Bài giảng điều tra rừng-Chương 1 pot

ý nghĩa, những nhân tố ảnh hưởng đến hình dạng thân cây Như ta đã biết, các khối hình học chính tắc như viên trụ, hình đế, parabôlôid bậc 2, hình nón có kích thước cơ bản giống nhau cùn

Chương 1

Điều tra cây riêng lẻ

1.1 Nghiên cứu hình dạng thân cây

1.1.1 ý nghĩa, những nhân tố ảnh hưởng đến hình dạng thân cây

Như ta đã biết, các khối hình học chính tắc như viên trụ, hình đế, parabôlôid bậc 2, hình nón có kích thước cơ bản giống nhau cùng tiết diện đáy, vμ chiều cao nhưng thể tích của chúng không như nhau Sở dĩ có sự sai lệch trên lμ do hình dạng của chúng không giống nhau

Thân cây rừng lμ một khối lập thể Thực tiễn đo cây thường gặp những cây có cùng đường kính vμ chiều cao, song thể tích của chúng không giống nhau Sự khác biệt nμy do hình dạng thân cây khác nhau gây nên Vì vậy có thể nói: “ Trong mối liên hệ nhất định giữa chiều cao vμ đường kính, hình dạng trở thμnh nhân tố quyết định thể tích thân cây rừng”

Nhân tố ảnh hưởng:

- Loμi cây:

- Tuổi:

- Vị trí sống của cây:

- biện pháp tác động:

Kết luận: Hình dạng thân cây chịu tác động tổng hợp của nhiều nhân tố khiến cho

việc cô lập nghiên cứu ảnh hưởng riêng rẽ của từng nhân tố sẽ rất phức tạp, tốn kém vμ

ít mang lại hiệu quả thiết thực Phải coi hình dạng thân cây lμ một tồn tại khách quan, một hệ quả mμ khoa học đo cây cần nghiên cứu chứ không nên đi vμo các nguyên nhân tạo ra hình dạng đó

1.1.2 Hình dạng tiết diện ngang thân cây

Dùng mặt phẳng cắt vuông góc với trục dọc thân cây sẽ được một tiết diện gọi lμ tiết diện ngang thân cây Hình dạng tiết diện ngang thân cây biến đổi rất phức tạp từ

gốc đến ngọn thân cây Đặc biệt phần gốc thân cây do ảnh hưởng của bạnh vè, tiết diện ngang không có hình dạng chính tắc mμ tạo thμnh các thể hình sao

Mục đích của việc nghiên cứu hình dạng tiết diện ngang lμ nhằm tìm cách đo tính diện tích của nó sao cho đơn giản vμ đủ độ tin cây lμm cơ sở cho những tính toán tiếp theo

Qua nghiên cứu người ta thấy rằng, dùng công thức diện tích hình tròn có lμm tăng diện tích tiết diện so với dùng công thức diện tichs hình elíp nhưng việc tính toán lại đơn giản Tuy nhiên sai số nμy tương đối nhỏ nằm trong giới hạn sai số cho phép trong điều tra rừng vì vậy ĐTR đã chấp nhận sai số nói trên vμ dùng công thức tính diện tích hình để tính diện tích tiết diện ngang thân cây Để đơn giản, người ta

đã lập sẵn bảng tra diện tích vμ chu vi hình tròn ứng với các trị số đường kính khác nhau (xem sổ tay điều tra quy hoạch rừng NXB Nông nghiệp - 1995)

1.1.3 Hình dạng tiết diện dọc thân cây

Một số quan điểm khi nghiên cứu hình dạng tiết diện dọc thân cây:

+ Dựa trên những giả thuyết cơ lý để giải thích hình dạng thân cây

+ Dựa trên quan điểm sinh lý học với lý luận phát tán

+ Nghiên cứu trực tiếp hình dạng thân cây thông qua di/dj

+ Nghiên cứu đường sinh thân câyqua phương trình tổng quát ya = cxb

Dùng mặt phẳng cắt dọc thân cây theo trục trung tâm thân cây sẽ được một tiết diện giới hạn bởi hai đường cong gọi lμ tiết diện dọc thân cây

Mục đích của việc nghiên cứu tiết diện dọc nhằm tìm cách biểu thị hình dạng vμ lμm cơ sở cho việc tính toán thể tính toán thể tích thân cây

