Використання сучасних ГІС-технологій для розрахунку площі живлення дерев у лісових насадженнях

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

НУ біоресурсів і природокористування України

Використання сучасних ГІС-технологій для розрахунку площі живлення дерев у лісових насадженнях

А.Ю. Терентьєв,

м. Київ

Анотація

Розглянуто методи розрахунку площі живлення окремого дерева. Запропоновано алгоритм використання сучасних ГІС-технологій для автоматизації пошуку найближчих сусідніх дерев окремого дерева на основі застосування триангуляції за методом Делоне із залученням вільної бібліотеки MapWinGIS для роботи з просторовими даними. Програмно реалізований додаток для оброблення просторових параметрів розташування дерев із використанням даних польових досліджень апаратно-програмного комплексу Field-Map та розрахунку площі живлення окремого дерева на основі алгоритму, запропонованого Штером та доопрацьованого А.П. Тяберою.

Ключові слова: площа живлення окремого дерева, просторове розташування, триангуляція Делоне, геоінформаційні технології.

Терентьєв А.Ю. Использование современных ГИС-технологий для расчета площади питания деревьев в лесных насаждениях

Рассмотрен метод расчета площади питания отдельного дерева. Предложен алгоритм использования современных ГИС-технологий для автоматизации поиска ближайших соседних деревьев отдельного дерева на основе использования триангуляции по методу Делоне с применением свободной библиотеки для работы с пространственными данными MapWinGIS. Программно реализовано приложение для обработки пространственных параметров расположений деревьев с использованием данных полевых исследований аппаратно-программного комплекса Field-Map и расчета площади питания отдельного дерева на основе алгоритма, предложенного Штером и доработанного А.П. Тяберой.

Ключевые слова: площадь питания отдельного дерева, пространственное расположение, триангуляция Делоне, геоинформационные технологии.

Terent'ev A.Y., Use of GIS Technology to Calculate the Area of Grouping Space of Trees in Forest Stands

Methods for calculating the area of grouping space of tree are analyzed. Algorithm for the search of the nearest neighboring trees a single tree on the basis of Delaunay triangulation method using free library MapWinGIS for work with the spatial data is developed. Software application for calculating spatial parameters of distribution of trees using data from complex Field- Map and calculation of grouping space a tree-based algorithm proposed by Stehr and revised A. Tyeaberoa are developed.

Key words: grouping space of a tree, spatial distributional, the Delaunay triangulation, GIS technology, forest stand.

Постановка проблеми

Сучасні методи дистанційного зондування дають змогу отримати значну кількість даних про середовище, в якому зростає насадження, а також просторові параметри взаємовідносин дерев усередині деревостану. До таких характеристик належать: діаметр, висота, основні характеристики крони, тип розміщення дерев у насадженні, середня відстань між деревами та площа живлення окремого дерева. Останній безпосередньо впливає на густоту насадження, яка тісно корелює з продуктивністю деревостану загалом [2, 4].

До методів дистанційного зонування можна віднести супутникові та аерофотознімки й інші неконтактні види отримання інформації. На жаль, супутникові та аерофотознімки містять неповну інформацію про просторові дані окремого дерева у насадженні, особливо під наметом деревостану. Тому для детального дослідження просторового впливу дерев у насадженні більш доцільно використовувати наземні методи дистанційного зондування, які дають змогу отримати характеристики піднаметової частини деревостану. До таких методів дистанційного зондування належить програмно-апаратний комплекс Field-Map, який забезпечує вимірювання окремих просторових характеристик дерева, що дає змогу проаналізувати вплив сусідніх дерев одне на одне. Разом з тим, під час натурного дослідження деревостану, досить складно вивчити кореневі системи, що майже унеможливлює розрахунок площі живлення окремого дерева. Тому залишається актуальним питання про дослідження площі живлення окремого дерева та його зв'язок з іншими просторовими параметрами.

Методи та методика досліджень

Нині існує кілька методів визначення площі живлення одного дерева [1, 8, 9], які можна згрупувати на декілька основних напрямів. Одним із найбільш використовуваних вважається метод, запропонований П.П. Ізюмскім [1], його математичне вираження можна записати такою формулою:

F = 1000/N, (1)

де: F - середня площа живлення одного дерева, м²;

N - кількість дерев на 1 га.

