CC BY
79
УДК 528.48
Б.В. Селезнев, Д.В. Панов СГГА, Новосибирск
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРТАТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТ ДЕРЕВЬЕВ
B.V. Seleznyov, D.V. Panov SSGA, Novosibirsk
EXPERIENCE IN USING PORTABLE LASER RANGEFINDER FOR TREES HEIGHT DETERMINATION
The paper analyzes the experience of using the portable rangefinder Disto A5 for measuring the height of conifers. Measuring technique is offered which takes into account structural features of natural objects by means of the built-in «Pythagorean theorem» function.
При натурных обследованиях древостоя, например, на лесосеменных плантациях, в лесотаксации, на тестовых экологических площадках, требуется определять высоту отдельных деревьев, ежегодный прирост, расстояние между мутовчатыми междоузлиями и другие характеристики [1].
Процесс измерения высот деревьев сопряжен с определенными трудностями, которые возрастают с увеличением их высоты. Особенно сложно измерение рулеткой. Существуют косвенные способы измерения: калиброванным шестом для невысоких деревьев, ручными угломерными визирами с последующим вычислением высот. Естественно самым надежными и точными являются измерения теодолитом. Но профессиональное, порой громоздкое оборудование не находит применения в подобных работах, так как установленная точность определения высот деревьев находится в пределах 0,5 м.
Предлагается выполнять измерения высот природных объектов с помощью портативного лазерного дальномера. Для проведения экспериментов применялся Disto A5 фирмы - изготовителя Leica (Швейцария), позволяющий измерять линейные размеры - прямым промером; площадь и объем прямоугольных участков и помещений. Когда невозможно прямое измерение расстояния, например высоты объекта, Disto позволяет косвенное определение, путем построения пространственных треугольников, в которых измеряются катет и гипотенуза. Вычисление второго катета (высоты) обеспечивает встроенная функция «Теорема Пифагора». Фирма-изготовитель гарантирует точность прямого измерения ±1,5 мм при благоприятных условиях прохождения и отражения лазерного луча на расстояниях до 200 м. Это же подтверждается и в публикациях геодезических журналов [2, 3].
Лазерным дальномером Disto A5 определялись высоты сосны обыкновенной на лесосеменной плантации Озерского лесхоза Алтайского края летом 2008 г. В общей сложности было измерено 54 дерева с высотами: от 6 м до 8 м - 25 шт, от 8 до 10 м - 29 шт. Измерения осуществлялись со штатива с
использованием встроенного в прибор уровня и визира с 2-х кратным увеличением, схема измерений представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема измерения высоты дерева лазерным дальномером Disto A5
Точка стояния S выбиралась произвольно, так чтобы были видны вершина и основание дерева.
После измерений, выполненных в последовательности, показанной на рис. 1, вычисленная высота дерева отображается на дисплее прибора.
Результаты, полученные Disto А5 (HDisto), сравнивались с высотами этих же деревьев, вычисленными суммированием расстояний между мутовочными междоузлиями, измеренных обыкновенной рулеткой (Hp) (рис. 2). Анализ показал, что значения высот, полученные Disto А5, в основном меньше, чем измеренные по междоузлиям.
п
CQ О
а о Ч
Р
о о
m
11 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
г í
: » « ► < ,4 ( 1
г И и f1! 4J l¡ L d L
> < > •
•С М > г I с г с г
'L С L
L С 1 и i< 'с с [2 С L
: ir1
I
♦ Рулетка п Disto
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 1718 19 20 21 2223 24 25 26 2728 29 30 31 32 33 34 35 3637 38 39 4041 42 4344 4546 4748 49 5051 52 53
Номер дерева
Рис. 2. Сравнение значений высот деревьев
Расхождения значений высот (HDisto-Hp) распределились в следующих интервалах: от 0 до 0,25 м - 48 %; от 0,30 до 0,50 м - 20 %; от 0,55 до 0,70 м -15 % и более 0,70 м - 17 %.
Для выявления причин относительно низкой точности измерений были выполнены дополнительные исследования способа определения высот с помощью функции «теорема Пифагора». Для этого на отвесной стене здания была отмечена маркой контрольная высота (Н), на которой были закреплены хвойная ветка и мутовчатый узел вершинки ели. Геодезической лентой с точностью ± 1^2 см промерены высоты и отстояния от стены до штатива с установленным на нем Disto A5.
