СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КАРТЫ ВЫДЕЛА ИЛИ ДЕЛЯНКИ
METHOD OF CONSTRUCTING ELECTRONIC CARD OF SUBCOMPARTMENT OR PLOT

Изобретение относится к лесоводству, в частности к обоснованию проекта освоения лесов в лесном хозяйстве, и может быть использовано в ходе лесной инспекции при оценке качества рубок ухода в молодняках, средневозрастных и приспевающих древостоях. Способ может быть также использован для обоснования экологических требований и выбора рациональных технологических процессов рубок прореживания и проходных еще до проведения самих рубок. Применительно к экологическому мониторингу изобретение может быть также использовано при экологической сертификации особо охраняемых территорий с лесными массивами, нуждающимися в рубках ухода за лесом прореживанием и проходными рубками (парки, заповедники, зоны отдыха и туризма, природные памятники и др.).
Известен способ измерения учетного дерева по патенту 2224418 МКИ A01G 23/02, включающий выбор базовой точки, измерение расстояния до учетного дерева, выбор наблюдаемой характерной точки на учетном дереве, 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, причем геодезическую привязку нуль-пункта выполняют относительно середины диаметра корневой шейки учетного дерева, а координаты всех наблюдаемых характерных точек учетного дерева измеряются относительно нуль-пункта по координатной сетке с началом, расположенным в середине диаметра корневой шейки.
Недостатком является невысокая точность привязки отдельных деревьев при построении тематической лесной карты и невозможность взаимной увязки результатов измерения учетных деревьев совместно с пнями, расположенными на выделе леса или делянке (выдела леса, отведенного в рубку или пройденного рубкой), так как после измерений теодолитом практически трудно увязать в единую координатную сеть деревья и пни на выделе или делянке. Результаты измерений дают высокую погрешность при нанесении на карту участка леса в виде выдела или делянки отдельных деревьев и пней, трудно получить общую электронную карту взаимного расположения оставленных после рубок деревьев и пней.
Известен также способ испытания растущих деревьев после рубок прореживания и проходных по патенту №2229127 G01N 33/46, A01G 23/00, включающий визуальный осмотр деревьев, закладку пробной площади шириной не менее 20 м от края лесной дороги, на пробной площади размечают параллельные лесной дороге ленты шириной не менее 10 м и количеством не менее 5 шт., на которых сосчитывают оставленные после рубок ухода деревья и пни, измеряют расстояния между ними и другие таксационные показатели у деревьев, затем проводят анализ распределения значений таксационных показателей деревьев выявлением эмпирических зависимостей по лентам, начиная от края лесной дороги, а из худших по качеству деревьев выполняют взятие кернов древесины.
Недостатком является высокая трудоемкость и низкая точность измерений местоположений оставленных после рубок деревьев и в особенности пней (пни - это срубленные в ходе проведения рубок ухода деревья) на местности и расстояний между ними. Высокая неопределенность пространственного положения деревьев и пней на выделе или делянке не позволяет составить тематическую лесную карту, требуемую по лесохозяйственному регламенту в соответствии с новым лесным кодексом России. При этом взятие кернов для испытаний оказывается излишним при построении тематической лесной карты, поэтому нужны только измерения местоположений деревьев и пней, оставшихся после рубок прореживания и проходных.
Технический результат - повышение точности измерений пространственных местоположений оставленных после проведения рубок прореживания и проходных деревьев и пней на делянке еще до закладки пробной площадки с лентами леса для построения тематической лесной карты всего выдела или делянки.
