两种新型森林测高器的设计及应用--山东农业大学-李建华.ppt

2014年8月18日于北京 海峡两岸森林经理学术研讨会 山东农业大学林学院 李建华 E-mail： 两种新型森林测高器的设计及应用两种新型森林测高器的设计及应用 主要内容： 1 前言 2 新型测高器设计及应用 2.1 准连续可变距式测高器 2.2 改进式克里斯屯测高器 3 小结 1 前言 1.1研究意义 树高是林木生长的重要指标，更是树干体积及森林蓄积量的 重要参数，而测定树高，则是林业工作者的一项常规性工作。实 践中，虽然也有采用普通尺杆测高的事例，但那只适用于少数树 干低矮的情况，对于大多数树木来说，离开了测高器，测高工作 基本无法进行，因此，积极开展实用型森林测高器的设计研究工 作、努力开发出携带方便、精度高、工效快、价格低而便于实用 推广的新型测高器类型，对于提高森林调查水平，保证林业生产 与科研数据的准确性和可靠性具有重要意义。 1.2 研究历史 1e-1 世界人口增加森林减少木材体积测定木材交易 仅测量原木的长 度和体积、没有 立木问题，不需 要测高器。 活立木测定测树学飞速发展研究直径、树高、材积测算方法 林业科研和生产对测高工具的多种需求，及科技工作者的不断发明创新 各种各样的林用测高器，世界目前总计约50余种 17、18世纪 19世纪末、20世纪初 在欧洲，以德国为代表 100余年的历史 测高器研 究的开始 1.3 分类 超声波测距式 激光测距式 机械类 光学类 电子类 森林测高器 尺杆式（接杆式、拉杆式） 三角函数式（勃鲁莱式、悬垂式） 相似三角形式（克里斯屯式、魏赛式） 鼓轮式 罗盘式 （林分速测镜、望远测速仪等） （光学测树罗盘 等） （多设计为一体，以瑞 典产VERTEX VL400激 光测高为代表） 1.4 产品现状（研制进展） 电子类 光学类 机械类 由以上情况可以看出： 森林测高器虽然品种繁多，可目前真正能在生产 中广泛应用的也就是勃鲁莱测高器（ (Blume Leiss) 。但是，勃鲁莱测高器并不是没有缺点，那就是要求 在每测一株树木的高度之前，必须首先量测出一个标 准长度的水平距 (15、20、30或40m)。这在郁闭度 较大的林分中使用时尤为困难。针对上述问题，笔者 曾于1990年提出了对勃鲁莱测高器的改进方案- “SRC-110型测高器” 但仍未达到理想的效果。基 于上述背景，本研究以选点灵活、携带方便和精度良 好为目标，研究设计了两种新型森林测高工具，以期 能够对森林调查起到积极的促进作用。 2 新型测高器设计及应用 2.1 准连续可变距式测高器 （已授权，专利号：ZL 201120044992x） 结构继续采用德国勃鲁莱式(Blume Leiss )结构 ，包括壳体和控制机构， 原理为通用的三角测高原理 h=Ltg， 刻度盘采用了专利技术ZL201120044992x 2.1.1 基本结构和原理 2e-1 1. 上部：测角读数区用于山坡倾角测量 2. 中部：准连续可变距读数区用于密林测高 3. 下部：勃鲁莱测高读数区用于常规测高 2.1.2 刻度盘结构设计 2e-2 2.1.3 产品现况 由哈尔滨光学仪 器厂和山东农业大学 利用专利技术 ZL201120044992x 联 合研制,目前已完成产 品型式鉴定并投入批 量生产。 产品名称：准连续可变距式测高器 产品型号: SRC - / 30 生产及经销厂家：哈尔滨光学仪器厂 2.1.4 使用方法 （1） 勃鲁莱法测量树高 如图所示，在树旁选一水 平距L为15m或20m的测点； 按下启动钮让垂针自由摆动 ；手持测高器瞄视树顶，片 刻后等垂针停摆时按下止动 钮；根据垂针在刻度盘上的 指示位置读取测高值。测高 读数方法同传统的勃鲁莱测 高器。 图例说明： 在空旷地或疏林中，水平距L可取15m或20m，同传统的勃鲁莱测高器一 样使用！ 整株树高由h和h两部分组成，测高时需分别瞄准树梢和树基部位分 别测定，最后求和得出。 勃鲁莱法测量树高读数示例： 如L=15m，则h=6.2m， 如L=20m，则h=8.3m， 2e-3 （2） 准连续可变距法测量树高 如左图所示，在树旁选一 水平距为L的测点，稍微移动 使L=7m、8m、9m、10m、 11m或12m；按下启动钮让 垂针自由摆动；手持测高器 瞄视树顶，片刻后等垂针停 摆时按下止动钮；根据垂针 在刻度盘上的指示位置读取 测高值。测高读数方法见下 图所示。 在陡坡地或密林中，水平距L可在7-12m间的整数位置灵活 移动，从而较好的解决了林内测高时测点难选的问题。 准连续可变距法测量树高读数示例： 如L=7m，则h=2.8m； 如L=12m，则h=5.0m；如L=11m，则h=4.6m 2e-4 （3） 测量坡度 SRC-/30型测高器的另一用途 是用来测量山坡坡度。如图5所示。