СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УЧЕТНОГО ДЕРЕВА Российский патент 2004 года по МПК A01G23/02 

Изобретение относится к геометрическому измерению отдельных деревьев для инженерно-экологических исследований территорий, а также в лесной отрасли в ходе лесоустройства при выполнении таксационных обследований лесов по древесной массе.

Известен способ измерения учетного дерева по высоте и диаметру (например, см. Лесная таксация и лесоустройство / В.В.Загреев и др. - М.: Экология, 1991. - С. 23 и др.; Н.П.Анучин. Лесная таксация. - М.: Лесная промышленность, 1982. - 552с.). При таксации дерева выполняют комплекс технических действий по выявлению, оценке и учету количественных и качественных характеристик растущих или срубленных деревьев как самостоятельного объекта учета и наблюдения.

При таксации дерева замеряются геометрические показатели:
- длина L (ствол срубленного дерева) или высота Н (растущего дерева), м;
- диаметр D на высоте 1,3 м от шейки корня, а также переменный диаметр D_х на различных сечениях Н_х по длине ствола, см.

Основным недостатком является то, что измерения практически выполняют на поваленном стволе (модельном дереве), а также после разделки ствола на отрезки длиной 1 или 2 м. Это значительно повышает трудоемкость работ и, что особенно недопустимо в инженерно-экологических исследованиях, не позволяет выполнять повторные измерения, то есть разовый процесс таксации дерева уничтожает его как объект экологического мониторинга.

В итоге возникло техническое противоречие. С одной стороны, существующие способы таксации дерева с его валкой и разделкой ствола обладают достаточной точностью для одноразовых экспериментов, а с другой - это одноразовое измерение пригодно только для хозяйственных целей, но практически непригодно как для экологического мониторинга, а значит, и основных целей лесного хозяйства.

Отсюда следует, что необходимо найти такой прототип, который обеспечивал бы очень высокую точность (на порядок больше точности таксации срубленных модельных деревьев) измерений растущего дерева как сложного инженерного сооружения и его частей дистанционно и без всяких разрушений. Такие прототипы мы нашли в инженерной геодезии, но для этого нам прежде всего пришлось преодолеть психологический барьер, который заключается в том, что геодезисты деревья и насаждения рассматривают только как мешающий инженерным измерениям фон.

Нами выдвигается новый подход - принять растущее дерево за инженерное сооружение, да притом высокой адаптивной способности, позволяющее растению быстро менять себя (конструкцию, физиологию, качество и др.) в ходе жизнедеятельности.

Тогда в инженерной экологии встает техническая проблема решения обратных задач: по измеренным с высокой точностью параметров ствола и других частей дерева на различных высотах (например, по учетному дереву появляется до 15-20 и более характерных точек) проводить сопоставление с показателями загрязнения воздуха, воды, почвы. Таблицы данных измерений через некоторые промежутки времени дают великолепную динамичную картину, то есть позволяют выявить количественные закономерности экологического мониторинга.

Известен также способ измерения сооружений или их частей (например, см. книгу: Инженерная геодезия /Учебник для вузов. - Л.: Недра, 1984. - С. 269, внизу абзац), включающий в себя действия тригонометрического нивелирования. На некотором расстоянии от объекта, высоту которого необходимо определить, выбирают базовую точку. Над выбранной точкой устанавливают теодолит в рабочее положение (центрируют прибор по нитяному отвесу, устанавливают вертикальную ось прибора в отвесное положение по выверенному уровню при горизонтальном круге).

Далее зрительную трубу теодолита приближенно наводят в нуль-пункт, вращая один из винтов, расположенных на линии визирования. После этого делают точное наведение средней нити зрительной трубы на наблюдаемую точку объекта и берут отсчет по шкале вертикального круга при положении, например, "лево" (Л). Затем зрительную трубу переводят через зенит и, выполняя предыдущие действия цикла наводки, берут отсчет по шкале вертикального круга при положении "право" (П). Например, для теодолита типа Т-30 вычисляют место нуля МО=(Л+П)/2. После этого угол наклона α вычисляют по одной из формул:
α=Л-МО;
α=МО-П,
α=(Л-П)/2.

Таким образом получают угол наклона, например, верхней части объекта, до которой необходимо измерить высоту. Второй угол наклона, например около основания объекта, получают аналогично, наводя среднюю нить зрительной трубы на низ объекта. Расстояние L от измеряемого объекта до теодолита измеряют мерной стальной лентой (рулеткой). Искомая величина высоты Н объекта (или некоторой его части от основания) вычисляется по формуле:
H = L(tgα₁+tgα₂).
Для контроля измерения выполняют с двух точек с разных сторон объекта (заметим, что это действие двойного замера выполняется и в таксации дерева, например диаметр ствола принимается как половина суммы двух измерений мерной вилкой).

Недостатком этого способа является трудность измерения характерных точек учетного дерева на различной высоте и ширине (по горизонталям), так как эти точки в общем случае расположены произвольно в плоскости изображения в зрительной трубе теодолита.

Технический результат - упрощение измерений учетного дерева и его частей по характерным точкам на стволе и в кроне.