Технический результат достигается тем, что способ построения электронной карты выдела или делянки включает визуальный осмотр деревьев и пней на выделе или делянке, выбор базовых опорных точек для геодезических измерений местоположений деревьев и пней по их характерным точкам по всему выделу или делянке с использованием станций спутникового наведения, причем до рубки местоположения базовых опорных точек выбирают между растущими деревьями, а после проведения рубки за местоположения базовых опорных точек принимают пни, над базовыми опорными точками устанавливают станции спутникового наведения для определения координат базовых опорных точек, при этом в ходе проведения измерений записывают результаты по местоположению базовых опорных точек в журнал координат, во второй журнал заносят результаты измерений направлений и расстояний от базовых опорных точек до учетных деревьев и пней, полученных посредством лазерного дальномера с буссолью, в третий журнал заносят результаты измерений таксационных характеристик учетных деревьев и пней, после обработки табличных данных из всех трех журналов строят электронные карты и геоинформационные системы по каждому выделу или делянке, наносят на электронную карту границы лент леса, по крайней мере, для одной пробной площади шириной не менее 20 м от края лесной дороги на выделе или делянке, а затем переносят их геодезическими способами в натуру.
За характерные точки на измеряемых геодезическими приборами или лазерным дальномером деревьях принимают середину диаметра ствола в горизонтальной плоскости визирования, за характерные точки на измеряемых пнях принимают центр годичных колец на срезе пня, на которые устанавливают опору для лазерного луча в виде шеста, причем станции спутникового наведения в виде GPS-приемников устанавливают с выравниванием в горизонтальной плоскости в базовых опорных точках, выполненных в виде колышков забиваемых между растущими деревьями при измерениях до проведения рубки отведенных лесоводами в подгруппу удаляемых из выдела или делянки деревьев, и выполненных в виде центров годичных колец на верхнем срезе каждого базового опорного пня при измерениях после проведения рубки деревьев при различных видах рубки ухода за лесом и выборочных рубках.
После проведения рубки за местоположения базовых опорных точек принимают пни, расположенные на расстояниях 20-40 м между собой вдоль визирных линий лазерного дальномера для образования геодезической сети выдела или делянки, а также последующего расположения временной или постоянной пробной площадки с лентами шириной не менее 10 м и количеством не менее 5 шт. от края лесной дороги.
Над базовой опорной точкой в виде колышка или базового пня устанавливается штатив с триггером для выравнивания линий визирования в горизонтальной плоскости, затем на штатив с триггером монтируется станция спутникового наведения в виде GPS-приемника, причем для одновременного точного измерения местоположений смежных базовых опорных точек устанавливаются не менее двух станций спутникового наведения в виде GPS-приемников, а после окончания процесса спутникового наведения и снятия GPS-приемников со штативов с триггерами на эти же штативы с триггерами устанавливают буссоли с лазерными рулетками, а на смежных с измеренными базовыми опорными точками еще не измеренных базовых опорных точках закрепляют дополнительно не менее двух штативов с триггерами, после этого процессы закрепления четырех штативов с триггерами с двумя GPS-приемниками и двумя комплектами буссоли с лазерным дальномером повторяют до тех пор, пока на выделе или делянке не будут охвачены измерениями все визуально выделенные базовые опорные точки в виде колышков или базовых пней.
После камеральной обработки табличные данные из всех трех журналов вносят в электронные таблицы Excel в стандартной форме, затем в полученной таблице Excel рассчитывают координаты местоположений измеренных деревьев и пней в горизонтальной плоскости относительно северного геодезического направления, причем относительно каждой станции спутникового наведения на исследуемой площади выдела или делянки, по известным из геодезической практики зависимостям с учетом магнитного склонения и поправок на диаметры растущих деревьев, а для того, чтобы вставить полученный массив данных в типовую геоинформационную систему «Карта 2000» создают модуль конвертации данных в компьютерной программе MS Access, в которой формируют текстовые документы обменного формата *.txf для создаваемой геоинформационной системы выдела или делянки, при этом на основе полученного файла цифровых и текстовых данных строят электронную карту с нанесенными на ней деревьями, пнями и позициями станций GPS-приемников по каждому выделу или делянке, затем, исходя из визуально выбранного, по крайней мере, одного места на территории выдела или делянки около лесной дороги, на электронной карте наносят контуры пробной площадки с лентами леса, затем подсчитывают на каждой ленте количество деревьев и пней, а также выявляют схему расположения на выделе или делянке биогруппы деревьев до и после рубки, при этом по каждому измеренному дереву вносят данные о диаметре его ствола и высоте, а также данные другой семантической информации, необходимой для дальнейшей работы с использованием созданной геоинформационной системы выдела или делянки.
