получают их зависимости от диаметров стволов на высоте 1,3 м в коре. Выбирают и рубят учетные деревья с обмером высоты их стволов и диаметров в коре и без коры вдоль ствола от комля к вершине. При этом выбор учетных деревьев проводят только из центральных ступеней толщины, где у части растущих деревьев измеряют толщину коры, оценку проводят для любых вариантов категорий толщины и положения в стволе. Изобретение позволяет получить заявленные оценки для различных вариантов спроса на круглые лесоматериалы, получить заявленные оценки при ограничении числа срубаемых деревьев в 2-5 раз с компьютерной реализацией всех расчетов и сократить число измерений до 2 раз. 1 ил., 5 табл.

 

Область применения

Изобретение относится к лесному и лесопарковому хозяйству и лесной промышленности и может быть использовано для оценки объемного запаса и его структуры круглых лесоматериалов на лесосеке при его оптимизации и планировании, учете и контроле, нормировании.

Преимущественные области использования изобретения - материально-денежная оценка лесосек, разработка сортиментного плана лесозаготовительных предприятий, учет и контроль использования лесосечного фонда.

Способ предназначен для основных лесообразующих пород России, т.к. основан на общих закономерностях формы ствола (Лебков В.Ф., Каплина Н.Ф. Закономерности формы древесного ствола хвойных и лиственных пород. Лесной вестник. 2001. № 5. С.49-55).

Уровень техники

Известно, что структура ствола дерева по крупности круглых лесоматериалов и их расположению в стволе зависит от многих показателей, основные из которых - диаметр ствола в коре (учитываемый на стандартной высоте 1,3 м), высота ствола, форма ствола, толщина коры, а сортиментная структура элемента леса зависит еще и от строения элемента леса по толщине деревьев.

Известен способ оценки объемного запаса круглых лесоматериалов на лесосеке по категориям их крупности и расположению в стволе дерева по учетным деревьям (Общесоюзные нормативы для таксации лесов / В.В.Загреев, В.И.Сухих, А.З.Швиденко, Н.Н.Гусев, А.Г.Мошкалев. М.: Колос. 1992. 495 с.), включающий случайный выбор деревьев для элемента леса по ступеням толщины в количестве 20-25 штук, их рубку и обмер диаметров ствола в коре и без коры в двух перпендикулярных направлениях от комля до вершины ствола при расстояниях между обмерами 1-2 м, итого 7-20 обмеров, также включающий обмер высот тех же деревьев с получением уравнения либо графика их связи с диаметрами стволов на высоте 1,3 м в коре, обмер диаметров стволов в коре всех деревьев на лесосеке на высоте 1,3 м в двух перпендикулярных направлениях. Недостатками указанного способа являются его очень большая трудоемкость и привязка к действующим стандартам на лесоматериалы. Данный способ является прототипом. Известен также табличный способ оценки объемного запаса стволов и его размерно-качественной структуры (по сортиментным и товарным таблицам, в т.ч. в виде математических моделей, разработанным по предыдущему способу) (тот же литературный источник). Недостатком указанного способа является неучет особенностей древостоя, в связи с чем таблицы дают приемлемую точность только в среднем для совокупности лесосек и только для географического района их разработки. Указанный способ не предназначен для расстроенных рубками древостоев и редин и не учитывает влияния антропогенных и климатических факторов. Также недостатком этого способа является невозможность учесть изменение требований к круглым лесоматериалам и спроса на них в отношении их размеров и положения вдоль ствола.

Цель изобретения: устранение указанных недостатков и расширение области применения, а именно экономия труда за счет снижения требуемого числа учетных деревьев в 2-4 раза, числа мест обмеров до 2 раз, снижение до 2 мест обмера диаметров ствола в коре, возможности компьютерной реализации всех вычислений, возможности повышения экономической эффективности производства путем оптимизации с учетом спроса на круглые лесоматериалы и требований к ним, обеспечение более точной информацией для планирования, учета и контроля на лесозаготовительном предприятии, создание основы способа разработки современных нормативных моделей, не требующих корректировки при изменении ОСТов.