Этот технический результат достигается тем, что базовую точку теодолита выбирают для измерения нескольких учетных деревьев, находящихся на донном участке территории. Измерение расстояния до учетного дерева выполняют (например, мерной лентой или, что точнее, лазерным дальномером) относительно его ствола примерно на высоте 1,3 м от поверхности грунта. Геодезическую привязку нуль-пункта выполняют относительно корневой шейки учетного дерева, а положение самого нуль-пункта принимают в середине диаметра ствола в этой корневой шейке.

Характерные точки на учетном дереве выбирают исходя из цели исследования (например, для фитопатологических исследований принимают места повреждений, пороков, остатков сучьев, ран, изменений цвета коры и листьев и пр.). Причем, как правило, с базовой точки все характерные точки на стволе и кроне наблюдаемы, в особенности ветви и ствол в кроне наблюдаемы зимой, а листва и хвоя - летом и др.

Если характерных точек много, то они наносятся на изображении учетного дерева (в виде эскиза вручную на бумаге, фотографии моментальной или сделанной заранее с предполагаемой базовой точки). Все характерные точки привязываются к середине корневой шейки в виде координатной сетки (прямоугольной сетки координат).

Сущность изобретения заключается в том, что все наблюдаемые с базовой точки теодолита характерные точки учетного дерева координатной сеткой привязываются к середине корневой шейки этого учетного дерева, в том числе и нуль-пункт геодезического прибора. Это позволяет получить систему количественных данных относительно дерева любой формы, имеющей один главный стебель в виде ствола.

Положительный эффект заключается в том, что растущее дерево путем геодезических измерений действительно становится инженерным сооружением для проведения длительных экологических и технологических (по уходу за данным деревом) наблюдений. Он достигается применением возможностей современных геодезических приборов, а также измерением динамически изменяющихся сооружений, включая учетные деревья в класс природных инженерных сооружений. С применением фотоаппаратов и теодолитов с встроенными компьютерами появляется возможность создания цифровой модели учетного дерева, прежде всего его формы и геометрии относительно середины корневой шейки.

В патентной и научно-технической литературе материалов, порочащих новизну предлагаемого изобретения, нами не найдено. Совокупность существенных признаков, составляющих техническое решение, предполагает сделать вывод о возможности признания предлагаемого способа измерения учетного дерева изобретением.

На фиг. 1 показана схема измерения учетного дерева в зимнее время по характерным точкам на стволе; на фиг.2 показана комлевая часть учетного дерева при геодезической привязке нуль-пункта относительно середины корневой шейки; на фиг.3 показана схема измерения формы учетного дерева с характерными точками на кроне в летнее время; на фиг.4 показана схема измерения наклонно растущего учетного дерева; на фиг.5 показана схема измерения искривленного учетного дерева.

Способ измерения учетного дерева содержит следующие действия.

На расстоянии L (рекомендуемое расстояние L примерно равно двум максимальным высотам визирования) от учетного дерева 1 закладывают базовую точку, устанавливают над ней штатив с теодолитом. Теодолит центрируют с помощью отвеса над базовой точкой и нивелируют по цилиндрическому уровню с помощью трех подъемных винтов. При этом базовую точку принимают так, чтобы возможно было измерять не менее одного учетного дерева. Чем больше учетных деревьев, измеряемых с одной базовой точки теодолита, тем точнее результаты и меньше затрат на измерения.

От базовой точки теодолита до ствола учетного дерева измеряют (мерной лентой или лазерным дальномером) точное значение расстояния L. Затем привязку нуль-пункта 2 теодолита выполняют относительно середины 3 корневой шейки учетного дерева. В этом случае середина корневой шейки становится базовой точкой учетного дерева и между теодолитом и учетным деревом появляется возможность формирования системы координат цифровой модели как самого дерева, так и его места произрастания.

Все характерные точки, выбранные для наблюдения на учетном дереве, привязываются к середине 3 корневой шейки координатной сеткой (фиг.5). При малом числе характерных точек на учетном дереве эта сетка не требует закрепления на информационном носителе.

При нескольких десятках таких точек на дереве нуль-пункт 2 принимается примерно на высоте 1,3 м от уровня грунта, что позволяет на этом уровне измерить диаметр ствола для сопоставления с существующими методами таксации дерева. После этого составляется изображение учетного дерева с базовой точки теодолита, например, в виде эскиза на бумаге или фотографии, выполненной до или в ходе проведения измерений учетного дерева. На изображении наносятся характерные точки, например, в виде выделяющихся точек на фотографии или эскизе учетного дерева. При необходимости изучаемые места выделяют несколькими характерными точками, обводя их на изображении учетного дерева линиями.

В дальнейшем измерения ширины и высоты расположения каждой характерной точки учетного дерева над нуль-пунктом выполняют по прототипу, то есть по известной методике работы с теодолитом.

По расстояниям между смежными характерными точками вычисляют различные геометрические параметры учетного дерева - диаметры ствола и сучьев, расстояния между элементами учетного дерева, диаметры по высоте кроны и др. По полученной цифровой модели, полученной с одной базовой точки теодолита, вычисляют площади кроны, ствола и т.д., а по цифровым моделям с двух и более базовых точек теодолита получаются данные об объемах ствола, кроны, всего учетного дерева, а также пространства его места произрастания.