测 量时，由测者在坡下瞄视坡上所立测尺 的特定高度位置（该位置高度应正好等 于测者眼高），待垂针停止摆动时按下 扳机，这时即可通过刻度盘上的倾角读 数区读取坡度数据（读数方法可参照下 图进行：下图中倾角为22.5）。 使用本测高器测量坡度时，既可以从坡下向坡上方向瞄准测量，也允许从 坡上向坡下方向瞄准测量，二者测量效果是一致的。 测量坡度读数示例： =22.5 （4） 倍距法测高 SRC-/30型测高器的背面备注有倍距法测高说明，以方 便对特高大树木进行测高时使用。所谓倍距法是指测量高度时 将水平距加倍，如采用测高器上20m水平距离线读取高度，而 现场采用的水平距离实际为40m（2倍关系），这样一来所读高 度值也存在2倍关系，如按上述方法读取的树高值假设为28.2m 、则实际树高为56.4m。 2L L H 2H 2L L H 2H 2e-5 2.1.5 与勃鲁莱测高器的比较 （1） 技术参数比较 技术参数 CGQ-1 （勃鲁莱测高器） SRC-/30 （准连续测高器） 最大仰视高度60m 直读法31m 倍距法62m 最大俯视高度20m 直读法10m 倍距法20m 高度分划值0.5m0.5m 最大仰角6060 最大俯角3030 角度分划值11 测高采用的标准水平距15m、20m、30m、40m 15m、20m 准连续可变距区间：(7 12)m 整机外形尺寸15612725(mm)15612725(mm) 整机净质量0.4Kg0.4Kg （2） 应用性能比较 应用性能 CGQ-1 （勃鲁莱测高器） SRC-/30 （准连续测高器） 携带性能良好良好 读数性能良好良好 测量误差0.3m0.3m 密林使用情况不适用适用 2e-6 2.1.6 应用前景展望 （1）从仪器本身来看，它就是一台勃鲁莱测高器！具备勃鲁莱的所有功能， 使用者可以完全把它当成勃鲁莱使用没有问题。但是，当山高林密、沟谷 纵横，勃鲁莱测高器不能使用时，本测高器仍可以正常使用。 （2）从使用单位来讲，其他测高器价格昂贵（例如瑞典产激光测高器（ Vertex Laser VL400 ）售价1.95万元人民币台，测距、测高精度也只有 0.5m），而且操作相对复杂，短时内难于进行广泛推广，但传统的勃鲁莱式 测高器价格便宜、携带使用方便，精度良好，能够适用于大多数林业调 查工作的需要，因此，本仪器作为一款勃鲁莱测高器的升级版对 林业生产和科研单位来说具有良好的推广和实用价值。 2e-7 2.2 改进式克里斯屯测高器 （也称：树高速测尺） （已授权，专利号：ZL 2009102564050） 2.2.1 结构组成 （1）尺身 （2）上尺脚 （3）下尺脚 （4）固定螺钉 （5）手持孔 （6）防脱螺钉 改进式克里斯屯测高器结构图 （树高速测尺） 2e-1 2.2.2 克里斯屯式与 改进克里斯屯式的比较 2e-2 u1.可实现任意点测高 u2.工作效率高于克里斯屯测高器 u3.测高精度亦高于克里斯屯测高器 2.2.3 改进克里斯屯式测高器的优点 2.2.4 工作原理（一） OabOAB，OacOAC成立 由相似三角形定理 推论得： ab：AB=ac：AC 因为测尺是一个直线比例尺，又测量前已 经预先设定了a点读数为0，b点读数为 B，即ab读数值为AB，所以，测定时 ac读数值当然为AC（树高） 。 树基通视条件下的测高原理图 O B C a b c A 2e-3 树基通视不良条件下的测高原理图 2.2.4 工作原理（二） OabOAB，OacOAC成立 由相似三角形定理推论得： ab：AB=ac：AC 因为测尺是一个直线比例尺，a点读数为0， 又测量前已经预先设定了a点读数为A，b 点读数为B，即ab读数值为AB，所以， 测定时ac读数值当然为AC（树高） 。 2e-4 2.2.5 科学价值： 在测树技术领域中首次提出了 基部被挡时一次性测定树高的方 法和工具，可作为新型测高器设 计的理论基础。 b c d a e f （1）实验样机 已经完成 （2）专利 已授权 （专利号：ZL 2009102564050 ） a.尺身 b.尺角缺口 c、e. 上尺角 d、f.下尺角 图5.4 用铝塑板制作的实验样机 改进克里斯屯式测高器的研究进展： （3）外业实验验证 精度、工效皆高于克里斯 屯测高器，还能在树基通视不 良条件下一次性测出树木全高 。 2.2.6 应用前景展望 （1）因具有测点任选、不需量距的优 点，所以比较适用于陡坡森林测高， 根据实验，只要森林郁闭度在0.8以下 都能取得良好的测量效果。 （2）从仪器本身来看，它结构简单，制 作容易，携带方便，工作效率高，因 此对森林调查单位来说具有良好的推 广和实用价值。 2e-6 3 结语 测高器是森林调查的重要工具和常用工具，但目前市场上 可供林业工作者选用的森林测高器品种极少, 真正能在基层推广 应用的也就是勃鲁莱测高器，这方面发达国家也是如此。虽然 也有光学类、电子类的测高器销售，但终因价格、工效、精度 、方便性等因素