Dokładność pomiaru wybranymi dalmierzami laserowymi w środowisku leśnym*

Transkrypt

1 Michał Brach, Kail Bielak, Staisław Drozdowski Dokładość poiaru wybrayi dalierzai laserowyi w środowisku leśy* sylwa 57 (9): , 03 Measureets accuracy of selected laser ragefiders i the forest eviroet ABSTRACT Brach M., Bielak K., Drozdowski S. 03. Dokładość poiaru wybrayi dalierzai laserowyi w śro dowisku leśy. Sylwa 57 (9): Paper presets results of easureet accuracy evaluatio of two laser ragefiders (TruPulse ad ForestPro itegrated with MapStar copass) outed o oopod ad tripod uder the forest coditios. The precise data o spatial coordiates of 34 trees i the Rogów Arboretu ad 8 poits fro the geodetic cotrol etwork i the Głuchów Forest were used. The results show that the easureet sets equipped with ForestPro ad MapStar were ore accurate tha TruPulse oes. However, o sigificat ifluece of applied stads o the easureet accuracy was observed. KEY WORDS forest geodesy, forest ivetory, laser ragefider, silvicultural plaig Addresses Michał Brach () e ail: Michal.Brach@wl.sggw.pl Kail Bielak () e ail: kail_bielak@sggw.pl Staisław Drozdowski () e ail: staislaw_drozdowski@sggw.pl () Katedra Urządzaia Lasu, Geoatyki i Ekooiki Leśictwa; SGGW w Warszawie; ul. Nowoursyowska 59; Warszawa () Katedra Hodowli Lasu; SGGW w Warszawie; ul. Nowoursyowska 59; Warszawa Wstęp Rozwój leśictwa ekosysteowego od końca lat 80. ubiegłego wieku spowodował wzrost zaczeia ekologiczej fukcji lasów, a przez to i potrzebę kształtowaia drzewostaów zróżicowaych strukturalie [Puetta i i. 009]. W praktyce leśej przejawia się to coraz częstszy stosowa ie rębi złożoych, które przyczyiają się do powstawaia drzewostaów wielogatukowych, wielopiętrowych i różowiekowych [Beradzki, Brzeziecki 999; Schütz 00]. Duża swoboda prowadzeia cięć odowieiowych w rębiach złożoych wyaga większych uiejętości tech iczo orgaizacyjych ze stroy adiistracji leśej [Twaróg 990; Beradzki 000; Puchalski 000] oraz przyczyia się do sięgaia po owoczese istruety poiarowe. Do takich urządzeń ależą dalierze laserowe, które w przeciwieństwie do odbiorików awigacyjych są iezależe od zaikającego w warukach leśych sygału satelitarego [Brach 0]. Dzięki teu oża je wykorzystywać do wyzaczaia w tereie kolejych etapów realizacji rębi oraz iwetary zacji istiejących płatów odowień i rośli chroioych. Urządzeia te ogą zaleźć rówież zasto sowaie w wielkoobszarowej iwetaryzacji stau lasu a stałych powierzchiach kołowych. * Badaia zostały sfiasowae przez Narodowe Cetru Nauki w raach gratów NN i NN