Qua nghiên cứu của các tác giả, thấy rằng hình dạng thân cây có thể được biểu thị bằng phương trình:

Y2 = AXm

trong đó y lμ bán kính ( hoặc đường kính, hay hệ số thon) lấy ở vị trí nμo đó trên thân cây X lμ độ cao tương ứng của y tính từ ngọn cây A lμ hệ số của phương trình

Khi m lấy các giá trị khác nhau sẽ có các phương trình đường sinh tương ứng của các thể hình học tròn xoay khác nhau:

Nếu m = 0 thì y2 = A

m = 1 y2 = AX

m = 2 y2 = AX2

m = 3 y2 = AX3

Khi cho các đường biểu diễn xoay quanh trục hoμnh sẽ được các thể hình học tròn xoay tương ứng: Viên trụ, paraboloit bậc 2, nón vμ hình đế Các thể hình học nμy tương ứng với từng bộ phận trên thân cây Trong đó thể paraboloit bậc 2 chiếm đại bộ phận thân cây(75%)

Kết luận chung: Có thể coi tiết diện ngang thân cây lμ hình tròn vμ không nên

xử dụng tiết diện phần gốc cây để tính thể tích thân cây Trong nhiều trường hợp

có thể coi thân cây như một khối paraboloit bậc 2 vμ một đoạn ngắn thân cây lμ

nón Một phương pháp đo tính thể tích chỉ đảm bảo tin cậy khi đã xem xét đầy đủ tới đặc điểm nμy

1.1.4 Các chỉ tiêu biểu thị hình dạng thân cây

- Chỉ số hình dạng m:

y2 = AXm

d12 = AXm1 ⇒ 2logd1 = mlogx1

d22 = AXm1 ⇒ 2logd2 = mlogx2

m = 2logd1 – 2logd2 = m (log x1-log x2)

2log d1/d2 = m.log x1/x2

m = 2log d1/d2/ log x1/x2

VD: d1 = 15cm x1 = 10,5

d2 = 13cm x2 = 8,5

m = 1,35

Chỉ số hình dạng m tính toán phức tạp, m biến đổi rất phức tạp từ ngọn đến gốc cây nên không thể tìm được một trị số m bình quân chung cho một cây cá biệt Vì vậy chỉ số m rất ít được ứng dụng trong thực tiễn điều tra rừng

- Độ thon

+ Tuyệt đối Std = (d0 -dn)/1m = d0 -dn

+ Bình quân Sbq = (d0 -dn)/L với cây đứng Sbq = d1.3/h- 1,3

+Tương đối K, q

- Hình suất Schiffel q2 = d1/2/d1.3

- Hình số tự nhiên f0j

1.2 Đo tính thể tích cây ngả

1.2.1 Đặc điểm đo tính thân cây ngả vμ dụng cụ đo

Cây ngả lμ cây đã được chặt ngả nằm trên mặt đất, dễ dμng đo đạc với độ chính xác mong muốn Tuy nhiên trên cây ngả thường không có bộ phận gốc chặt nên cần phải đo tính bổ xung Muốn xác định thể tích thân cây phải xác

định được đường kính vμ chiều dμi Để đo chiều dμi thường dùng thước mét hoặc thước dây Loại thước mét thường có độ dμi 1m, 2m, hai đầu có hai kim nhọn để hạn chế sai số tích luỹ, khi phải đo những khoảng cách lớn

Để đo đường kính thường dùng các dụng cụ:

+ Thước kẹp kính, dây đo đường kính, dây đo chu vi

+ Cấu tạo thước kẹp kính: gồm ba bộ phận: Thân thước, chân thước cố

định, thân thước di động có thể trượt trên thân thước

Để xác định thể tích thân cây ngả có 3 phương pháp: Vật lý, cân trọng lượng, dùng công thức hình học

1.2.2 Xác định thể tích thân cây ngả bằng công thức đơn

Nguyên lý chung lμ: Tìm một khối viên trụ tưởng tượng có chiều cao bằng chiều dμi thân cây, tiết diện đáy lμ một tiết diện trung bình nμo đó Thể tích viên trụ tưởng tượng sẽ lμ:

