RU2400971C2 - Способ оценки объемного запаса круглых лесоматериалов на лесосеке по категориям крупности и расположению в стволе дерева - Google Patents

Abstract

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.

Description

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.

Claims (1)

1. 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.

Images