2 67 Michał Brach, Kail Bielak, Staisław Drozdowski Istoty eleete związay ze stosowaie dalierzy laserowych w środowisku leśy jest koieczość posiadaia wiedzy a teat dokładości poiarów oraz przyczy pow stawaia błędów. Cele iiejszej pracy było porówaie dokładości poiarów położeia drzew i ciągów busolowych w warukach drzewostaowych wybrayi dalierzai laserowy i oraz określeie ich przydatości do stosowaia w praktyce leśej. Materiały i etody Badaia przeprowadzoo w oparciu o osowy geodezyje zlokalizowae a tereie Leśego Zakładu Doświadczalego SGGW w Rogowie. Do poiarów położeia pojedyczych drzew wykorzystao powierzchię doświadczalą żywotika olbrzyiego (Thuja plicata Do ex D. Do) a tereie Arboretu w Rogowie (ryc. ). Obiekt wybrao ze względu a bardzo dobrą widoczość ułatwiającą jedozacze wskazaie celu poiarowego pod okape drzewostau, poieważ ie występowały w i dole warstwy. W badaiach wykorzystao 34 drzewa (osie celowe od 8 do 57 ) o położeiu wyzaczoy etodai geodezyjyi. Wartość błędu średiego (MP) wy zaczaia współrzędych tachietre elektroiczy dla środka poierzoych żywotików wyosiła ±0,04 [Brach 009]. Do aalizy dokładości poiaru ciągu busolowego w waru kach leśych wybrao osowę geodezyją zlokalizowaą a tereie Leśictwa Głuchów (ryc. ). Zróżicowae długości celowych (od 0 do 499 ), ziee wartości azyutów boków osowy (wszystkie główe kieruki stro świata) oraz różorode drzewostay stworzyły dobre waruki do przeprowadzeia iiejszych badań. Wykorzystao 8 boków istiejącej osowy geodezyjej o łączej długości 568 etrów. Były oe zlokalizowae wzdłuż liii oddziałowych przebiega jących przez środek kopleksu leśego. Współrzęde puktów odiesieia wyzaczoo eto dai geodezyjyi (PUWG 000) ze średi błęde wyzaczaia puktu wyoszący 0,06 [Brach 0]. Spośród szerokiej gay dostępych a ryku dalierzy laserowych wytypowao TruPulse 360 z wbudoway kopase elektroiczy oraz dalierz laserowy ForestPro współpra cujący z zewętrzy elektroiczy kopase MapStar (ryc. 3, tab. ). Testowae dalierze cechowały się ożliwością współpracy z pryzate oraz pozwalały a poiar odległości i azy utu w ty say czasie. Trude waruki leśe wyagają stosowaia pryzatów w celu zapewieia prawidłowego poiaru odległości. W badaiach przetestowao 4 zestawy poia rowe: ) ForestPro i MapStar otowae a trójogu (FP T), ) ForestPro i MapStar otowae a oopodzie (FP M), 3) TruPulse otoway a trójogu (TP T), 4) TruPulse otoway a oopodzie (TP M). Ryc.. Widok powierzchi żywotika olbrzyiego w Arboretu w Rogowie ze staowiska poiarowego (fot. M. Brach) Side view fro the easureet poit of Wester redcedar plot i the Rogów Arboretu

3 Dokładość poiaru wybrayi dalierzai 673 Ryc.. Szkic osowy geodezyjej wykorzysta ej w badaiach a tereie Leśictwa Głuchów Geodetic cotrol etwork locatio i the Głuchów Forest Ryc. 3. Dalierz laserowy TruPulse 360 (z lewej) oraz ForestPro zitegroway z kopa se MapStar (z prawej) TruPulse laser ragefider (left) ad ForestPro itegrated with MapStar copass (right) Tabela. Charakterystyki dalierzy laserowych wykorzystaych w badaiach Characteristics of aalysed laser ragefiders Waga Wyiary Teperatura Dokładość Zasięg Cea Dalierz [g] [c] pracy [ C] [c] i [ ] [] etto [zł] ForestPro (FP) 000 5,x6,4x,7 30 do +60 odległość +/ do 575 z kopase MapStar 570 3x5x,5 30 do +50 azyut +/ 0, TruPulse 360 (TP) z wbu odległość +/ 30 0 x5x9 0 do +60 do doway kopase azyut +/,0 Wszystkie poiary rejestrowae były autoatyczie a koputerach tereowych z uży cie oprograowaia Field Map ( Poierzoe odległości i azyuty posłużyły do obliczeia współrzędych drzew. Błędy średie wyzaczaia współrzędych X i Y (odpowiedio M x i M y ) a podstawie poiarów obliczoo według wzorów: åd xi M oraz [] i [] x = M y = Wartości d x oraz d y obliczoo, stosując astępujące wzory: d x = X DALMIERZ X GEO oraz d y = Y DALMIERZ Y GEO [3] i [4] åd yi