Trong đó:

V: lμ thể tích l: lμ chiều dμi thân cây g: lμ tiết diện ngang c: lμ chu vi của tiết diện ngang d: lμ đường kính của tiết diện ngang trung bình đó

1.2.2.1 Công thức đơn tiết diện giữa

Nếu coi thân cây như một khối pa rabol bậc 2 thì thể tích của nó chính bằng thể tích một hình viên trụ có chiêù cao bằng chiều dμi thân cây còn tiết diện đáy bằng tiết diện giữa của nó

Theo tính chất của một khối hình học tròn xoay:”Bình phương bán kính

biến đổi tỉ lệ với luỹ thừa bậc m độ cao tương ứng của chúng” nên:

r 0 2 /r m 2 = (h/(h/2)) m

Với Parapol bậc 2 thì m = 1 nên:

Thêm Πh vμo hai vế, ta có:

Vế phải chính lμ công thức thể tích của Parapol bậc hai Vậy thể tích thân cây

có thể tính bằng công thức:

h: lμ chiều dμi, rm , dm, cm, gm lần lượt lμ bán kính, đường kính, chu vi vμ

tiết diện giữa của chúng

Công thức trên do Huber đề xuất nên còn được gọi lμ công thức Huber

1.2.2.2 Công thức đơn tiết diện bình quân

Nếu coi bộ phận thân cây như một parapol cụt thì thể tích của nó sẽ bằng thể tích một hình viên trụ có chiều cao bằng chiều dμi thân cây còn tiết diện đáy

sẽ bằng trị số bình quân tiết diện đầu vμ cuối

Công thức trên gọi lμ công thức Smalian

1.2.3.Xác định thể tích thân cây bằng công thức kép:

Nguyên lý chung của phương pháp lμ: Nếu coi thân cây lμ khối hình học tròn xoay với phương trình có dạng tổng quát: y2 = AXm thì thể tích của nó sẽ bằng tích phân từ gốc đến ngọn cây của phương trình đó Thực chất lμ thể tích thân cây bằng tổng một số lớn vô hạn thể tích những hình viên trụ có tiết diện lμ

Πy2

còn chiều cao lμ dx

Trong thực tế không thể vμ cũng không cần thiết phải chia thân cây thμnh vô hạn đoạn, mμ chỉ cần chia thμnh một số đoạn nhất định Thể tích của mỗi đoạn

được đo tính bằng công thức đơn Riêng đoạn ngọn sử dụng công thức hình nón

để tính thể tích Cộng thể tích các phân đoạn sẽ được thể tích thân cây

1.2.3.1 Công thức kép chia thân cây thμnh các đoạn có độ dμi tuyệt đối bằng nhau

Có thể chia thμnh các đoạn có độ dμi 1,2 hoặc 0,5m Đoạn ngọn có l ≠ L, thường lấy 1m ≤ l < 3m

V = v1+ v2 + + vn-2+vn-1+Vn

Tuỳ cách tính thể tích từng phân đoạn mμ tăng trưởng có:

+ Công thức kép tiết diện giữa

v = g1l + g3l + +gn-1l+1/3gn-ln

= (g1+ g3+ +gn-1)l + 1/3gn-ln

Hoặc: V = (Π/4)(d1

2

+ d3 2

+…+ dn-1

2

)l + 1/3.1/4 d2n ln

= 1/4Π(c12 + c32 +…+ cn-12)l + 1/12Π cn

2

ln + Công thức kép tiết diện bình quân

v = [(g0 + gn)/2 + g2 + g4 + + gn-2]l + 1/3 gnln

= Π/4[(d0 + dn)/2 + d22+ d42 + + dn-22]l + Π/12 dn2ln

= 1/4Π[(c0 + cn)/2 + c22 + c42 + …+ cn-22] l + 1/12Π cn2ln

Các công thức trên sai số không vượt quá ±3%

1.2.3.2 Công thức kép chia thân cây thμnh các đoạn có độ dμi tương đối bằng nhau

- Chia thân cây thμnh n đoạn bằng nhau (5, 10 đoạn) thể tích từng đoạn tính bằng công thức đơn rồi cộng lại sẽ được thể tích thân cây

+ Nếu chia thân cây thμnh 5 đoạn thì:

