Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ГОДИЧНОГО СЛОЯ НА КЕРНЕ ДРЕВЕСИНЫ

Мазуркин П.М. Варсегова Л.Ю.
С помощью геоинформационной системы были получены точные измеренные значения каждого годичного слоя на всем керне древесины сосны. Данные обработаны в математической среде и получена статистическая формула, которая состоит из 16 составляющих, что позволило дать ориентировочный долгосрочный прогноз.
керн
геоинформационная система
статистическая формула
долгосрочный прогноз

В данной статье предлагается способ, позволяющий повысить точность измерения ширины годичных слоев на всем протяжении керна, что ведет к расширению функциональных возможностей измерения годичных слоев на керне, а также к выявлению закономерностей динамики радиального прироста ствола учетного дерева по каждому годичному слою от центра (терминального побега) до периферии (последнего годичного слоя до момента взятия керна древесины).

Дерево сосны произрастает в сосново-березовом насаждении (7С3Б); тип лесорастительных условий - А3; тип леса - сосняк черничник; полнота - 0,8. Использовался керн сосны комнатно-сухой влажности, взятый в 2000 году на высоте 1,3 м (рис. 1).

Возраст подроста на высоте 1,3 м составлял 11 лет. Замеры проводились на годичных слоях, начиная с 12 по 71 год жизни дерева. Полный же возраст дерева составляет 71 год.

Для измерения ширины годичного слоя керн устанавливают на окно сканера и сканируют в полноцветном режиме (12,7 млн. цветов) с разрешением не менее 1200 dpi (рис. 2).

p

Рис. 1. Схема взятия керна древесины

p

Рис. 2. Вид керна после сканирования

Далее выполняется конвертация изображения в геоинформационную систему (ГИС) с аналогичным разрешением, что и при сканировании с масштабом 1:1000 (условно 1 м на электронной карте принимаем за 1 мм). Возможно получение негатива изображения для более четкого определения размещения годичных слоев на керне (рис. 3).

p

Рис. 3. Вид керна после конвертации изображения в геоинформационную систему (ГИС)

Средствами ГИС проводим линию по продольной оси керна (рис. 4). Для учета продольной кривизны керна приходится проводить по оси керна ломаную линию.

p

Рис. 4. Вид керна с линией по продольной оси керна

Далее выполняется корректировка линии путем добавления в нее точек, выделенных в конкретных местах пересечения линии с каждым годичным слоем (рис. 5). При этом выделяются у годичного слоя две границы - начальная граница (с момента начала вегетационного периода) и конечная граница (с момента завершения вегетационного периода у дерева).

p

Рис. 5. Корректировка линии по продольной оси керна

В результате измерений на сканированном изображении получается линия, описывающая ширину годичных слоев вдоль продольной оси керна древесины. На основе этой продольной линии автоматически в ГИС можно составит журнал координат с вычисленными расстояниями между точками, в данном случае от периферии к центру (рис. 6).

p 

Рис. 6. Вид линии на керне, которая описывает ширину годичных слоев вдоль продольной оси керна древесины

При измерении ширины отдельного годичного слоя и последовательно, например, от периферии к центру (как это и принято в лесной таксации), всех годичных слоев с помощью системы ГИС учитывается криволинейная ось керна, так как при высыхании ось керна не может оставаться строго прямолинейной.

На участке керна с высокой кривизной продольная ломаная линия всегда будет перпендикулярна измеряемому годичному слою.

Поэтому после измерений на компьютере с помощью ГИС получаются точные измеренные значения каждого годичного слоя, а суммированием получается вся длина годичных слоев на керне.

Для контроля измеряется полная длина всех или группы годичных слоев, причем полученные значения сопоставляются с суммой значений ширины входящих в эту группу годичных слоев.