Сущность технического решения заключается в том, что вначале способами спутникового наведения измеряются координаты местоположений базовых опорных точек в виде колышков (до рубки между деревьями забиваются на расстоянии 20-40 м друг от друга) или базовых пней (после рубки появляются пни от срубленных деревьев, из которых за базовые пни принимаются расположенные на расстоянии 20-40 м друг от друга). А относительно этих базовых опорных точек затем измеряются местоположения деревьев и пней наземными способами с использованием комплекта теодолит + мерная лента или же комплекта из буссоли и лазерного дальномера (что проще, быстрее и гораздо точнее).
Сущность заключается также в том, что хотя бы одну пробную площадку с лентами лесами вначале строят на электронной карте выдела или делянки, а затем переносят в натуру известными геодезическими способами при необходимости превращения виртуальной в компьютере пробной площадки в постоянную пробную площадь в лесу на выделе или делянке (отведенном на обработку рубками деревьев выделе леса или же его части).
Сущность также заключается в том, что одновременно с измерением местоположением деревьев и пней на выделе или делянке, измеряются лазерным дальномером таксационные показатели деревьев. Это позволяет получить не только электронную карту с местоположениями всех деревьев и пней, расположенных на выделе или делянке до и после рубки деревьев, но и дополнить электронную карту цифровыми и текстовыми данными для превращения этой электронной карты в геоинформационную систему (ГИС) измеряемого выдела или делянки.
Положительный эффект заключается в высокой точности измерений местоположений деревьев и пней спутниковым наведением и дополнением их наземными измерениями с помощью лазерного дальномера. Работы по измерениям выполняются в статическом режиме, поэтому время на каждую станцию спутникового наведения типа GPS-приемника по определению координат окружающих эту станцию деревьев и пней составляет от 15 до 45 минут. Продолжительность съемки под пологом леса в большинстве случаев зависит от высоты расположения и сомкнутости крон деревьев, то есть чем больше просветов между кронами и чем меньше угол связи спутника и GPS-приемника, тем сбор информации по времени осуществляется быстрее. Точность измерений повышается с одновременным использованием двух GPS-приемников и двух комплектов «буссоль + лазерный дальномер».
Совокупность отличительных признаков обладает новизной и положительным эффектом, а также простотой реализации в условиях лесничеств и их участковых лесничеств.
В научно-технической и патентной литературе материалов, порочащих новизну технического решения, не обнаружено.
На фиг.1 показана схема пробной площади на выделе или делянке леса с деревьями и пнями, а также с измеренными расстояниями между деревьями (показаны пунктирными линиями) по прототипу; на фиг.2 - схема расположений опорных точек для измерений деревьев и пней в виде двух станций с помощью GPS-приемника геодезического класса «Stratus» или предполагаемого в России ГЛОНАС-приемника для оперативной спутниковой геодезической съемки; на фиг.3 показан вид выходного файла данных местоположения станции съемки с помощью GPS-приемника геодезического класса «Stratus»; на фиг.4 показана общая структура данных в электронной таблице (кружком выделены координаты станции в виде GPS-приемника); на фиг.5 показан фрагмент электронной карты расположения деревьев и пней в геоинформационной системе (ГИС) «Карта 2000»; на фиг.6 показана схема расположения пробной площадки и ее лент с измеряемыми в последующем деревьями и пнями на электронной карте; на фиг.7 изображена панель семантической информации (таксационные показатели отдельных деревьев, наличие биогрупп растущих деревьев по различным породам и пр.) по объекту электронной карты; на фиг.8 показан пример пространственного расположения пробной площадки на электронной тематической (лесоустроительной) карте Кокшамарского лесничества Кокшайского лесхоза Республики Марий Эл.