Технический результат: способ позволяет получить заявленные оценки для различных вариантов спроса на круглые лесоматериалы и требований к ним с компьютеризацией расчетов и на этой основе оптимизировать их производство; разработанный способ позволяет получить заявленные оценки при ограничении числа срубаемых деревьев в 2-5 раз (т.е. срубается всего 5-12 деревьев) с компьютерной реализацией всех расчетов; способ позволяет получить оценку объема ствола по измерениям в ограниченном числе мест вдоль ствола, а именно в 8-ми, что сокращает число измерений до 2 раз, также разработанный способ позволяет проводить обмер стволов в коре только в двух местах обмера; способ позволяет не измерять диаметры на уровне пня, смещая этот обмер вверх по стволу, что упрощает выполнение способа и снижает ошибки в случае деформации овальной формы поперечного сечения на пне; способ позволяет при необходимости (деформация ствола, препятствия для обмера) смещать места обмера диаметров ствола учетного дерева до смежных зарубок (±6% высоты ствола).

Осуществление изобретения

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ оценки объемного запаса круглых лесоматериалов на лесосеке по категориям крупности и расположению в стволе дерева, характеризующийся тем, что отдельно, по элементам леса, проводят обмер диаметров стволов всех назначаемых в рубку деревьев на лесосеке в области высоты 1,3 м в коре и распределение этих деревьев по ступеням толщины, выбор и рубку учетных деревьев с обмером высоты их стволов и диаметров в коре и без коры от комля до вершины ствола, получение зависимости высот стволов от диаметров на высоте в области 1,3 м в коре и вычисленные объемы для середины ступени толщины умножают на число деревьев в ступени толщины и суммируют по ступеням и тем самым получают их величины для элемента леса; затем полученные оценки объемов различных категорий учета круглых лесоматериалов суммируют по элементам леса и тем самым получают их величины на лесосеке, отличается тем, что выбор учетных деревьев проводят только из центральных ступеней толщины, где у части растущих деревьев измеряется диаметр на высоте в области 1,3 м без коры по разности диаметра в коре и двойной толщины коры, которую измеряют любым щадящим способом в 4-кратной повторности, причем измерения диаметров срубленных деревьев без коры проводят на пне и в местах нанесенных зарубок, а в случае невозможности произвести замеры в указанных местах, замеры производят в пределах смежных зарубок с измерением высоты несовпадения; затем вычисляют среднее для совокупности учетных срубленных и растущих деревьев соотношение диаметров без коры и в коре на высоте в области 1,3 м, а для срубленных деревьев вычисляют также соотношение диаметров без коры и в коре на высоте в области половины высоты дерева; затем относительные величины обмеров стволов учетных деревьев без коры объединяют и вычисляют по ним параметры формы ствола регрессионной зависимости; на основе полученных данных определяют для середин ступеней толщины высоту ствола, диаметры на высоте в области 1,3 м и в области половины высоты ствола без коры, и на основе этих показателей по уравнению производят вычисление объемов без коры по отрезкам ствола, при необходимости вычисляют объем в коре с использованием соотношений диаметров в коре и без коры, затем объемы отрезков ствола суммируют в пределах категорий учета круглых лесоматериалов.

Способ соответствует современным передовым технологиям (электронные измерительные и вычислительные инструменты, позволяющие автоматизировать ввод данных и расчеты по разработанному способу; сортиментный способ заготовки древесины, требующий планирования и оптимизации выхода сортиментов). Способ осуществляется следующим образом. Отдельно по элементам леса определяют у всех предназначенных к рубке деревьев диаметры поперечных сечений ствола в коре (D) на высоте (расстоянии от основания ствола - h) 1,3 м (D_1,3), для чего проводят измерение мерной вилкой в двух взаимно перпендикулярных направлениях с вычислением средней величины этих двух обмеров, затем распределяют стволы по 1-2-4-сантиметровым ступеням D_1,3 (ступеням толщины) таким образом, чтобы число ступеней было не менее 9-10, а число деревьев в средних ступенях - не менее 25-30. Одновременно у 20-25 деревьев различной толщины, выбранных случайным образом, измеряют высоты (Н) и вычисляют коэффициенты а₁, а₂ и а₃ регрессионной зависимости:

Затем выбирают случайным образом в 3-4 центральных ступенях толщины всего 5-12 учетных деревьев (табл.1) без видимых деформаций ствола и резких отклонений по Н и по протяженности кроны.