V = (g01 + g03 + g05 + g07 + g09)h/5

1.3 Đo tính thể tích thân cây đứng

1.3.1 Đặc điểm đo tính cây đứng vμ công thức cơ bản xác định thể tích thân cây đứng

Cây đứng lμ cây gỗ đang sinh trưởng vμ phát triển bình thường trên mặt đất

So với cây ngả việc đo tính cây đứng có đặc điểm:

- Rất khó đo trực tiếp đường kính ở những vị trí tuỳ ý trên thân cây với độ chính xác mong muốn

- Không thể đo trực tiếp chiều cao chính xác của cây trừ trường hợp cây còn non

Nhưng việc xác định thể tích thân cây không thể bỏ qua hai nhân tố: Chiều cao vμ đường kính thân cây

Để đo đường kính người ta chọn một vị trí nμo đó trên phần gốc cây lμm chuẩn Vị trí thường chọn lμ độ cao cách cổ rễ cây 1,3 m Trừ những một số nước như Anh, Mỹ (1,37m) Nhật (1,27m) Sở dĩ chọn vị trí quy chuẩn để đo đường kính ở vị trí 1,3m vì:

trung bình, nên dễ thao tác khi đo

- ở vị trí 1,3m ít bị ảnh hưởng của bạnh gốc nên độ chính xác cao hơn

Để đo chiều cao người ta sử dụng các công cụ chuyên dụng gọi lμ thước

đo cao Các thước đo cao được chế tạo theo một trong hai nguyên lý: Hình học hoặc lượng giác

Từ đường kính quy chuẩn (dj) vμ chiều cao h thiết lập một thể viên trụ tưởng tượng có chiều cao bằng chiều cao thân cây, còn tiết diện đáy bằng tiết diện ngang thân cây lấy ở vị trí quy chuẩn Thể tích hình viên trụ nμy lớn hơn thể tích thực thân cây rất nhiều Do đó thể tích viên trụ phải được nhân với một hệ số giảm nμo đó để được thể tích sát với thể tích thực của thân cây Điều tra rừng đã

tìm ra hệ số đó vμ đặt tên lμ hình số (fj) Như vậy thể tích thân cây đứng được xác

định bằng công thức:

V = (Π/4)d j 2 h.f j = (1/4Π).C j 2 h.f j = g j h.f j

Đó lμ công thức cơ bản xác định thể tích thân cây đứng

Khi đo dường kính ở vị trí 1,3m thì:

V = (Π/4)d 1.3 2 h.f 1.3 = (1/4Π).C 1.3 2 h.f 1.3 = g 1.3 h.f 1.3

Công thức trên được gọi lμ công thức kinh điển xác định thể tích thân cây

đứng

Thể tích thân cây đứng được cấu thμnh ba nhân tố: đường kính (chu vi, tiết diện ngang) chiều cao vμ hình số Trong đó đường kính có thể đo dễ dμng với độ chính xác mong muốn Chiều cao xác định bằng các dụng cụ đo cao chuyên dùng với độ chính xác cho phép trong điều tra rừng Hình số không xác định trực tiếp được mμ phải xác định gián tiếp qua những nhân tố dễ đo khác

1.3.2 Dụng cụ vμ kỹ thuật đo đường kính

Dụng cụ đo đường kính thân cây đứng lμ thước kẹp kính, thước dây đo

đường kính vμ thước kẹp kính phần lan (thước kẹp kính cong)

+ Thước kẹp kính: Cấu tạo được trình bμy ở mục 1.2 Sử dụng : Đặt ba bộ phận của thước (chân cố định, chân di động vμ thân thước tiếp xúc với thân cây ở vị trí cần đo đường kính) sau đó đọc số trên thân thước

+ Thước kẹp kính cong (còn gọi lμ thước kẹp kính Phần Lan): Cấu tạo: gồm ba

bộ phận : tay nắm, chân thước thẳng, chân thước cong có khắc vạch Sử dụng: Tay trái nắm cán thước vμ đưa ra xa tới mức có thể được rồi áp vμo thân cây tại vị trí cần đo đường kính

Ngắm một tia ngắm song song với chân thước thẳng vμ tiếp tuyến với mặt bên thân cây rồi đọc kết qủa ở điểm cắt của tia ngắm trên chân thước cong