Способ измерения местоположений деревьев и пней для тематической лесной карты, например, на делянке после рубки клейменных лесоводами и поэтому отведенных для удаления из леса деревьев, предполагает следующие действия.
Бригада перемещается вдоль лесной дороги 1 на участке леса. Члены бригады визуально отмечают около лесной дороги (магистрального волока, технологического коридора) на делянке пни 2 и растущие деревья 3, оставленные после рубки. После визуального осмотра деревьев и пней выбирают базовые точки отсчета в виде базовых пней 4, расположенных примерно на расстоянии 20-40 метров друг от друга, причем за базовые опорные точки принимаются центры годичных колец на срезах выбранных базовых пней.
Над базовым пнем 4 устанавливается штатив с триггером, позволяющим выравнивать в горизонтальной плоскости лазерные лучи визирования лазерным дальномером. Затем на штатив с триггером 5 устанавливается GPS-приемник спутникового геодезического наведения, а после проведения измерений он заменяется на буссоль с лазерной рулеткой. Для повышения производительности измерений одновременно могут работать два GPS-приемника и два комплекта «буссоль + лазерный дальномер». Наилучшим вариантом точного определения местоположения станций GPS-приемника является использование комплекта из трех одновременно работающих GPS-приемника.
При наведении двумя GPS-приемниками (фиг.2) образуется линия 6 увязки станций спутникового наведения. При том координаты базовых опорных точек вычисляются с высокой точностью (фиг.3) спутникового наведения двумя GPS-приемниками. После уточняющих поправок получаются точные координаты (фиг.4) каждой базовой опорной точки с GPS-приемником.
Затем на электронной карте (фиг.5) наносятся границы 7 пробной площадки (фиг.6), причем на делянке может быть виртуально заложено достаточное множество пробных площадок с количеством лент не менее пяти. На панели 8 семантической информации (фиг.7) могут быть введены таксационные данные о каждом дереве, находящемся внутри пробной площади или же вне нее. А данные о пробной площади заносятся в электронную карту 9 всего выдела (фиг.8), на котором расположены несколько делянок.
Способ измерения местоположений деревьев и пней для тематической лесной карты реализуется, например, на постоянной пробной площадке с лентами размерами 10×20 м после проведения рубки прореживания древостоя, следующим образом.
Постоянная пробная площадь имеется около лесной дороги 1 и содержит пни 2 и деревья 3 после рубки ухода (фиг.1).
С помощью ориентированного и отцентрированного GPS-приемника 5, установленного на геодезический штатив с триггером, выравнивающим прибор по горизонтали, определяют трехмерные координаты базовых опорных точек в виде базовых пней 4.
Результаты обследования деревьев и пней на каждой делянке заносят в специальные бланки, а затем в камеральных условиях переносят в журналы. В описании делянок указывают также состав живого напочвенного покрова, наличие подроста, подлеска.
Значения расстояний или горизонтальных проложений, таксационных показателей и численности деревьев и пней подвергают статистической обработке и моделированию в зависимости от изменения расстояний от края лесной дороги на 5, 15, 25, 35, 45 и 55 м.
Определение координат базовых опорных точек в центрах годичных колец базовых пней GPS-приемником.
Положение базовых опорных точек в системе прямоугольных координат на исследумой делянке, пройденных рубками ухода (прореживание и проходные) или рубками обновления, определяется с помощью GPS-приемника геодезического класса «Stratus». На каждой будущей постоянной пробной площадке закладывается 2-3 станции на расстоянии 20-40 метров друг от друга.