Способ измерения учетного дерева реализуется, например по характерным точкам на стволе, следующим образом.

Вначале выбирают учетные деревья. На расстоянии L, измеренном от исследуемого учетного дерева 1 мерной лентой или по дальномеру, закладывают базовую точку теодолита и устанавливают над ней штатив с теодолитом. Привязку нуль-пункта 2 теодолита выполняют относительно середины 3 корневой шейки учетного дерева.

Далее выбираются характерные точки, например, точки А, Б и С для измерения диаметра ствола на высоте 1,3 м, а также его расположения по ширине от середины диаметра корневой шейки.

Наводят зрительную трубу на точку А - крайнюю левую точку ствола дерева на уровне нуль-пункта теодолита, ориентированном на высоте примерно 1,3 м для сопоставления с известными методиками таксации леса. Потом берут отсчет с помощью отсчетного микроскопа по вертикальному и горизонтальному кругам при положении теодолита "круг лево". Открепив закрепительный винт алидады, визируют зрительную трубу на точку Б - крайнюю точку ствола, диаметрально противоположную точке А, и берут отсчет по горизонтальному кругу теодолита. Вертикальный угол вычисляют по формуле α=Л-МО, а горизонтальный угол ϕ находят как разность отсчетов по горизонтальному кругу.

После этого берут отсчет еще и в точке С, расположенной на вертикальной оси относительно системы координат, начало которого расположено в середине 3 шейки корня учетного дерева. После этого вычисляются смещения диаметра относительно вертикали ствола учетного дерева.

Предлагаемый способ позволяет формировать цифровые модели учетных деревьев и тем самым проводить различные инженерно-экологические исследования с помощью геометрических свойств различных участков и мест множества учетных деревьев. Он прост в практическом исполнении современными геодезическими приборами и одновременно точен по погрешностям геодезических измерений.

Например, точность измерения диаметров составит не более нескольких миллиметров, а высоты - всего нескольких сантиметров, что в 5-10 раз точнее существующих способов лесной таксации.

Изобретение относится к геометрическому измерению отдельных деревьев для инженерно-экологических исследований территорий, а также в лесной отрасли в ходе лесоустройства при выполнении таксационных обследований лесов по древесной массе. Согласно изобретению геодезическую привязку нуль-пункта теодолита выполняют относительно середины диаметра корневой шейки учетного дерева. Координаты всех наблюдаемых характерных точек учетного дерева измеряютcя теодолитом относительно нуль-пункта по координатной сетке с началом, расположенным в середине диаметра корневой шейки. Изобретение упрощает измерение учетного дерева и его частей по характерным точкам на стволе и в кроне. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения учетного дерева, включающий выбор базовой точки, установку теодолита в рабочее положение над базовой точкой, измерение расстояния до учетного дерева, наведение зрительной трубы теодолита в нуль-пункт относительно учетного дерева, выбор наблюдаемой характерной точки на учетном дереве, точное наведение вертикальной нити зрительной трубы от нуль-пункта до наблюдаемой характерной точки, точное наведение средней нити зрительной трубы теодолита на наблюдаемую характерную точку учетного дерева, отсчет по шкалам горизонтального и вертикального кругов, вычисление угла поворота и угла наклона наблюдаемой характерной точки учетного дерева от нуль-пункта, вычисление ширины и высоты до наблюдаемой характерной точки учетного дерева от нуль-пункта, отличающийся тем, что геодезическую привязку нуль-пункта теодолита выполняют относительно середины диаметра корневой шейки учетного дерева, а координаты всех наблюдаемых характерных точек учетного дерева измеряются теодолитом относительно нуль-пункта по координатной сетке с началом, расположенным в середине диаметра корневой шейки.2. Способ измерения учетного дерева по п.1, отличающийся тем, что нуль-пункт принимают на высоте примерно 1,3 м от поверхности грунта по стволу учетного дерева.3. Способ измерения учетного дерева по пп.1 и 2, отличающийся тем, что измерение расстояния от базовой точки теодолита до учетного дерева выполняют относительно его ствола примерно на высоте 1,3 м от поверхности грунта.4. Способ измерения учетного дерева по п.1, отличающийся тем, что наблюдаемые характерные точки учетного дерева наносят на его изображение, например, в виде эскиза или фотографии, выполняемой с базовой точки теодолита.5. Способ измерения учетного дерева по пп.1 и 4, отличающийся тем, что изучаемые места на учетном дереве выделяют по нескольким характерным точкам, по которым на изображении учетного дерева проводят линии, охватывающие излучаемые места.6. Способ измерения учетного дерева по п.1, отличающийся тем, что базовую точку теодолита выбирают для измерения нескольких учетных деревьев.7. Способ измерения учетного дерева по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что учетное дерево измеряется с нескольких базовых точек теодолита, а по результатам изменений формируется цифровая модель учетного дерева, а также отдельных его мест и участков для достижения целей конкретного инженерно-экологического исследования.