Thước nμy có ưu điểm: Không có bộ phận nμo di động nên nó bền vững vμ hạn chế sai số

• Lưu ý khi đo đường kính

- Kiểm tra thước trước khi đo Sau một thời gian sử dụng thước đo đường kính

có thể mắc một số khuyết tật như vạch chia bị mờ, chân thước di động không

đảm bảo thẳng góc với thân thước Trường hợp nμy sẽ mắc sai số âm (kết quả

đo nhỏ hơn giá trị thực)

- Phải đặt thước ở đúng vị trí cần đo Do đường kính giảm dần từ gốc đến ngọn cây nên đặt thước sai vị trí cần đo sẽ lμm kết quả đo bị sai lệch

- Phải đặt thước luôn thẳng góc với trục dọc thân cây khi đo mới tính được tiết diện ngang đúng với khái niệm của nó

- Phải đọc hoặc ghi kết quả rồi mới rút thước ra khỏi thân cây để tránh sai số do dịch chuyển chân thước di động gây ra vμ tránh nhầm lẫn

1.3.3 Đo chiều cao thân cây đứng

Chỉ có thể đo trực tiếp chiều cao thân cây ở những cây nhỏ (thấp dưới 10m) bằng thước sμo Thước gồm nhiều ống thép (nhựa) lồng vμo nhau, khi cần

có thể kéo dần từng đoạn nối tiếp nhau Cách sử dụng: Một người đứng sát gốc cây lần lượt kéo từng đoạn thước áp sát vμo thân cây Người thứ hai đứng xa cây

để giám định điểm cần đo chiều cao trùng với đầu trên cuả thước rồi báo cho người thứ nhất đọc kết quả trên thước Phương pháp nμy cho kết quả chính xác nhưng mất nhiều thời gian, công sức vμ chỉ đo được những cây có chiều cao dưới 10m Để phù hợp với đặc điểm đo cây đứng, điều tra rừng còn phổ biến một loại dụng cụ gọi lμ thước đo cao Thước đo cao được chế tạo theo nguyên lý hình học hoặc lượng giác

• Thước đo cao nguyên lý lượng giác

- Nguyên lý đo cao lượng giác:

Gọi AC = h chiều cao của cây,

MN độ cao tầm mắt người đo, NC = l

lμ khoảng cách từ người đo đến tâm của

cây (cự ly ngang) BC độ cao tầm mắt

tương ứng trên thân cây (hình bên)

Theo nguyên lý lượng giác ta có:

h= AC = AB +BC

h = l.tgα + l.tgβ

h = l.( tgα + tgβ)

Đo trên đất dốc: h = l.( tgα - tgβ) Vậy h = l.( tgα +(-) tgβ)

Theo nguyên lý nμy có thể xác định được chiều cao của cây nếu biết khoảng cách từ vị trí đứng đo đến tâm cây (l), góc nhìn khi ngắm ngọn cây (α) vμ gốc cây (β) Thước đo cao theo nguyên lý lượng giác chính lμ một bảng tính sẵn chiều cao ứng với các góc nhìn vμ cự ly ngang khác nhau Thước đo cao theo nguyên lý lượng giác gồm: Blume-leiss, Haga, Sunto

- Thước Blume-leiss gồm:1 ống ngắm; 2 Kim chỉ kết quả đo cao; 3 Nút

hãm, mở kim; 4 Hệ thống thang thước chiều cao ứng với các cự ly ngang khác nhau; 5 Bảng tính sẵn Sin2υ

Thước do Cộng hoμ liên bang Đức chế tạo

Sử dụng thước: Đứng cách gốc cây một khoảng l (ứng với cự ly ngang đã ghi trên thước) nhìn đúng điểm cần đo cao trên thân cây qua ống ngắm rồi mở nút hãm cho kim hoạt động tự do Khi kim hết dao động ấn nút hãm cho kim cố

định trên thang thước đọc kết quả trên vμnh độ tương ứng với cự ly ngang đã xác

định gọi lμ h1 Sau đó lại ngắm vμo gốc cây vμ lặp lại các thao tác trên được kết quả h Nếu kết quả h vμ h đọc được ở hai phía của vạch số không thì cộng lại