Как рассчитать полноту насаждения

Полнота насаждения, её определение. Полнотомер В. Биттерлиха и призма Н.П. Анучина, работа с ними

Полнота насаждения – это степень плотности стояния деревьев, характеризующая в какой мере использовано занимаемое ими пространство. Это один из главнейших таксационных показателей, при помощи которого определяют запас насаждения. Для характеристики полноты насаждения используют числовые показатели.

При определении полноты в качестве эталона берут так называемое нормальное насаждение. Профессор М.М. Орлов называет нормальным такое насаждение, которое при данной форме, породе, возрасте и условиях местопроизрастания считается наиболее совершенным, т.е. это насаждение, в котором нет ни одного лишнего или недостающего дерева.

Главным критерием для суждения о полноте насаждения является степень сомкнутости крон деревьев, называемая сомкнутостью полога.

Полнота определяется отдельно для каждого яруса лесного насаждения по данным измерений сумм площадей поперечного сечения стволов деревьев яруса полнотомером, перечета деревьев на пробных площадях или круговых площадках постоянного радиуса, по отношению к данным стандартных таблиц.

Полноту таксируемого насаждения определяют по формуле:

Где ∑G_d – сумма площадей поперечных сечений деревьев, имеющихся на 1 га данного насаждения (находят при помощи полнотомера, данным перечета деревьев на пробных площадях или круговых площадках постоянного радиуса);

∑G_n – сумма площадей поперечных сечений нормального насаждения (эти данные указываются в стандартных таблицах).

В молодняках высотой до 3 метров полнота определяется по степени сомкнутости крон лесного насаждения. Для молодняков, формирующихся из естественного возобновления древесных пород и находящихся в стадии смыкания крон, полнота определяется по количеству древесных растений в пересчете на 1 гектар. Если это количество соответствует нижнему пределу удовлетворительной оценки естественного лесовосстановления в соответствии с Правилами лесовосстановления, полнота принимается условно равной 0,4. При большем количестве экземпляров подроста полнота определяется прибавлением по 0,1 единицы полноты на каждую четвертую часть его минимального количества, соответствующего удовлетворительной оценке.

При вычислении полноты по данным измерений сумм площадей поперечного сечения стволов деревьев значение ее округляется до первой значащей цифры после запятой по правилам округления. Если полнота по данным измерений получается больше 1,0 по отношению к значению нормальной суммы площадей сечений, в карточке таксации и в таксационном описании проставляется ее вычисленное значение (единица с одной значащей цифрой после запятой).

Опытный таксатор полноту насаждений по сомкнутости крон устанавливает глазомерно.

Для определения суммы площадей поперечных сечений таксируемых древостоев используют полнотомер Биттерлиха и призму Анучина.

Источник

Способ определения полноты древостоев

Владельцы патента RU 2294622:

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к дистанционному мониторингу лесов путем получения и обработки изображений лесных массивов.

Одним из важнейших таксационных показателей насаждений при расчете запаса древостоев является полнота. Различают полноту абсолютную и относительную [см., например, Справочник, «Общесоюзные нормативы для таксации лесов», Колос, Москва, 1992 г., стр.116].

При наличии данных об абсолютной полноте определяется по соотношению сумм площадей сечений на 1 га таксируемого (ΣG_T) и нормального древостоя той же породы и типа леса (ΣG_H):

где ΣG_H берутся из стандартных таблиц сумм площадей сечений.

Наибольшее распространение на практике имеет метод визуального определения относительной полноты таксатором путем зрительного восприятия и сравнительной оценки данных таксируемого древостоя с выработавшимся в процессе тренировок на пробных площадях стереотипом нормального древостоя: по сомкнутости полога, плотности стояния деревьев с учетом их диаметров, соотношения высот ярусов и др. показателям.

Недостатками способа визуальной оценки являются:

— отсутствие документальной воспроизводимости; реальный документ-карточка или протокол таксатора;

— отсутствие инструментария, количественного измерения какой-либо функции и средств измерений этой функции;

— субъективность способа и большой диапазон ошибок.

При дистанционных методах мониторинга лесов получают их изображение, которое является документальным подтверждением как площади оцениваемого массива, так и его характеристик, извлекаемых из изображений путем программной обработки.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ вычисления запаса лесных массивов» Патент RU №2.242.867, A 01 G, 23/00; G 03 B, 37/00, 2004 г.