После проведения измерений, полученные данные были обработаны в математической среде Curve Expert-1.3 (табл. 1) и получена статистическая формула, которая в приведенном примере состоит из 16 составляющих:

f,                    (1)

f,

ff,

где b - расчетная ширина годичного слоя по статистической модели, мм;

tR - время, которое отчитывается с терминального побега, на который попала при взятии керна сердцевина древесины, лет.

В табл. 1 приведены результаты расчетов, в которой приняты следующие условные обозначения:

t - время с момента начала роста и развития дерева, лет;

f - фактическая ширина годичного слоя, измеренная путем сканирования керна древесины и размещения изображения в геоинформационную систему, мм;

ε - абсолютная погрешность (остаток) статистической модели, вычисляемая как разность между фактическими и расчетными значениями изучаемого показателя;

Δ - относительная погрешность статистической модели.

Таблица 1

Динамика ширины годичного слоя, мм

Год

Время с момента роста

t, лет

Время с терминального побега

tR, лет

Факт

f, мм

Расчетные значения

b

ε

Δ, %

2000

71

59

0,339

0,396

-0,06

-16,79

1999

70

58

0,440

0,428

0,01

2,73

1998

69

57

0,510

0,488

0,02

4,36

1997

68

56

0,405

0,421

-0,02

-4,03

1996

67

55

0,486

0,382

0,10

21,45

1995

66

54

0,464

0,485

-0,02

-4,46

1994

65

53

0,683

0,623

0,06

8,79

1993

64

52

0,591

0,621

-0,03

-5,12

1992

63

51

0,541

0,594

-0,05

-9,78

1991

62

50

0,584

0,664

-0,08

-13,68

1990

61

49

0,477

0,532

-0,06

-11,62

1989

60

48

0,486

0,503

-0,02

-3,49

1988

59

47

0,578

0,611

-0,03

-5,63

1987

58

46

0,819

0,679

0,14

17,08

1986

57

45

0,556

0,543

0,01

2,32

1985

56

44

0,533

0,443

0,09

16,91

1984

55

43

0,741

0,681

0,06

8,08

1983

54

42

0,510

0,533

-0,02

-4,44

1982

53

41

0,463

0,531

-0,07

-14,71

1981

52

40

0,598

0,565

0,03

5,53

1980

51

39

0,536

0,731

-0,20

-36,46

1979

50

38

0,834

0,757

0,08

9,21

1978

49

37

0,348

0,404

-0,06

-16,00

1977

48

36

0,440

0,442

0,00

-0,43

1976

47

35

0,394

0,309

0,09

21,66

1975

46

34

0,651

0,614

0,04

5,63

1974

45

33

0,417

0,467

-0,05

-12,03

1973

44

32

0,457

0,357

0,10

21,94

1972

43

31

0,497

0,589

-0,09

-18,54

1971

42

30

0,533

0,495

0,04

7,10

1970

41

29

0,487

0,507

-0,02

-4,16

1969

40

28

0,372

0,426

-0,05

-14,58

1968

39

27

1,002

0,979

0,02

2,31

1967

38

26

1,190

1,167

0,02

1,97

1966

37

25

1,085

1,178

-0,09

-8,60

1965

36

24

1,476

1,382

0,09

6,35

1964

35

23

1,291

1,309

-0,02

-1,40

1963

34

22

0,970

0,979

-0,01

-0,94

1962

33

21

0,640

0,621

0,02

2,92

1961

32

20

0,672

0,709

-0,04

-5,57

1960

31

19

0,903

0,879

0,02

2,65

1959

30

18

1,054

1,032

0,02

2,09

1958

29

17

1,158

1,173

-0,02

-1,32

1957

28

16

1,020

1,078

-0,06

-5,65

1956

27

15

0,858

0,762

0,10

11,14

1955

26

14

0,532

0,653

-0,12

-22,76

1954

25

13

1,057

0,976

0,08

7,64

1953

24

12

1,325

1,263

0,06

4,69

1952

23

11

1,385

1,424

-0,04

-2,84

1951

22

10

0,986

0,878

0,11

10,93

1950

21

9

1,647

1,646

0,00

0,04

1949

20

8

2,235

2,276

-0,04

-1,85

1948

19

7

2,959

2,926

0,03

1,11

1947

18

6

1,678

1,703

-0,03

-1,49

1946

17

5

2,555

2,548

0,01

0,26

1945

16

4

1,834

1,825

0,01

0,49

1944

15

3

3,126