В связи с этим, работы на пробной площади выполняются сразу на двух станциях спутникового наведения (фиг.2):
- на первой проводятся замеры расстояний и угол между направлением на север и центром дерева (пня) с помощью буссоли и лазерной рулетки;
- на второй - сбор данных по местоположению станции с помощью GPS-приемника.
При этом оба штатива с триггерами остаются на своих местах, а меняется только оборудование - GPS-приемник на буссоль и лазерную рулетку и наоборот. Кроме определения направления и расстояний до деревьев и пней это позволяет выполнить привязку одной станции относительно другой (фиг.2) по линии 6 с помощью буссоли для определения направления и лазерной рулетки для измерения расстояния до другой станции.
Затем данные с GPS-приемника через СОМ-порт передаются на компьютер в программу обработки данных «Spectrum Survey v3.3». После корректировки и проверки данных в этой программе получается выходной файл текстового формата, пример которого представлен на фиг.3. На нем жирным шрифтом показано положение станции спутникового наведения в геодезической системе координат 42-го года, а также высота данной точки над уровнем моря.
Время, затрачиваемое на определение координаты станций GPS-приемника меньше, чем проведение замеров по определению направлений и расстояний до деревьев и пней от станции буссолью и лазерным дальномером. В этой связи возможно использование GPS-приемника и на других позициях для определения, например, положения дороги относительно исследуемой постоянной пробной площадки, определение угловых точек границ делянки, на которой проводились рубки. Поэтому появляется необходимость в третьем и даже четвертом штативе с триггером, на которых быстро сменяется GPS-приемник для измерения координат характерных точек всего лесного участка для последующего составления тематической лесной карты.
Поправки, вводимые при вычислении.
Для точного картирования деревьев 3 и пней 2 на участке леса необходимо измерять расстояния между центрами объектов измерения. В полевых условиях с помощью приборов (мерная лента, рулетка) можно замерять расстояния (горизонтальные проложения) от коры одного дерева до коры другого. Аналогичная ситуация появляется и при измерениях расстояний между деревьями лазерной рулеткой.
В связи с этим необходимо увеличивать длину линий между исследуемыми объектами на сумму радиусов деревьев.
ij
где l - расстояние между деревьями с учетом поправки, м;
изм
l - измеренное расстояние между деревьями, м;
i
j
R, R - радиусы деревьев, м.
Диаметры срубленных деревьев на высоте 1,3 м вычисляют приближенно по формуле (если по данному способу измерения были выполнены на выделе еще до рубки деревьев, то такие расчеты не выполняются, а сразу же принимаются результаты прошлых измерений):
пня
где D - диаметр пня, м, см;
k - процент разности между диаметром пня и диаметром ствола на высоте 1,3 м, который определяют по уравнению проф. К.Е.Никитина
где х - расстояние от нижнего среза ствола до соответствующего сечения, вычисляемое следующим образом, по формуле
где 1,3 - высота дерева, на которой необходимо определить диаметр, м;
пня
h - высота пня, м.
В программном обеспечении ГИС предусмотрен пересчет расстояний, диаметров и высот с учетом поправок.
Погрешности измерений.
При измерении изучаемых объектов в виде деревьев и пней возникают погрешности или ошибки. Отклонения измеренного результата от действительно существующего значения измеряемой величины бывают систематическими (личные и технические ошибки) и случайными (независящие от человека). Погрешности второго вида, по сравнению с погрешностями первого вида, невелики, поэтому при исследованиях ими пренебрегают. К тому же они влияют одинаково на результаты исчислений таксационных показателей, поэтому при статистическом моделировании сглаживаются.
В связи с этим основным становится первый вид ошибок, в частности, ошибки измерений, возникающие из-за неисправности или неточности измерительных приборов.