В способе ближайшего аналога получают изображение лесов, содержащих пробные площадки, в виде цифровой матрицы зависимости яркости I(х, у) от пространственных координат, рассчитывают пространственный спектр Фурье матрицы и находят среднюю частоту F_ср, диаметр кроны среднего дерева Д_ср=1/F_cp, площадь рельефа древесного полога S_p, в виде мозаики аппроксимирующих рельеф треугольников, вычисляют полноту насаждения П через отношение площади рельефа пробной площадки S_рп к удельной площади рельефа древесного полога, домноженного на полноту пробной площадки П_п

вычислением среднего количества деревьев на участке

Недостатками ближайшего аналога являются:

— площадь рельефа древесного полога (размерность м 2 ) не может быть вычислена по безразмерной функции яркости I(х, у), которая обычно квантуется в шкале 0. 256 уровней, без введения метрического коэффициента глубины (размерность м/шаг квантования);

— отсутствует эталонная функция зависимости относительной полноты древостоя от площади рельефа древесного полога: П=П(S_р).

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в определении количественных зависимостей между расчетной площадью рельефа древесных пологов и относительной полнотой насаждений путем программной обработки изображений лесов.

Поставленная задача решается тем, что способ определения полноты древостоев, при котором получают изображение лесов, содержащих пробные площадки в виде цифровой матрицы |m×n| зависимости функции яркости I(х, у) от пространственных координат, рассчитывают пространственный спектр Фурье матрицы, находят среднюю частоту F_cp и диаметр кроны среднего дерева: Д_ср=1/F_cp, вычисляют среднеквадратическое отклонение σ сигнала матрицы обрабатываемого участка, вводят калибровочный коэффициент шкалы функции яркости Δh (м/шаг квантования)=Н/2σ, программным расчетом функции

определяют площадь рельефа древесного полога, получают эталонный ряд зависимостей известной относительной полноты пробных площадок от вычисленных значений площади их рельефов, определяют относительную полноту таксируемого массива по соотношению S_p/S_геом интерполированием смежных значений эталонного ряда, где:

; .

Изобретение поясняется чертежами, где:

Техническая сущность способа состоит в следующем:

Определение полноты, как отношение сумм площадей сечений деревьев применимо лишь для перечислительной таксации. При глазомерной таксации найти соотношение сумм площадей сечений деревьев, определяющих полноту насаждения, невозможно. Сумма площадей сечений всех деревьев, образующих насаждение, составляет по отношению к занимаемой насаждением территории весьма малую величину 0,002. 0,004. Такие величины на глаз практически неуловимы. В наиболее распространенных насаждениях горизонтальные проекции крон деревьев составляют 0,4. 0,8 от занимаемой насаждением площади. Такие величины уже легче установить на глаз. Благодаря ежегодному приросту на десятки см побегов и ветвей, образующих крону деревьев, существенно изменяются как проекция крон, так и площадь рельефа древесного полога, образуемая совокупностью крон. Следует ожидать, что метод расчета относительной полноты древостоев путем отслеживания динамики изменения площади рельефа древесного полога, как это иллюстрируется фиг 2, обладает более высокой чувствительностью, чем известные аналоги.

Из математики известно [см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисление для ВУЗов», учебник, 5 е изд., том.2, §7 Вычисление площади поверхности, стр.73-74, Наука, Москва, 1964 г.], что площадь рельефа вычисляют, как поверхностный интеграл функции h(x, у), заданной в области Ф:

Аналогом поверхностной функции h(x, у) является функция яркости изображения I(х, у). Поскольку функция яркости I(х, у) обычно квантуется в шкале 0. 256 уровней квантования, то чтобы получить размерность площади S в [м 2 ], функция яркости должна иметь размерность высоты рельефа, [м], т.е. шкалу яркости необходимо прокалибровать. Для этого вычисляют среднеквадратическое значение яркости σ. Зависимость среднеквадратического отклонения яркости от изрезанности рельефа древесного полога иллюстрируется фиг.3. Двойную величину (2σ) отождествляют с высотой рельефа древесного полога Н. Тогда калибровочный коэффициент глубины изображения Δh рассчитывают как: Δh=Н/2σ. Абсолютное значение высоты Н определяют в зависимости от диаметра кроны среднего дерева и расчетной функции пространственного спектра матрицы |m×n| изображения [см., например, С.В.Белов, Н.Д.Дмитриев, А.Е.Колосова «Аэрофотосъемка и авиация в лесном хозяйстве», Учебное пособие, Всесоюзный заочный ЛТИ, 1962 г., стр.145, табл.15, а также Анучин Н.П. «Лесная таксация», 1982 г., стр.250 и Патент RU №2.133.565, 1999 г.]. Эта зависимость для деревьев первой и второй групп имеет вид:

В свою очередь, значение D_cp=1/F_cp рассчитывают путем вычисления пространственного спектра функции яркости изображения прямым преобразованием Фурье. Функции огибающих пространственного спектра участков в зависимости от изрезанности рельефа древесного полога иллюстрируются фиг.4.