Попри свою простоту цей метод визначає середню площу живлення одного дерева, проте не дає змоги проаналізувати залежність площі живлення від просторових характеристик та вплив на продуктивність окремого дерева.

Низка вчених, зокрема Є. Ассман [9], А.К. Поляков [4] за основу визначення площі живлення одного дерева пропонують використовувати горизонтальну проекцію крони. Інші методи визначення площі живлення пов'язані з урахуванням впливу найближчих дерев. Зокрема, такі дослідження здійснили Г. Браун, Ф. Штер, Г. Апостолов, А.П. Тябера, А.Н. Мартинов та багато інших [3, 7, 8]. Найбільшої популярності набула методика визначення площі живлення дерев, яку запропонував Штер та доопрацював А.П. Тябера (рис. 1), її суть полягає у визначенні площі полігону, утвореного перпендикулярами (Pj) до прямих (Li), що з'єднують досліджуване дерево (d₀) із сусідніми (d).

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 1. Графічна інтерпретація розрахунку площі живлення

Відстань від досліджуваного дерева (d₀) до перпендикуляра (P), що утворює сторону полігону, різні вчені розраховують по-різному.

У цьому випадку використовують співвідношення:

l = Lj х DpА + Dj

де: l - відстань від досліджуваного дерева до перпендикуляра, м;

L_j - відстань між досліджуваним та сусіднім деревами, м;

D₀ - діаметр досліджуваного дерева на висоті 1,3 м, см;

Di - діаметр сусіднього дерева на висоті 1,3 м, см.

Розрахунок площ живлення проводять графічним або аналітичним методом. Сучасні можливості інформаційних технологій дають змогу автоматизувати цей процес. При цьому основна проблема полягає не у визначенні площі живлення, а в пошуку найближчих сусідніх дерев.

Враховуючи, що дані просторового розміщення дерев представлені у вигляді координат, це дає змогу використати методи просторового аналізу для визначення найближчих сусідніх дерев.

Значного поширення у сучасних ГІС-технологіях набув метод пошуку найближчих сусідів за допомогою побудови полігонів (діаграм) Вороного та подальшої ідентифікації суміжних ділянок.

Діаграма є сукупністю таких полігонів, що всі точки всередині полігону знаходяться ближче до його центру, ніж до центру інших полігонів. Відповідно, всі точки на кордоні між двома полігонами розташовуються на однакових відстанях від обох центрів, а вершини полігонів рівновіддалені відразу від трьох або навіть більше центрів. Крім цього, полігони Вороного мають такі властивості:

• найближча пара точок відповідає двом суміжним коміркам у діаграмі Вороного;

• дві точки суміжні на опуклій оболонці тоді і тільки тоді, коли їхні комірки Вороного мають спільну грань нескінченної довжини.

Для ідентифікації суміжних точок можна використати триангуляцію Делоне [5, 6]. У загальному випадку вона відповідає дуальному графу розбиття Вороного для N точок. Метод триангуляції полягає в побудові трикутників, при цьому в описаному навколо трикутника колі більше немає точок, крім вершин даного трикутника. Разом з тим центри описаних кіл є вершинами опуклих багатокутників діаграми Вороного.

Таким чином, на основі файлу з координатами дерев за допомогою сучасних геоінформаційних систем можна отримати файл з парами координат сусідніх дерев. У подальшому за допомогою методів аналітичної геометрії можна побудувати шуканий полігон та визначити його площу як опуклої оболонки.

географічний інформаційний триангуляція живлення дерево

Результати досліджень

Вихідними даними слугують файли даних натурної зйомки насадження, отримані за допомогою програмно-апаратного комплексу Field-Map. Попередньо дані повинні бути підготовлені у вигляді двох шейп-файлів.

