两种新型森林测高器的设计及应用--山东农业大学-李建华

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：[e-mail]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⑴机械类⑵光学类⑶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VERTEXVL400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（(BlumeLeiss)。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：ZL201120044992x）①结构继续采用德国勃鲁莱式(BlumeLeiss)结构，包括壳体和控制机构，②原理为通用的三角测高原理h=Ltgθ，③刻度盘采用了专利技术ZL201120044992x2.1.1基本结构和原理2e-11.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-22.1.3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-Ⅰ/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：①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！！！②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=4.6m2e-4（3）测量坡度SRC-Ⅰ/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：θ=22.5°（4）倍距法测高SRC-Ⅰ/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。2LLH2H2LLH2H2e-52.1.5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-Ⅰ/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60°60°最大俯角30°30°角度分划值1°1°测高采用的标准水平距15m、20m、30m、40m15m、20m准连续可变距区间：(7～12)m整机外形尺寸156×127×25(mm)156×127×25(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-Ⅰ/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-62.1.6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（VertexLaserVL400）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-72.2改进式克里斯屯测高器（也称：树高速测尺）（已授权，专利号：ZL2009102564050）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）—防脱螺钉图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A改进式克里斯屯测高器结构图（树高速测尺）2e-12.2.2克里斯屯式与改进克里斯屯式的比较2e-2图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A1.可实现任意点测高2.工作效率高于克里斯屯测高器3.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图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A2.2.4工作原理（一）△Oab∽△OAB，△Oac∽△OAC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OBCabcA2e-3图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A树基通视不良条件下的测高原理图2.2.4工作原理（二）△Oa´b∽△OA´B，△Oac∽△OAC成立由相似三角形定理推论得：a´b：A´B=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a´b读数值为A´B，所以，测定时ac读数值当然为AC（树高）。2e-4图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A2.2.5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。bcdaef（1）实验样机——已经完成（2）专利——已授权（专利号：ZL2009102564050）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。图14012356798101112141315161719182021222425272628292330423156666baC图3aOBAbcOBCabc图2A2e-63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，到目前还没有哪一种测高器能撼动勃鲁莱测高器的统治地位。据保守估计，世界各国森林调查中勃鲁莱式测高器的使用量至少在80%以上，但勃鲁莱测高器又不太适用于密林测高，因此，对于大部分森林调查来说，实际上目前处于无测高器可用的状况，特别在基层林业部门更是这样。鉴于此，准连续可变距式和改进克里斯屯式两种新型测高器的研制成功，无疑将会给森林调查领域带来活力，同时预计将会在国家一类、二类森林资源清查中发挥积极作用。3e-1