Следующей задачей является непосредственный расчет площади рельефа. Как следует из аналитического выражения поверхностного интеграла, поскольку частные производные ∂h/∂х, ∂h/∂у неизвестны, а сама функция задана матрицей |m×n| дискретных отсчетов, интеграл может быть рассчитан только численным методом.

Для достижения заданных точностей вычисления функций часто используют их разложение в бесконечный ряд.

Затем обратным Фурье-преобразованием представляют рельеф I(х, у) бесконечным тригонометрическим рядом:

Учитывая, что отрицательных частот не существует, тригонометрический ряд представляют в виде:

Вычисляют частные производные рельефа по координатам х, у:

Расчет S_p осуществляется по специально разработанной математической программе, представленной в примере реализации. Последовательно обрабатывая различные участки, содержащие пробные площадки, с известными значениями относительной полноты, получают эталонный ряд зависимостей относительной полноты от расчетной величины площади рельефа древесного полога:

Используя эталонный ряд, относительную полноту таксируемого массива определяют по расчетной величине S_р/S_{геометрич} интерполированием (редуцированием).

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства фиг.7 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1, типа Международной космической станции (МКС) с установленной на ее борту поворотной платформой 2 (±15° от надира) и цифровой фотокамерой 3 (типа KODAK DCS760). Съемка запланированных участков лесов 4, включение фотокамеры 3 и выставка поворотной платформы 2 осуществляет бортовой комплекс управления 5 (БКУ) по командам, передаваемым из центра управления полетом 6 (ЦУП) по радиолинии управления 7. Информацию изображений лесных массивов 4 записывают на бортовой видеомагнитофон 8 (типа «Нива») и в сеансах видимости МКС с наземных пунктов сбрасывает по автономному каналу передачи данных 9 на наземные пункты приема информации 10 (ППИ), где осуществляют запись массивов информации на видеомагнитофон 11 (типа «Арктур»).

Обрабатывалось изображение лесного массива Щелковского лесхоза [снимок системы «Ресурс», заказ Госцентра «Природа» №11/93-42], содержащего пробные площадки, таксационные характеристики которых ежегодно возобновляются студентами Лесного факультета МГУЛ при производственной практике. Изображение вводилось в ПЭВМ путем сканирования снимка сканером типа «Panasonic» с разрешением 1024 точки на дюйм, масштаб снимка соответствовал 1:550. Уровень яркости изображения I(х, у) находится в интервале I_max=152, I_min=12, среднее значение =46, среднеквадратическое отклонение яркости σ=62.

Стандартной процедурой специализированного программного обеспечения MATH САД вычислялся пространственный спектр участка изображения. Расчетные значения огибающих пространственных спектров различных участков (1, 2) иллюстрируются фиг.4. Средняя частота пространственного спектра первого участка составила (фиг.4) F_cp=0,32.

Откуда диаметр кроны среднего дерева Д_ср=1/F_cp=3,1 м.

Регрессионная зависимость высоты древостоя от диаметра кроны среднего дерева (средней частоты пространственного спектра) иллюстрируется графиками фиг.5. Пространственное разрешение обрабатываемого участка составило: Δх=Δу=1,4 м/пиксель, Δh=Н/2σ [м/шаг квантования]=0,25 м. После определения масштабных значений х, у, h расчет площади рельефа осуществляют численным методом по следующей программе:

Текст программы вычисления площади рельефа древесного полога.

Источник

ПОЛНОТА ДРЕВОСТОЕВ

В любом древостое характер расположения деревьев по площади, а также их густота различны. Это зависит от древесной породы (светолюбивая, теневыносливая), условий роста (класса бонитета), размеров деревьев и состояния самого древостоя. Деревья светолюбивых пород по сравнению с теневыносливыми при прочих равных условиях образуют менее плотные древостои. При одних и тех же размерах деревьев насаждения при лучших условиях роста имеют на единице площади большее число стволов, чем растущие в худших условиях. Несмотря на то, что с увеличением возраста и размеров деревьев число их на единице площади уменьшается, сумма площадей их сечений и запас насаждения увеличиваются. Древостои, пройденные различными рубками (выборочными, санитарными, ухода), как правило, более изрежены, чем естественно формирующиеся.