Прибор поочередно устанавливался на отстояния равные: 0,3Н, 0,6Н, Н, 2Н, 3Н, 4Н.
В каждой серии измерения выполнялись десятью приемами для определения точности наведения. Вычисления показали, что среднеквадратическая ошибка наведения луча с помощью встроенного визира практически не зависит от отстояния до стены и составляет соответственно на марку ± 0,5 см, на мутовочный узел ± 2,6 см, на вершину ветки ± 5,8 см.
Таким образом, для длин линий, расположенных в отвесной плоскости, предлагаемый способ измерения с использованием функции «теорема Пифагора» дает вполне удовлетворительную точность.
Реальная точность измерения высот деревьев на плантации оказалась ниже. Это объясняется тем, что три точки наведения при измерении высоты дерева не находятся в отвесной плоскости, т. е. нарушается прямоугольность измеряемых треугольников.
Для анализа были выполнены расчеты высоты «виртуальных» деревьев в зависимости от значений диаметров ствола. Ствол принимался за правильный конус. Расчеты выполнены для различных диаметров стволов и отстояний. Полученные отклонения от истинной высоты (от вершины до точки наведения луча 2) носят систематический характер и для наглядности представлены в виде графика (рис. 3).
+ДИ см
35 -,-
0 0,2 Н 0,4Н 0,6 Н 0,8Н 1Н 1,2Н 1,4Н 1,6Н 1,8Н
Рис. 3. График искажений определяемой величины в зависимости от диаметра
дерева и отстояния от него инструмента
Как видим, погрешность с увеличением отстояния и диаметра ствола может достигать значительных величин, которые имеет смысл учитывать.
Треугольник, образованный лучами 2 и 3, имеет острый угол при инструменте в точке (S), т. е. является практически вырожденным. Поэтому даже малые отклонения от прямоугольности, а особенно за счет укорочения луча 3 приводят к ощутимым искажениям результата от 0,5 до 1,0 м. Этим объясняются большие погрешности в измерениях высот деревьев на лесосеменной плантации.
Резюмируя изложенное, предлагается следующая методика измерения высот деревьев хвойных пород лазерным дальномером Disto A5.
1. Измерения выполнять только с устойчивого штатива.
2. Прибор устанавливать на возможно близкое расстояние от дерева.
3. С помощью Disto A5 измерять только часть ствола Н (1-2) от вершины до точки наведения горизонтального луча.
4. Домер высоты от точки наведения горизонтального луча до точки, где ствол переходит в корни, измерить вручную с помощью рулетки. Это расстояние приблизительно равно высоте установки прибора и измерить его не составит труда.
5. Высота дерева определяется суммированием значений расстояний (1-2) и (2-3), в окончательную высоту дерева необходимо ввести поправку снятую с графика (рис. 3). Входные величины - диаметр ствола на высоте, равной высоте инструмента и отстояние.
На лесосеменных плантациях, где прирост деревьев отслеживается регулярно, на наш взгляд, высоту лучше измерять до верхнего мутовочного узла, так как при этом значительно повышается точность наведения лазерного луча и соответственно точность измерения самого прироста.
Следует обратить внимание, что применение Disto A5 для измерения расстояний между междоузлиями значительно облегчает этот процесс, в сравнении с другими способами, а влияние разного рода систематических погрешностей измерений связанных с прибором и внешней средой в значительной мере ослабится.
Считаем, что проведенный полевой эксперимент и результаты исследования точности измерений позволяют рекомендовать лазерный дальномер Disto A5 для измерения высот деревьев, особенно хвойных пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тараканов, В.В. Селекционное семеноводство сосны обыкновенной в Сибири / В.В. Тараканов, В.П. Демиденко, Я.Н. Ишутин, Н.Т. Бушков. - Новосибирск: Наука, 2001. - 230 с.
2. Ершов, В.В. Исследование лазерной рулетки ММ.30 / В.В. Ершов, В.А. Калмыков // Геодезия и картография. - 2003. - № 6. - С. 16-19.
3. Соустин, В.Н. О точности определения разностей / В.Н. Соустин // Геодезия и картография. - 2005. - № 1. - С. 19-22.
© Б.В. Селезнев, Д.В. Панов, 2009