Шейп-файл - популярний формат для зберігання не топологічних векторних даних та атрибутивної інформації просторових об'єктів. Складається з трьох основних файлів з розширеннями:

• *.shp - призначений для зберігання просторової інформації про географічні об'єкти;

• *.dbf - зберігає атрибутивну інформацію у вигляді бази даних формату dBase;

• *.shx - індексний файл, використовується для зв'язку між атрибутивною та просторовою інформацією.

Перший шейп-файл безпосередньо отримуємо при експорті даних польових досліджень з програмно-апаратного комплексу Field-Map. Він містить координати дерев, діаметр, висоту, площу проекції крони, висоту прикріплення першого живого сучка крони, висоту прикріплення першого мертвого сучка та протяжність крони. Ці дані є основою для формування кінцевого файлу з обробленою інформацією. Другий шейп-файл - підготовлений у сучасній геоінформаційній системі файл, що містить лінії трикутника, які з'єднують сусідні точки, оброблених за допомогою метода Делоне та база даних з парами координат сусідніх дерев з'єднаних однією з сторін трикутника.

Подальше зіставлення сусідніх дерев, розрахунок площі живлення одного дерева та формування кінцевого файла даних автоматизовано за допомогою програми, розробленої на мові програмування Visual Basic 6 та вільної бібліотеки для роботи з просторовими даними MapWinGIS.Під час роботи програми (рис. 2) поступово завантажуються шейп-файли, при цьому спочатку відбувається зіставлення координат ліній трикутника та номерів дерев. У подальшому на їх основі утворюються проміжні файли для побудови та розрахунку площі живлення окремого дерева, що містять зіставлення "досліджуване дерево" - "найближчі сусідні дерева". У підсумку формується шейп-файл, що містить просторове зображення площ живлення дерев насадження та базу даних в форматі Access з такими даними: номер дерева, діаметр, висота, площа проекції крони, висота прикріплення крони, висота першого мертвого сучка, протяжність крони, площа живлення, середня відстань до найближчих дерев та кількість сусідніх дерев.

Крім того, проводять попередню верифікацію розрахованих площ живлення та видаляють ті ділянки, які мають нехарактерні дані. Передусім, це стосується дерев, розташованих на межі досліджуваної ділянки, що пов'язано з неповними даними про сусідні дерева.

Рис. 2. Зразок вікна програми під час роботи

Висновки

Таким чином, розроблена програма дає змогу автоматизувати розрахунок площі живлення окремого дерева, візуалізувати її та підготувати дані для подальшого аналізу у вигляді бази даних, що спрощує подальшу обробку просторових характеристик насадження.

Література

1. Изюмский П.П. Площадь питания и ее значение для роста и развития насаждений. / П.П. Изюмский // В сб.: Лесоводство и агромелиорация: Респ. межвед. темат. науч. сб. - К.: Изд- во "Урожай". - 1971. - Вып. 24. - С. 123-128.

2. Мартынов А.Н. Густота культур хвойных пород и ее значение / А.Н. Мартынов. - М.: Изд-во ЦБНТИлесоз, 1974. - С. 123-128.

3. Мартынов А.Н. Зависимость биометрических показателей сосны от площади питания. / А.Н. Мартынов // Лесоведение: науч.-теорет. журнал. - М.: Изд-во "Наука". - 1976. - №5. - С. 85-89.

Збірник науково-технічних праць

4. Поляков А.К. Определение оптимальной густоты сосны в свежей субори / А.К. Поляков // Лесное хозяйство: межвуз. сб. научн. тр. - 1973. - №12. - С. 123-128.

5. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение: научн. издание / А.В. Скворцов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - 128 с.

6. Тріангуляція Делоне. [Електронний ресурс]

7. Тябера А.П. Вопросы территориального размещения деревьев в сосновых древостоях / А.П. Тябера: Известия высших учебных заведений. - 1980. - №5. - С. 5-7.

8. Тябера А.П. Площадь роста дерева и ее определение аналитическим способом / А.П. Тябера // Лесной журнал: Известия высших учебных заведений. - 1978. - №2. - С. 12-16.

9. Assman E. Waldertragskunde / E. Assman. - Munchen - Bonn-Wien. BLV. Verlagsgesellschaft, 1961. - 112 p.

Размещено на allbest.ru