Для оценки плотности стояния деревьев применяется понятие о полнотедревостоя, под которым понимается показатель, характеризующий степень использования деревьями древостоя занимаемого ими пространства.

Полнота — один из важнейших таксационных показателей, позволяющий определять запас насаждения, характеризовать его состояние и намечать хозяйственные мероприятия. Чтобы определить полноту древостоя, можно использовать данные о сумме площадей его сечений, запаса, числа деревьев на 1 га и степени сомкнутости полога. Полнота, устанавливаемая по сумме площадей сечений, называется таксационнойи служитдля определения запаса и прироста. Полнота определенная по степени сомкнутости крон – лесоводственнойи служит для назначения хозяйственных мероприятий.

В одном и том же насаждении таксационная и лесоводственная полноты могут различаться. Соотношение между ними не постоянно и меня- ется в зависимости от породы, возраста, состояния насаждений и условий местопроизрастания.

Различают абсолютную и относительную полноту. Абсолютнаяполнота насаждения выражается в квадратных метрах на 1-ra как общая сумма площадей сечений на высоте груди всех деревьев элемента леса или яруса (например, 32 м 2 ) или как общая площадь горизонтальных проекций крон, образующих полог древостоя (например, 6000 м 2 ).

В производственных условиях чаще определяют относительнуюполноту, выражаемую в десятых долях единицы. За единицу принимают полноту сомкнутого насаждения на 1 га, которая для данной породы, возраста (высоты) и условий местопроизрастания является максимальной. Такие насаждения называются нормальными.Согласно заданному условию нор- мальным считается насаждение, в котором в максимальной степени используются все природные возможности занимаемой им площади, т. е. такое, в котором нет лишних или недостающих деревьев. Если же в древостой без ущерба для окружающих деревьев можно добавить еще сколько-то, то полнота его окажется меньше 1,0. Так, к древостоям с полнотой 0,5 относятся те, в которых к уже имеющемуся количеству можно добавить еще столько таких же деревьев.

Относительную полноту по сомкнутости полога определяют как частное от деления площади проекции всего полога древостоя (абсолютная сомкнутость) на общую занимаемую им площадь:

П = 6000 м 2 /10000 м 2 = 0,6

Нормальные насаждения, т. е. полнота которых 1,0, имеют и максимальные запасы древесины. Это обстоятельство может быть использовано для определения полноты других, более изреженных древостоев, путем вычисления соотношений между их запасами и запасами нормальных насаждений.

П = Мд/Мн= 260/383= 0,68 (округленно 0,7)

П= ΣGд / ΣGн =25/37,2= 0,67 (округленно 0,7).

Сведения о полноте позволяют классифицировать насаждения по их фактической продуктивности.

Например, в древостое с полнотой 0,5 при прочих одинаковых таксационных показателях запас в 2 раза меньше, чем при полноте 1,0, и т. д. Следовательно, относительная полнота насаждения так же, как и класс бонитета, выполняет роль классификационного признака и должна устанавливаться по единым правилам и нормативам.

Правильное определение относительной полноты во многом зависит от того, что принимать за эталон полноты, т. е. за 1,0. В разных таблицах хода роста, составленных для отдельных географических районов, суммы площадей сечений даже для одной породы, возраста и класса бонитета неодинаковы. Использование их в качестве эталона полноты приводит к тому, что таксируемые в разных районах насаждения, имеющие одинаковые суммы площадей сечений и даже запасы, будут иметь разную, несопоставимую относительную полноту. С целью устранения этого недостатка, а также упрощения техники расчетов, в 1937 г. группа сотрудников ЦНИИЛХа под руководством Н. В. Третьякова предложила стандартную таблицу сумм площадей сечений и запасовнасаждений при полноте 1,0 (см. лесотаксационные справочники). В основу ее построения положена теория Эйхгорна о том, что в пределах породы сумма площадей сечений и запасы нормальных насаждений могут определяться по их высоте независимо от географического района, условий роста и других таксационных показателей. Поэтому исходными данными для таблицы являются лишь древесная порода и средняя высота древостоя.

П= ΣGд / ΣGст = 28/36 = 0,78 ≈ 0,8.