3,152

-0,03

-0,82

1943

14

2

4,217

4,270

-0,05

-1,25

1942

13

1

3,710

3,760

-0,05

-1,36

1941

12

0

6,903

6,903

0,00

0,00

Максимальная относительная погрешность f= 36,46 %, которая по данным табл. 1 подчеркнута. Доверительная вероятность модели (1) равна 100 - 36,46 % = 60,54%, что позволяет дать ориентировочный долгосрочный прогноз, по которому построен график в программной среде EXCEL (рис. 7).

p 

Рис. 7. Динамика радиуса ствола сосны по годичным слоям керна
с учетом волновой составляющей

Более точный прогноз можно получить с учетом распределения количества относительных отклонений (табл. 2).

Таблица 2

Распределение количества годичных слоев по значениям допустимой относительной погрешности

Интервал изменения

f, %

Количество годичных слоев в интервале

погрешности, шт.

Доля от общего числа измеренных годичных слоев, %

Примечание

>30

1

1,7

Менее одной трети годичных слоев превышают 10%-ый рубеж

>20

6

10,0

>15

10

16,7

>10

17

28,3

>5

31

51,7

 

>1

53

88,3

 

По распределению относительной погрешности можно считать, что статистическое моделирование выполнено на уровне 10-процентной значимости.

В табл. 3 показана точность измерения ширины годичного слоя, причем в зависимости от разрешения компьютерного изображения ГИС. Эта точность будет инструментальной, к которой нужно еще учесть и точность измерения зрением человека при установке точки на границах годичного слоя вдоль его продольной оси.

Таблица 3

Инструментальная точность измерений ширины годичного слоя керна
с помощью геоинформационной системы

Разрешение

изображения, dpi/дюйм

Точность

измерения, мм

Интервал

точности измерения, мм

Примечание

75

0,339

±0,170

Эти шкалы изображения не могут быть применены при измерениях годичных слоев на керне из-за малой точности

100

0,254

±0,127

150

0,169

±0,085

200

0.127

±0.064

300

0,085

±0,042

600

0,042

±0.021

1200

0,021

±0.010

Рекомендуемые уровни разрешения

2400

0,010

±0,005

Примечание: Выделена точность измерения, сравнимая с измерительной лупой

Из данных табл. 3 видно, что при уровне разрешения изображения в 2400 dpi появится возможность измерения не только отдельных зон годичного слоя (ранняя, поздняя, ранне-поздняя, поздне-ранняя), но и отдельных крупных клеток древесины.

За 43-летний период, с 1957 по 2000 годы, причем само дерево возникло в 1929 году, произошло какое-то долговременное воздействие на растущую сосну, которая постепенно адаптировалась к условиям места произрастания волновым изменением части ширины годичного слоя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Мазуркин, П.М. Геоэкология. Закономерности современного естествознания [Текст]: Научное издание / П.М. Мазуркин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004 - 336 с.
  2. Мазуркин, П.М. Статистическая экология [Текст]: Учебное пособие / П.М. Мазуркин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004 - 308 с.
  3. Мазуркин, П.М. Экологический мониторинг (Способы испытания деревьев) [Текст] / П.М. Мазуркин: Учеб. пос. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 224 с.

Библиографическая ссылка

Мазуркин П.М., Варсегова Л.Ю. ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ГОДИЧНОГО СЛОЯ НА КЕРНЕ ДРЕВЕСИНЫ // Успехи современного естествознания. – 2010. – № 4. – С. 31-37;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=8034 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074