С этими учетными деревьями производят следующие действия: на высоте ствола h=1,3 м делают поперечную зарубку. Затем дерево срубают, закрепляют мерную металлическую ленту в месте зарубки таким образом, чтобы зарубка совпадала с делением ленты 1,3 м, измеряют Н, причем при отсутствии вершинки ствола Н экстраполируется с округлением до 3% Н. Затем вычисляются величины h, равные 1/8 Н, 2/8 Н, 3/8 Н, 4/8 Н, 5/8 Н и 6/8 Н, и с помощью мерной ленты производится разметка ствола с нанесением поперечных зарубок на этих h ствола, затем на h=1,3 м и на h=1/2Н измеряют диаметры в коре (D_h), в двух взаимно перпендикулярных направлениях и вычисляют по ним среднюю величину на каждой h, затем таким же образом измеряют диаметры без коры (d_h) поперечных сечений вдоль ствола, для чего предварительно в местах обмера снимают кору топором либо ножом таким образом, чтобы она не препятствовала проведению измерений, причем измерения без коры проводятся на пне (возможно смещение места обмера, в т.ч. и выше 1,3 м, в случае деформации овальной формы поперечного сечения на пне либо других затруднений при измерении) и в местах нанесенных зарубок (возможно смещение места обмера в пределах смежных зарубок в случае затруднений при измерении), причем в случае несовпадения h места обмера с разметкой его величина измеряется. Дополнительно на растущих деревьях, выбранных тем же способом и в том же количестве, что и срубленные учетные деревья, измеряют D_1,3 и d_1,3, причем, с целью уменьшить повреждение деревьев, d_1,3 может быть измерен по разности D_1,3 и двойной толщины коры, которую измеряют любым щадящим способом в 4-кратной повторности. Затем вычисляют среднее для совокупности учетных срубленных и растущих деревьев соотношение диаметров без коры и в коре на h=1,3 м:

Для срубленных деревьев вычисляют также соотношение диаметров без коры и в коре на h=1/2Н:

Затем данные обмеров стволов срубленных деревьев представляют в относительном выражении, а именно d_h по формуле P_d=d_h/d_l,3 и h по формуле P_h=h/H, затем эти относительные величины обмеров учетных деревьев объединяют и вычисляют по ним параметры формы ствола регрессионной зависимости с₁ и с₂ (Лебков В.Ф., Каплина Н.Ф. Закономерности формы древесного ствола хвойных и лиственных пород. Лесной вестник. 2001. № 5. С.49-55):

где b - параметр, численно равный теоретическому d_1/2H.

Затем производят вычисления для каждой ступени толщины следующим образом: по величине D_1,3 середины ступени вычисляют Н по формуле (1) и d_1,3=k_1,3·D_l,3. Затем подставляют вычисленные значения d_1,3 и Н и общие для всех ступеней величины с₁ и с₂ в уравнение:

и получают:

и из уравнения (6) вычисляют величину параметра b для ступени толщины. Затем подставляют значения b, H, с₁ и с₂ в уравнение (5), что необходимо и достаточно для вычисления h для любых d_h. Например, в случае вычисления с помощью компьютерной программы, h вычисляется по градациям d_h от d_h=2d_l,3 до d_h=0. Затем вычисляют объемы отрезков ствола между смежными величинами h по формуле:

где π≈3,14 - число пи, i - порядковый номер градации диаметра. Вычисленные объемы отрезков суммируют по категориям крупности круглых лесоматериалов с учетом их требуемых длины и положения по высоте ствола. Вычисление объемов в коре для круглых лесоматериалов <6 см в верхнем отрезе без коры, отнесенных к дровам (ГОСТ 2292-88), производится делением d_h на k=k_1,3 при их расположении в нижней трети ствола, k=(k_1,3+2k_1/2)/3 при их расположении в средней трети и k=k_1/2 при их положении в верхней трети ствола. Затем объемы различных категорий учета умножают на число деревьев в ступени толщины и суммируют по ступеням и тем самым получают их величины для элемента леса. Затем полученные оценки объемов различных категорий учета круглых лесоматериалов суммируются по элементам леса и тем самым получают их величины на лесосеке, что и является решением заявленной задачи.

Пример реализации изобретения отражен на диаграмме (см. чертеж), на которой показано определение параметров формы ствола c₁ и c₂ регрессионного уравнения (4), где 1 - объединенные данные обмеров стволов 5-ти учетных деревьев в относительном выражении; рамками выделены обмеры, использованные для вычисления параметров уравнения по способу; 2 - выровненные величины по уравнению (4).

Пример реализации изобретения осуществлялся следующим образом. На лесосеке (Владимирская обл., естественное происхождение, состав 10С, группа возраста - спелые, I бонитет, полнота 0,7), включающей 102 дерева сосны, по способу определили объемный запас 2-метровых круглых лесоматериалов и его распределение по категориям учета: четырем категориям крупности, а именно с диметром в верхнем отрезе без коры больше или равном 26 см, от 14 до 25,9 см, от 6 до 13,9 см, менее 6 см, и категориям расположения в стволе, а именно в нижней, средней и верхней третях высоты ствола. Реализацию изобретения осуществили следующим образом. У 102 деревьев на лесосеке измерили диаметры в коре на высоте 1,3 м и, в соответствии с этими измерениями, распределили деревья по 4-сантиметровым ступеням толщины (табл.2). Измерили Н у 20 деревьев различных ступеней толщины и получили параметры регрессионного уравнения (1) а₁=-0,01617, а₂=1,19, а₃=6,93. Выбрали случайным образом 5 деревьев с диаметрами в пределах 20-36 см (в четырех центральных ступенях толщины), провели необходимые измерения h, D_h и d_h вдоль ствола. Дополнительно выбрали еще 5 растущих деревьев и измерили на них D_l,3 и d_l,3. По формулам (2) и (3) рассчитали k_1,3=0,893 и k_1/2Н=0,970.

По измеренным h и d_h стволов срубленных деревьев рассчитали относительные величины P_d и P_h, по объединенной совокупности которых получили регрессионное уравнение (4) (чертеж) с параметрами формы ствола с₁=0,908 и с₂=4,95.

Затем провели расчеты по ступеням толщины: Н по формуле (1), d_1/3=k_1,3 · D_1,3, b по уравнению (6) (табл.2). Подставляя значения b и Н из таблицы 2 и с₁ и с₂ в уравнение (5), вычислили h по 0,1 см градациям d_h в интервале от d_h=2d_1,3 до d_h=0.

Вычислили объемы отрезков ствола, причем в соответствии с требованиями ГОСТ 2292-88 для круглых лесоматериалов толще 6 см в верхнем отрезе вычисление объемов проводили без коры, тоньше 6 см - в коре, суммировали объемы по категориям крупности и по третям высоты ствола с учетом 2-метровой длины лесоматериалов.

Полученные величины умножили на число деревьев в ступенях толщины и суммировали по ступеням. Вычислена итоговая величина объема 102 стволов, равная 69,4 м³.

Все вычисления реализованы в Microsoft Exel с помощью макросов и надстройки «Поиск решений».

В таблице 3 приведено распределение этой величины по категориям учета. Истинные величины оценок в приведенном примере нам известны по данным сплошной рубки и обмера диаметра всех 102 стволов по 2-метровым секциям в коре и без коры. Вычисленный по сложной формуле Губера итоговый объем стволов составил 68,2 м³, та же величина, полученная по вычислениям с использованием регрессионных уравнений (5) отдельно для каждого дерева, - 68,1 м³. Таким образом, ошибка итоговой величины объема по способу в данном примере составила +1,8%. Рассчитано также эталонное распределение объема стволов по учетным категориям (табл.4).