Стандартная таблица Н. В. Третьякова, составленная по данным относительно небольшого числа таблиц хода роста, имеет существенные недостатки, поэтому в последние годы ее неоднократно пытались усовершенствовать. По нашим исследованиям (на основании материалов 250 таблиц хода роста) оказалось, что видовые числа (видовые высоты), суммы площадей сечений, а также запасы нормальных насаждений одной породы при одинаковой средней высоте зависят не от географического района, а от условий их местопроизрастания, косвенно отражаемых классами бонитета. При ухудшении условий роста (понижении класса бонитета) при одной и той же средней высоте в нормальных насаждениях сумма площадей сечений и запас уменьшаются. Эта закономерность носит общий характер и проявляется в любом географическом районе. Полученный вывод был положен в основу разработанных нами стандартных таблиц сумм площадей сечений и запасов нового типа, исходными данными в которых служат порода, средняя высота древостоя и класс бонитета (табл. 4), Аналогичные таблицы разработанные для основных лесообразующих пород страны помещены в лесотаксационных справочниках. Преимущество этих таблиц состоит в том, что в них, кроме высоты, учитываются и условия роста, что позволяет сохранить их общий характер. В таком виде они действительно выполняют роль эталона полноты 1,0 для любого района страны, так как имеющиеся различия в условиях роста отдельных районов улавливают и оценивают по единым шкалам бонитета.

Определить полноту описанными способами можно лишь при наличии данных о сумме площадей сечений или запасах, полученных по данным перечетов. В производственной практике относительную полноту определяют визуально с точностью ± 0,1, при этом данные стандартных таблиц или местных таблиц хода роста используют для тренировки глазомера таксатора. С этой целью в наиболее распространенных древостоях таксируемого объекта (лесхоза, лесничества) перед началом, работ закладывают несколько десятков пробных площадей, на которых путем перечета устанавливают сумму площадей сечений. Сравнивая их с данными стандартных таблиц, определяют относительную полноту, которая служит своеобразным ориентиром для визуального определения полноты в других древостоях. В качестве дополнительного ориентира при этом используют данные о сомкнутости крон, плотности стояния деревьев и их диаметрах.

Впервые полнотомер был предложен в 1948 г. австрийским лесоводом В. Биттерлихом. Он представляет собой деревянную или металлическую рейку (линейку) метровой длины, к одному концу которой перпендикулярно длине прикреплена насадка с вырезом шириной 2 см (рис. 2). Полнотомер может быть и других размеров, но во всех случаях отношение ширины выреза насадки к длине прибора должно быть равно 1: 50, т. е. длина прибора больше ширины насадки в 50 раз.

Техника определения суммы площадей сечения на 1 га сводится к следующему. В таксируемом древостое выбирают типичное место и становятся в его центре. Приложив свободный от насадки конец прибора к глазу и приняв какое-либо заметное дерево за начало отсчета, поворачиваются на 360′ (на полный оборот), визируя через насадку поочередно на диаметры (на высоте груди) окружающих деревьев.

Рис. 2 Рис. 3

Рис. 2. Полнотомер Биттерлиха:

Рис. 3. Схема теоретического обоснования работы полнотомера

Изобретение полнотомера явилось крупнейшим достижением лесной таксации за последние годы. Оно значительно упростило и облегчило определение полноты древостоев и учет их древесных запасов. Ныне такой

способ получил широкое распространение во всем мире, в том числе и в нашей стране, при лесоинвентаризационных работах, при таксации лесного и лесосечного фондов и т. д.

Рис. 4. Рис. 5.

Рис. 4. Таксационный прицел (призма)

Рис. 5. Принцип работы с призмой

Чтобы полнотомер был более компактным, его иногда делают меньших размеров (например, длиной 50 см и с прорезью насадки шириной 1 см) или применяют вместо него приборы, основанные на оптическом принципе: реласкоп Биттелиха или таксационный прицел (призму) Н. П. Анучина.Принцип работы таксационного прицела основан на свойстве преломления (сдвига) изображения дерева при рассмотрении его через клиновидную призму. Угол преломления призмы подобран равным углу визирования через прорезь полнотомера Биттерлиха.

Таксационный прицел (рис. 4) представляет собой стеклянную призму, заключенную в футляр. В рабочем положении призма закрепляется на футляре так, что он выполняет роль рукоятки.

Относительно небольшая по величине круговая пробная площадь охватывает лишь небольшую часть таксируемого древостоя, которая может быть неоднородной по строению. Поэтому данные, полученные на одной пробной площади, нельзя распространить на весь выдел. С целью получения общей характеристики таксируемого участка леса (выдела) требуется заложить несколько площадок, размещенных равномерно по всему участку.

Исследованиями доказано, что для получения ΣG на 1 га с точностью +10 % при вероятности 0,95 (т. е. в 95 случаях из 100) необходимо заложить 4. 6 круговых площадок. При большей величине таксируемого участка леса число площадок увеличивается. Приближенно оно может быть рассчитано по формуле: n=5*корень(S)

где: S — площадь выдела.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник