第1章单木材积测定

幻灯片1第1章单株树木材积测定内容提要基本测树因子树干形状伐倒木树干材积测定立木材积测定幻灯片2概述树木是由树干（体积占60－70％）、树根（体积占15％左右）和枝叶（体积占15％左右）所构成。立木(standingtree)：生长着的树木。伐倒木(felledtree)：立木伐倒后打去枝桠所剩余的主干。材积：树干的体积。幻灯片3第一节基本测树因子基本测树因子：树木的直接测量因子（如树干的直径、树高等）及其派生的因子（如树干横断面积、树干材积、形数等）。树干直径：指垂直于树干轴的横断面上的直径（Diameter）。用D或d表示胸高直径：位于距根颈1.3m处的直径，简称为胸径（DBH，diameteratbreastheight）。树高（treeheight）：树干的根颈处至主干梢顶的高度。胸高断面积(basalareaofbreast-height)：树干1.3m处的断面积。树干材积：指根颈以上树干的体积(volume)，记为V。幻灯片4直径测定工具测定直径的工具种类很多，常用的有轮尺、直径卷尺等。（1）轮尺轮尺又称卡尺（calipers），有木制或铝合金制两种。其构造如右图所示，可分为固定脚，滑动脚和尺身三部分。固定脚固定在尺身一端，滑动脚可沿尺身滑动，尺身上有厘米刻度，根据滑动脚在尺身上的位置读出树干的直径值。幻灯片5幻灯片6径阶测尺上一般都有两种刻度。一种是从固定角内侧为零开始，按cm刻划。可精确到0.1cm，用以量测实际直径。另一种是径阶刻划，即在森林调查时，用于大量树木直径的测定，为了读数和统计方便，一般是按1、2、4cm分组，所分的直径组称为径阶(diameterclass)，用其组中值表示。当按1、2、4cm分组时，其最小径阶的中值分别为1、2、4cm。径阶整化常采用上限排外法径阶(cm)2cm径阶范围(cm)径阶(cm)4cm径阶范围(cm)21.0—2.942.0—5.943.0—4.986.0—9.965.0—6.91210.0—13.987.0—8.91614.0—17.9109.0—10.92018.0—21.9幻灯片7幻灯片8围尺直径卷尺又称作围尺(diametertape)，根据制作材料的不同，又有布围尺，钢围尺之分。通过围尺量测树干的圆周长，换算成直径。一般长1～3m，围尺采用双面(或在一面的上、下)刻划。一面刻普通米尺；另一面上刻上与圆周长相对应的直径读数，也就是根据C═πD的关系(C为周长，D为直径)进行刻划幻灯片9幻灯片10测定胸径注意事项：准确确定胸高位置(1.3m处)；将围尺拉紧平围树干后，才能读数，使围尺围在同意水平面上，防止倾斜，否则易产生较大误差。在坡地测径时，必须站在坡上测1.3m处直径；胸高处出现节疤、凹凸或其它不正常的情况时，取上下±acm干形较正常处测两个直径取平均数作为胸径值；胸高以下分叉的树，可以视为两株树分别测定；胸高断面呈椭圆形时，应测其相互垂直方向（特指用轮尺）的胸径取其平均数。幻灯片11测高工具测高器幻灯片12原理根据三角原理设计。通过正切函数关系测算树高。幻灯片13布鲁莱斯测高器在布鲁莱斯测高器的指针盘上，分别有几种不同水平距离的高度刻度。使用时，先要测出测点至树木水平距离，且要等于整数10、15、20、30m，测高时，按动仪器背面启动按钮，让指针自由摆动，用瞄准器对准树梢后，稍停2-3秒待指针停止摆动呈铅锤状态后，按下制动钮，固定指针，在刻度盘上读出对应于所选水平距离的树高值，再加上测者眼高AE即为树木全高H幻灯片14坡地测高在坡地上，先观测树梢，求得h1；再观测树基，求得h2。若两次观测符号相反（仰视为正，俯视为负），则树木全高H=h1＋h2，见图(α)；若两次观测值符号相同，则H＝h1-h2，见图（b）和图（c）幻灯片15使用注意事项：①测高时一定要两次读数之和(差)。②测高的水平距离应尽量与树高相同。③树高小于5m时不用测高器，而用测杆测定。④对阔叶树不要误将树冠倒侧当作树梢。这种测高器的优点是操作简单，易于掌握，在视角等于45时，精度较高，但需要测树木至测点的水平距离。幻灯片16超声波测高器超声波测高器可用来测量物体的高度和测量距离，角度，坡度和空气温度。超声波测高器是通过超声波信号发送与接收来获得准确的距离，高度是由距离和角度的三角函数关系计算得到的。它由信号接受器和测高器组成，另外，还有一个标杆可供选用幻灯片17示意图幻灯片18使用注意事项：a．不要触摸设备前方的温度感应器。b．在打开仪器要预热一段时间,保证仪器温度与周围环境温度一致,否则测量精度会下降。c．手握测高器，将其显示屏与地面垂直。幻灯片19设备的启动和关闭a．开机前，在测高器和信号接受器上各装一枚5号电池。b．红色ON按钮为测高器的启动键。c.将测高器距离信号接受器1-2cm处，按下红色ON按钮，信号接受器将自动开启。关机的三种方法：a．60秒没有按键操作，设备自动关闭。b．同时按下两个箭头按钮，2秒内关机。c．完成6次测高后，自动关机。幻灯片20测量步骤a．信号接受器侧面有一小刀，将其切入树皮内，固定于距地面1.3m高度的树干上（此高度可以在测高器的“设置”菜单选项中设定）。b．开启信号接受器。c．手持测高器,选择一个观测点，能够看到树梢顶及信号接受器，将测高器的红色ON按钮一直保持揿下的状态,将测高器的瞄准镜中红点对准信号接受器，直到瞄准镜中的红点消失为止，松开红色ON按纽，将在测高器的显示屏上显示出观测点到信号接收器的距离、角度和水平距离。d.再将瞄准镜中红点对准树梢点顶点，这时红十字线闪烁，按下红色ON按钮直到红十字线消失为止，松开红色ON按钮，此时，在测高器显示屏上可显示树的高度（假定接收器固定高度1.3m）；再对准树顶，重复此步骤，可连续测得6个树干上不同部位的高度。幻灯片21幻灯片22树高测定幻灯片23树高测定幻灯片24第二节树干形状树干直径随从根颈至树梢其树干直径呈现出由大到小的变化规律，变化多样。影响因子：1）内因：遗传特性、生物学特性、年龄和枝条着生情况；2）外因（环境条件）：立地条件、气候因素、林分密度和经营措施等任何规则的几何体，若要计算其体积必须先知其形状。树干形状是由树干的横断面形状和纵断面形状综合构成。幻灯片25一、树干横断面形状树干横断面：假设过树干中心有一条纵轴线（称为干轴），与干轴垂直的切面。树干横断面形状近似圆形，更接近椭圆形。为了计算方便通常视其为圆形，平均误差不超过±3％(见P18-19)。树干横断面的计算公式为：幻灯片26一、树干横断面形状幻灯片27二、树干纵断面形状幻灯片28二、树干纵断面形状干曲线方程－将干曲线用数学公式予以表达。幻灯片29二、树干纵断面形状干曲线自基部向梢端的变化大致可归纳为：凹曲线、平行于x轴的直线、抛物线和相交于y轴的直线这4种曲线类型。干曲线围绕干轴旋转可得四种几何体：凹曲线体（D）、圆柱体（C）、截顶抛物线体（B）和圆锥体（A）。幻灯片30（二）干曲线式孔兹（Kunze、M.,1873）干曲线式：式中y—树干横断面半径；x—树干梢头至横断面的长度；P—系数；r—形状指数。形状指数（r）的变化一般在0~3，当r分别取0、1、2、3数值时，则可分别表达上述4种几何体。(注：实际中树干各部分r一般不是整数)形状指数方程式曲线类型旋转体0y2＝P平行于x轴的直线圆柱体1y2＝Px抛物体截顶抛物线体2y2＝Px2相交于x轴的直线圆锥体3y2＝Px3凹曲线凹曲线体幻灯片31第三节伐倒木树干材积测定一般求积式（一）树干完顶体求积式（二）树干截顶体求积式近似求积式区分求积式幻灯片32一、伐倒木一般求积式（一）树干完顶体求积式1、用下底断面（g0）和长度求体积L将r=0、1、2、3代入可得4种体型的材积公式。g0幻灯片33一、伐倒木一般求积式（一）树干完顶体求积式2、中央断面（g1/2）和长度求体积LL/2g1/2g0幻灯片34一、伐倒木一般求积式（二）树干截顶体求积式1、用两端断面积求体积幻灯片35一、伐倒木一般求积式（一）树干截顶体求积式2、用中央断面积求体积g1/2幻灯片36二、伐倒木近似求积式（一）平均断面积近似求积式（Smalian，1806）（二）中央断面积近似求积式（Huber，1825）（三）牛顿近似求积式（Reiker,1849）幻灯片37伐倒木近似求积式的精度以上三种近似求积式计算截顶木段材积时：牛顿近似求积式精度虽高，但测算工作较繁；中央断面近似求积式精度中等，但测算工作简易，实际工作中主要采用中央断面积近似求积式；平均断面近似求积式虽差，但它便于测量堆积材，当大头离开干基较远时，求积误差将会减少。幻灯片38三、伐倒木区分求积式为了提高木材材积的测算精度，根据树干形状变化的特点，可将树干区分成若干等长或不等长的区分段，使各区分段干形更接近于正几何体，分别用近似求积式测算各分段材积，再把各段材积合计可得全树干材积。该法称为区分求积法(measurementalmethodbysection)。在树干的区分求积中，梢端不足一个区分段的部分视为梢头，用圆锥体公式计算其材积。幻灯片39（一）中央断面区分求积式将树干按一定长度（通常1或2m）分段，量出每段中央直径和最后不足一个区分段梢头底端直径，利用中央断面近似求积式（1—10）求算各分段的材积并合计：幻灯片40（二）平均断面区分求积式根据平均断面近似求积式，按上述同样原理和方法，可以推导出平均断面区分求积式为：式中:g0—树干底断面积；gn—梢头木底断面积；gi—各区分段之间的断面积；l、l’—分别为区分段长度及梢头木长度。幻灯片41（三）区分求积式的精度在同一树干上，某个区分求积式的精度主要取决于分段个数的多少，段数愈多，则精度愈高。区分段数一般以不少于5个为宜：（1）当H15m时，l=2m（2）当7H15m时，l=1m（3）当H7m时，l=0.5m幻灯片42第四节单株立木材积测定一、立木测定特点（1）立木高度：一般用测高器测定（H10m可用测杆）。（2）立木直径：一般仅限于人们站在地面向上伸手就能方便测量到的部位，普遍选择胸高直径（DBH）。各国对胸高位置的规定略有差异。我国和欧洲大陆取1.3m，英国取4.3ft(约1.32m)，美国和加拿大取4.5ft(约1.37m)，日本为1.2m。（3）立木材积：通过立木材积三要素（D、H和胸高形数）计算材积。幻灯片43二、形数和形率（一）形数形数（formfactor）：树干材积与比较圆柱体体积之比。式中V—树干材积；V′—比较圆柱体体积；gx—干高X处的横断面积；fx——以干高X处断面为基础的形数；h——全树高。幻灯片44（一）形数(1)胸高形数（f1.3）：实际工作中，常以胸高形数(f1.3)、胸高断面积(g1.3)及全树高(h)称作材积三要素。由孔兹干曲线可以导出f1.3与树干形状r和树高h的关系式(推导见P29-30)：幻灯片45(1)胸高形数（f1.3）f1.3与r的关系：当H1.3m时，说明f1.3是关于r的减函数。（P30）当r=1，干形为抛物线体，则f1.31/2。当r=2，干形为圆锥体，则f1.31/3。当r=3，干形为凹曲线体，则f1.31/4。幻灯片46(1)胸高形数（f1.3）f1.3与h的关系：当r一定时，f1.3是关于h的减函数。幻灯片47（2）正形数正形数：以树干材积与树干某一相对高(如0.1h)处的比较圆柱体的体积之比由孔兹干曲线可以导出fn与树高h无关，消除了树高的影响：幻灯片48（3）实验形数实验形数(experimentalformfactor)是林昌庚(1961)提出作为一种干形指标：实验形数是为了吸取胸高形数的量测方便和正形数不受树高影响这两方面的优点而设计的。幻灯片49（3）实验形数公式来源：设gn为树干某一相对高（nh）处的横断面积。根据gn与g1.3之比