測樹工具

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更新時間: 2013-09-04

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測徑工具用於樹榦與木材直徑的測量,種類繁多,結構繁簡差別很大。是測定樹木或木材粗度、高度或長度、生長量及單位林地面積的胸高斷面積等所用的儀器和工具。

測樹工具 -測樹工具

 

測樹工具 -正文
  測定樹木或木材粗度、高度或長度、生長量及單位林地面積的胸高斷面積等所用的儀器和工具。有一般的機械結構和與幾何光學元件或電子元件結合的複雜結構。體積小、重量輕、結構牢固、測量結果精確。用途多為單項,如測徑、測高、測材積等,也有一器多用的。
  測徑工具 用於樹榦與木材直徑的測量,種類繁多,結構繁簡差別很大。
  檢尺  又名檢徑尺或勾尺。用以測量原木小頭直徑。構造簡單,在直尺一端安裝與尺面同寬的片形金屬勾。以此為零,在尺面上刻出按1厘米進級的、2厘米徑階整化偶數刻劃。
  直徑捲尺  用於圍測樹榦胸徑為主的小鋼捲尺、夾有金屬絲的布捲尺或篾捲尺。一般長1~3米,按圓周長等於π倍直徑關係和檢尺一樣在尺上刻劃,徑階的刻劃單位有1厘米、2厘米和4厘米幾種,應用時根據林分平均直徑的大小進行選擇。篾直徑捲尺是中國特有的竹篾尺,有300多年的歷史,用黑色油漆刻劃。
  輪尺  又名直徑卡尺。是應用最廣的一種測徑工具。由尺身和與尺身保持嚴格垂直的固定臂與滑動臂 3部分組成。兩根臂的長度必須比尺身最大刻劃數的長度的一半略長,使能測定與尺身最大刻劃數等粗的樹木直徑。滑動臂要能滑動自如,又要與尺身保持垂直。一般有3種設計:①在滑動臂的尺身通道中安裝彈簧片與螺絲,以便隨時校正滑動臂的垂直度;②滑動臂的尺身通道,是一種比尺身為寬的平行傾斜通道,並要求如圖 1中ab的a與b兩點向尺身的垂直距離ab與bc等於尺身寬度;③在滑動臂的尺身通道的上下安裝滑輪。

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  輪尺有許多變形和改進,如兩臂可以摺疊,只留固定臂或把固定臂改為弧形臂而去掉滑動臂,甚至只有特殊尺身而無一臂等。有效的改進是自動記錄直徑的自記輪尺,其中以能使測量胸徑分類計數結果直接輸入電子計算機的最為先進。
  ①彎輪尺。又名芬蘭拋物線輪尺(圖 2)。是能安裝在竿上用作測定 8米以下樹榦高處直徑的高輪尺。但刻劃線要寬,並用不同顏色相間隔,以便從高處讀數。1958年中國設計試製了彎輪尺,其原理見圖3:弧形尺臂取拋物線式表示。圓與拋物線相切於M點,圓心C的坐標為αβ),CM為C圓的半徑並與拋物線在M的法線重合。根據法線方程和圓的方程

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根據yf(x),αφ(x)及βφ(x)並取α為任意正整數,如α=4,5,6等,再代入x=0,1,2,3,……的數字,求出相應的yαβ。然後在直角坐標紙上,按上述原理作圖得出彎輪尺圖形與直徑刻劃。

 

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  ② 畢特莫爾測杖。為一種直尺形測徑尺。以美國畢特莫爾森林學校設計得名,中國范濟洲教授於1951年改進成實用綜合型森林測尺,其原理是(圖4):直徑D=2BC。AB為定長,一般取使用者的手臂伸出長度。尺子的刻劃按式以F為零點,算出對應於D的長度EF。

  ③ 扇形叉,又名輪尺叉(圖5)。是奧地利W.畢特利希按照與畢特莫爾測杖類似的原理設計。形狀與彎輪尺相似。根據圓的橫斷面的扇形來測定直徑或斷面積。通過瞄準針的視線與樹榦相切來確定弧形尺上的讀數。

  以上幾種變形輪尺使用簡便,可提高外業工效。但不如輪尺與直徑捲尺讀數精確。
  ④ 瑞典自記輪尺。由2厘米刻劃單位的普通輪尺和一套與輪尺平行的計數部件所組成(圖6)。此部件有與尺身相同刻劃數的小框子。小框中每刻度的反面裝有3排機械計數器的獨立部件,還有3個株數計數按鈕,3個計數鍵和相應數字錶示的3個計數窗口。每木檢尺時能計數3個樹種,每樹種按徑階計數可達999株。3個樹種21個計數部件,總共可計數62937株。與此類似的還有蘇聯的自記輪尺。

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  ⑤ 自記紙帶輪尺。一種穿孔紙帶輪尺(圖7)。滑動臂上有齒輪傳動穿孔紙帶編碼器。用壓下右手柄的槓桿的辦法,隨即把測量值進行穿孔。穿孔帶可以饋入計算機內,也可轉換成磁帶。這種輪尺輕而防水,特別適用於熱帶林的資源清查。

  ⑥ SMR 計算化輪尺。是能自動貯存數據的電子輪尺。由瑞典人B.瓊森研製而成。有一個電子機械輪尺和具有鍵盤的數據記錄器(終端)(圖8),並通過導線相互聯結起來。數據貯存器的程序是固定的,可存貯達2000小時之久。內存容量為48K44位數字,共有20個鍵盤。內存數據可輸入計算機或傳送給微型磁帶。輪尺部分帶有電子裝置,一個帶有雙感受器的滑動尺在尺上移動時,可以接觸感應到橫線刻劃,並把脈衝轉變成以毫米為單位的直徑測定值存入終端,這種輪尺還能在檢尺時選出樣木,在現地檢查與修改數據和計算結果。

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  測高器 測定樹木全高、冠長、枝下高和某一定粗度處的干高或商品材高的測樹工具。測高器的原理分幾何學的相似三角形與三角術兩類。多數測高器需用捲尺或光學視距裝置測出水平距離。常用的測高器如下述。
  韋塞測高器  中國慣稱為圓筒測高器。由裝有齒狀刻度板的圓形觀測筒和帶有懸錘的相同刻度尺所組成,用與懸錘連接的刻度尺ab在儀器上確定水平距離(圖9)。 並按下式計算樹高BC:

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AE為在平地測高時的眼高,AD為測站到被測樹木的水平距離。在坡地時可分別仰視觀測樹梢與俯視樹基,得出仰視的cb與俯視的cb′,分別算出CD,式中DB,求和得全高。即

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  克里斯屯測高器  是不必測量水平距的幾何測高器(圖10右)。工作原理是在貼近樹榦處豎一定長(一般2或3米)的標竿,再以一根定長直尺(一般為30厘米)捏住上端使其下垂。當視線上下觀測樹梢和樹基時,恰好通過直尺的上下兩端(圖10左)。此時觀測標竿頂端的視線與直尺相截的位置,即得左圖中bc這一段。按下式可計算出樹高AC,並刻數在 b點。當BC與ac為定長,給定5~40米各不相同的AC,可算出相應的 bc刻劃在直尺上,供直接使用。

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  布魯萊斯測高器  按三角術原理由德國製造的帶有簡單視距器的測高器(圖11左)。儀器度盤上有與依次按15米、20米、30米和40米幾種不同水平距的仰視與俯視觀測角對應的高度刻劃,最下的為角度刻劃。在平地測高時,根據上述某水平距,仰視樹梢,按下制動鈕,讀出擺針相應水平距的刻劃值,並加測者眼高,即得全樹高。圖11右為視距標尺。懸挂它在樹榦的 1.5米高處。通過以方解石為光學鏡片的視距器觀測標尺時,由於雙折射而使標尺刻劃向上方位移。當15的刻劃與上方0刻劃重合時,在平地為平距15米,在坡地時為斜距15米。應用於坡地測高時,因視距為斜距,讀得樹高偏大,須按下式進行斜距改算求得樹高h

h=h′(1-sin2θ)

式中h′為按斜距讀得的樹高,θ為坡度角。這時因樹基低於眼高而高於測站,可俯視樹基讀數。仰、俯視兩次讀數之和得全樹高。如樹基高出眼高,也為仰視,則視兩次讀數之差為全樹高。
  桑托測斜器與PM-5型桑托測高器  芬蘭製造的輕便三角術測高儀器(圖12)。刻度牌支撐在有寶石的軸承上。全部活動部件浸泡在嚴密密封的塑料容器里的緩衝液體之中,以消除刻度牌的震動,使它在容器中移動平穩。這種液體不受陽光與水分的影響,不凍結,便於在北極或熱帶的高海拔地方使用。光學標尺刻劃範圍為±90°與±150%。 通過無視差的透鏡很容易讀數。直接可讀出1度或1%,估讀可達2分或0.2%。PM-5型增添了視距器和無須電源而能使用15年的氚燈泡來照亮鼓輪的刻劃。

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  阿布尼水準器  固定在長約15厘米的視管上,刻有度數、坡度百分數或地形線刻劃弧的水準器(圖13)。是美國廣泛採用的三角術測高器。中國簡稱為手水準,應用簡便。從視管瞄視樹高,搬動指擺,當在視管中鏡子里見到水準泡居中時,即為測定樹高在眼高以上的仰角。同樣觀測樹基得俯角,則樹高為:

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式中h為樹高;AB為水平距;αβ分別為仰、俯角(可取坡度百分數)。樹基低或高於眼高時,式中符號取E或負號。

  測胸高斷面積工具 直接測定每公頃斷面積的光學角規。
  林分速測鏡  一種多功能光學測樹儀,主要用以角規測計單位面積上的胸高斷面積,也可用以量測樹高、立木任意部位直徑、距離和林地坡度。在坡地上使用時,能自動調整坡度影響,直接讀得水平結果。LC-1型林分速測鏡(圖 14)附有1.1米長的可摺疊標竿。儀器內部構件主要包括制動鈕,偏重鼓輪,分划板,擋板和由半反射鏡、組合透鏡合成的光具組(圖14a)。由於鼓輪是偏重心的,能圍繞通過圓心的軸轉動,因而儀器無論怎樣前後擺動,鼓輪在轉動運動方面總是對地面相對靜止的。全部測量用的標尺都刻在鼓輪表面的分划板上(圖 14b),它們通過透鏡及半反射鏡而投入觀測者的眼睛。擋板使觀測者只能在下半視域中看到標尺,在上半視域中看到被測樹木。上、下兩半視域的分界線構成準線。使用任一標尺時,都以標尺在準線上的讀數和寬度為準。標尺1,2,1/2是分別具有斷面積因子為1,2,1/2(米2/公頃)的角規。標尺 1與其左邊4條小帶合併在一起構成具有斷面積因子為4(米2/公頃)的角規。應用時用標尺對準樹榦胸高處,根據標尺計數。合計計數值乘以所用標尺的斷面積因子,即得1公頃森林的胸高斷面積。該儀器還可用來測算立木任意部位的直徑。標尺S用來測距。標尺H和P分別用來量測樹高和坡高。

  DQW-2 型望遠測樹鏡的基本結構與林分速測鏡同,但增加了大倍率的望遠系統,因而測量精度高於林分速測鏡。這類速測鏡都有自動把坡度改平的功能。
  稜鏡角規  測定林分單位面積林地上的胸高斷面積的一種楔形稜鏡片,即光楔,也稱森林調查員稜鏡(圖15b)。 最早由德國G.米勒創製。是 一種簡單的光學角規,利用其頂角小使光線偏折產生偏向角的特性,觀察物體造成物體虛象向頂角一方位移,其位移量與偏向角大小及觀察距離有關。應用時計數法如圖 15c。利用等頂角的雙圓光楔成對安裝成可變稜鏡角規,即通過雙圓光楔作同步異向轉動,以獲得不同大小的偏向角。為提高觀測的準確性,可將稜鏡角規安裝在低倍單筒望遠鏡的物鏡前方。

  測定生長變化的工具  精密測定直徑生長量的儀器。如顯微測樹儀,是在不破壞樹榦情況下,直接精密測定樹木直徑在短暫時間如1周、1月、1季或1年的生長變化的測樹儀(圖16)。由工業用的百分表或千分表和特製近似等腰三角形的表座(底盤)兩部分所組成。組裝時,通過測桿插入載表孔和將表夾套在百分表上部用螺絲緊固住,即形成儀器整體。使用時,還需要在樹榦胸高處找出較平滑的位置,去掉浮起樹皮,將3個平頭螺釘釘成 1個在下、2個在上的比表座為小的等腰三角形平面,先以底盤與測桿相對著的三角頂勾住下邊的螺釘,依次從右向左使底盤平貼在全部螺釘上,即可從百分表上讀數。相間某一短時間的兩次讀數之差,即為間隔期的直徑生長量。第2次測定時,不僅應與第1次的位置完全相同,而且儀器應保持第1次測定后的狀態不變,才能獲得準確結果。