По результатам полевых измерений в экспериментах минимальная относительная погрешность составила:
• при измерении диаметров стволов деревьев мерной вилкой с точностью до 1,0 см - 3,0%;
• при измерении расстояний между деревьями мерной лентой с точностью до 0,1 м - 1,6%;
• при измерении высоты деревьев эклиметром с точностью до 5,0 см - 2,3%;
• при измерении горизонтальных проложений лазерной рулеткой с точностью до 0,1 см - 1,8%;
• при измерении координат базовых опорных точек GPS-приемником с точностью до 1,0 м - 2,5%.
При 5%-ном уровне значимости технических экспериментов полученные значения относительных погрешностей измерений можно считать удовлетворительными.
Обработка и конвертация данных в ГИС.
Исходной информацией для конвертации данных в ГИС по местоположению деревьев и пней является журнал координат станций спутникового наведения GPS-приемника, журнал измерений направлений и расстояний от станции до деревьев и пней, а также журнал таксационных характеристик деревьев и пней.
Данные этих журналов вносились в электронные таблицы Exsel в следующей форме, представленной на фиг.4.
В данной таблице Exsel производится расчет координат Х и Y по деревьям и пням относительно каждой станции на исследуемой постоянной пробной площадке по известным из геодезической практики зависимостям с учетом магнитного склонения и поправок на диаметры деревьев.
Для того чтобы вставить этот массив данных в ГИС «Карта 2000», был создан модуль конвертации данных в MS Access, в котором выполняли формирование текстового документа обменного формата *.txf для данной ГИС. На основе этого файла получается электронная карта с нанесенными на ней деревьями, пнями и позициями станций GPS-приемника (фрагмент электронной карты показан на фиг.5).
Для последующего моделирования размещения деревьев и пней необходимо разбить территорию постоянной пробной площадки на участке леса на равные прямоугольные элементарные ленты. В нашем случае их размеры составляют 20×10 метров. Данная процедура в ГИС «Карта 2000» выполняется при помощи имеющихся программных приложений (фиг.6).
При этом возможны различные случаи:
а) разбивка лесного участка на места со вновь закладываемыми постоянными пробными площадками, тогда потребуется вынесение координат пробной площадки с электронной карты в натуру с использованием геодезической съемки и забивки колышков по вершинам лент будущей постоянной пробной площадки, закладываемой начиная с края лесной дороги;
б) с помощью GPS-приемника определение координат вершин лент существующей пробной площадки и занесение их в ГИС;
в) проверка правильности размещения существующих пробных площадок на выделе или делянке.
В любом из этих случаев в камеральных условиях с помощью электронной карты постоянной пробной площадки можно подсчитать на каждой ленте количество деревьев и пней, а также составить представление о существовавшей биогруппе деревьев до рубки и что от этой биогруппы осталось после рубки деревьев. При этом можно проверить сохранность буферной зоны вокруг биогруппы растущих деревьев.
Для повышения функциональных возможностей тематической лесной карты с ГИС выдела или делянки дополняется информация по каждому дереву, например, данные о диметре и высоте (фиг.7) по результатам измерений с базовой опорной точки лазерной рулеткой, а также другой количественной и семантической информации, необходимой для дальнейшей работы с тематической лесной картой в соответствии с лесохозяйственным регламентом на изучаемом выделе или делянке.
Размещение исследуемой постоянной пробной площадки на таксационном выделе можно определить на основе совмещения опорных точек квартальной сети и границ выделов. Так на фиг.8 показан пример расположения пробной площадки на таксационном выделе около лесной дороги.
В ходе лесоводственного и экологического мониторинга в каждой серии измерений на постоянной пробной площади повторяют замеры таксационных показателей, отмечают изменения в растительном сообществе. Это позволяет создавать во времени ряд тематических лесных карт и ГИС в динамике роста и развития деревьев, а также идентифицировать устойчивые и математически описываемые закономерности поведения растущих деревьев и сравнивать с фитопатологическими испытаниями растущих деревьев.
Предполагаемый способ позволяет в динамичном режиме измерять деревья и пни на изменения от последствий различных видов рубок.