Сравнение с данными табл.4 результатов реализации изобретения (табл.3) показывает величины погрешности способа в данном примере по категориям учета в пределах ±4%, а для объединенных крупной и средней категорий учета - в пределах ±0,3% итоговой величины объема стволов. Причем по третям высоты суммарные объемы отклоняются не более чем на ±0,5% итоговой величины.

Проверка способа по данным той же лесосеки и расчете по 10 различным вариантам выбора 5-ти срубаемых учетных деревьев показала для 3-х случаев погрешность по категориям учета в пределах ±4% от итоговой величины объема стволов, для 3-х случаев - в пределах ±1,5% и для остальных 4-х случаев - в пределах ±1,0%.

Расчетным путем, на примере той же эталонной оценки объемов, определили величины погрешностей суммарного запаса, вызываемые погрешностями используемых в способе показателей (при условии отсутствия погрешностей других показателей). В таблице 5 указаны предельные наблюдаемые величины погрешности показателей. Данные придержки можно использовать для повышения точности способа путем снижения погрешностей используемых показателей.

Способ оценки объемного запаса круглых лесоматериалов на лесосеке по категориям крупности и расположению в стволе дерева, характеризующийся тем, что отдельно по элементам леса проводят обмер диаметров стволов назначаемых в рубку деревьев на лесосеке в области высоты 1,3 м в коре и распределение этих деревьев по ступеням толщины, выбор и рубку учетных деревьев с обмером высоты их стволов и диаметров в коре и без коры от комля до вершины ствола, получение зависимости высот стволов от диаметров на высоте в области 1,3 м в коре и вычисленные объемы для середины ступени толщины умножают на число деревьев в ступени толщины и суммируют по ступеням и тем самым получают их величины для элемента леса; затем полученные оценки объемов различных категорий учета круглых лесоматериалов суммируют по элементам леса и тем самым получают их величины на лесосеке, отличающийся тем, что выбор учетных деревьев проводят только из центральных ступеней толщины, где у части растущих деревьев измеряется диаметр на высоте в области 1,3 м без коры по разности диаметра в коре и двойной толщины коры, которую измеряют с минимальным повреждением деревьев в 4-кратной повторности, причем измерения диаметров срубленных деревьев без коры проводят на пне и в местах нанесенных зарубок, а в случае невозможности произвести замеры в указанных местах замеры производят в пределах смежных зарубок с измерением высоты несовпадения; затем вычисляют среднее для совокупности учетных срубленных и растущих деревьев соотношение диаметров без коры и в коре на высоте в области 1,3 м, а для срубленных деревьев вычисляют также соотношение диаметров без коры и в коре на высоте в области половины высоты дерева; затем относительные величины обмеров стволов учетных деревьев без коры объединяют и вычисляют по ним параметры формы ствола регрессионной зависимости - C₁ и С₂ по формуле
где b - параметр, численно равный теоретическому d_1/2Н,
d_1/2H - диаметр без коры в области половины высоты дерева;
P_d=d_h/d_1,3, где d_h - диаметр без коры поперечных сечений вдоль ствола,
d_1,3, - диаметр без коры поперечных сечений на высоте 1,3 м;
P_h=h/H, где h - расстоянии от основания ствола,
Н - высота деревьев,
на основе полученных данных определяют для середин ступеней толщины высоту ствола, диаметры на высоте в области 1,3 м и в области половины высоты ствола без коры и на основе этих показателей проводят вычисление объемов без коры или объемов в коре по отрезкам ствола, объем без коры вычисляют по уравнению
где π≈3,14;
i - порядковый номер градации диаметра,
объем в коре вычисляют с использованием соотношений диаметров в коре и без коры, затем объемы отрезков ствола суммируют в пределах категорий учета круглых лесоматериалов.