  測材積工具 物理測容法測定材積的專用容器。如測容器,是放入木段測定體積的金屬盛水容器。測定形狀不整齊的木材時,一般採用賴西格式測容器。圓筒高約1~1.5米,直徑0.5米。筒下部裝放水頭,在放水頭上連結一根粗細一致的玻璃管,在旁按盛水體積使玻管內水面升高的高度刻上體積標尺。將水盛入達到水管起點刻度高,而後放入木材在玻管上讀數,以測定體積。另一種形式的測容器把放水頭安在測容器的圓筒上方,盛水與水頭平高。放入木材后,用量筒盛接排出的水以測定材積。主要缺點是木材吸收水分後會降低測定準確性,也不能測定較大木材。在生物量研究中,測定體積的供試木材很小,採用小型盛入水銀的測容器進行測定,可以避免因木材吸水而降低測定效果。
  綜合性測樹工具 以光學元件為主要部件、以測定樹榦上部直徑為主要目的的間接測樹儀器。分為光叉式、短基線視距儀式和輪尺式3大類,它們也可構成彼此結合的綜合式儀器。一般都配有光學放大系統以及測高器或視距裝置,以測定或標定所測上部直徑的位置。結構較複雜、體積較笨重。應用較多的,除林分速測鏡類儀器外,尚有下述幾種。
  DQL-1型測樹羅盤儀  具有帶讀數游標的全圓豎角度盤12倍放大率、光路轉折45°、能呈正像和用以測徑的分划板視距常數為 100的彎管望遠鏡的羅盤儀,屬於光叉式測樹儀(圖17)。按三角術測定水平距、樹榦全高、任意高和直徑等。使用方便,精度也較高,但各測樹因子均須計算求得結果,不便標定一定高度位置的直徑。

  惠勒五稜鏡輪尺  由五稜鏡對構成的手持式輕便光學輪尺。簡稱惠勒輪尺或五稜鏡輪尺(圖18)。用於測定樹榦任意可見高度的直徑。通過定五稜鏡上緣直視樹榦左側,同時左右滑動動五稜鏡,使在定五稜鏡中見到由動五稜鏡反射樹榦右側的虛象與實際樹榦左側相吻合在視孔中的圖形,此時指示標即在刻度尺上指出樹榦測點處的直徑數值。在定鏡一端的尺身頭邊安上桑托測斜器,使測高與測徑同時進行。

  TGC-300型光學測樹儀  又名DCW-3型光學測樹儀。以五稜鏡對和可調雙圓光楔為主要元件、兼有輪尺式與光叉式的光學測樹儀(圖19a)。基尺長300毫米。視窗能安上2.4倍望遠鏡。光楔圈(圖19b)位於定五稜鏡的前方,可自由旋轉。兩塊頂角相同的圓光楔安在圈中。圈上刻劃為雙圓光楔構成的偏向角的正切函數即光楔常數 K。在定五稜鏡的左側裝有偏重度輪測高器。使用時既可手持,又可安在三角架上。當取雙圓光楔的∞對準0°時,則與惠勒輪尺原理和用法相同,最大直徑量程為300毫米,可利用光楔擴大量程1~2米,但超過1米,精度降低。

  FP-15型測樹儀  為英國製造的一種短基線無標尺視距儀式測樹儀。精密而笨重(圖20)。基線長20.3厘米,望遠鏡放大倍數 5.5、能在相距11~110米範圍內觀測。測距範圍11~620米,測徑範圍3.8~500厘米,俯仰角可達-60°~+60°。測量精度相當高。測量距離與直徑時,對準目標,轉動儀器調節頭。從目鏡中見到樹榦分離虛象呈左方同側上下吻合(真吻合)時,在顯微讀數鏡中讀得第一讀數;當下方樹榦虛象的右側與上方的樹榦虛象左側相吻合時(假吻合),讀出第2讀數。以此兩次讀數查表或電算得距離或直徑。測量樹高時,先用測角器對準所選傾斜角的正弦值,或看清樹榦的適當位置來選定傾斜角,然後用測微器進行調整,直到水準器的氣泡居中時,讀出正弦值並乘以距離即得樹高。

  參考書目
 F.羅茨等著,森林資源清查翻譯組譯:《森林資源清查》,中國林業出版社,北京,1986。(F. Loetsch, F.Zhrer and K.E.Haller, Forest Inventory, vol.Ⅱ, 「BLV Verlagsgesllschaft」, Munich Bern Wien,1973.)

 

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