4 674 Michał Brach, Kail Bielak, Staisław Drozdowski X, Y DALMIERZ współrzęde wyzaczoe wybray dalierze laserowy, X, Y GEO współrzęde referecyje z poiarów geodezyjych. Błąd określaia pozycji (M P ) będący wypadkową błędów M x oraz M y obliczoo wzore: P x M = M + M y [5] Błędy wyzaczaia azyutu (A) oraz odległości (D) obliczoo a podstawie poiarów wyko aych a osowie geodezyjej w Leśictwie Głuchów. Błąd poiaru azyutu (M A ) obliczoo według wzoru: ( ADALMIERZ - AGEO - BiasA) i i [6] M A = - Bias A błąd systeatyczy poiaru azyutu, całkowita liczba poiarów wykoaa day zestawe poiarowy a wszystkich bokach osowy. Poieważ długość boków osowy określoo, stosując dokłady poiar geodezyjy, wzór a błąd poiaru odległości (M D ) dla poszczególych dalierzy przyjął forę: ( DDALMIERZ - D i M D = Bias D błąd systeatyczy poiaru odległości. å å Uzyskae wartości błędów wykorzystao do przeprowadzeia ocey dokładości poiarowej każdego z urządzeń dla stosowaej dość powszechie etody bieguowej i kostrukcji ciągu wiszącego. Pierwszą składową błędu w taki przypadku jest błąd średi podłuży ( l ) zależy od liczby staowisk w ciągu (k): = M k [8] l D Wiąże o błąd poiaru długości (M D ) z liczbą staowisk (k), która w środowisku leśy jest ziea, główie ze względu a trude waruki wyzaczaia osi celowych. Drugą składową jest błąd średi poprzeczy ( p ) uwzględiający długość odcika poiarowego (D), błąd wyz aczaia azyutu (M A ) i liczbę staowisk w ciągu (k) [Łukasiewicz 973]: DM A p = k [9] V V=~57,958 współczyik wyrażający wartość kąta w stopiach rówy jedeu radiaowi [Kaela, Lipiński 975]. Ty say błąd całkowity wyzaczaia położeia puktu w wiszący ciągu busolowy ( c ) wyosić będzie: GEO i - Bias ) D [7] = + c l p [0]

5 Dokładość poiaru wybrayi dalierzai 675 W aalizach dokładości wyzaczaia położeia drzew za jedostkę statystyczą przyjęto pojedyczy wektor przesuięcia, czyli odległość iędzy położeie środka drzewa poierzo ego tachietre elektroiczy i środka drzewa poierzoego baday zestawe. W przy padku poiarów ciągu geodezyjego za jedostkę statystyczą przyjęto wielkość pojedyczego błędu azyutu i odległości poiejszoą o błąd systeatyczy. Z powodu istotych odstępstw rozkładów aalizowaych spostrzeżeń od rozkładu oralego, do porówaia zestawów poia rowych wykorzystao ieparaetryczy odpowiedik jedoczyikowej aalizy wariacji dla poiarów powtarzalych, czyli test Friedaa (a=0,05). W celu wyzaczeia grup jedorodych użyto testu zaków (a=0,05). Testowao hipotezy o wpływie zastosowaych zestawów poiaro wych a dokładość poiaru położeia drzew oraz a dokładość poiaru azyutów i odległości w ciągu geodezyjy. Wyiki opracowao, wykorzystując oprograowaie Statistica 9.0 (StatSoft Ic.). Wyiki Porówując odległości iędzy położeiai środków drzew poierzoych tachietre i środ kai drzew poierzoych baday zestawe, uzyskao istote statystyczie różice w dokład ościach poiarowych (c =69,43; P<0,00). Zestawy wykorzystujące dalierz TruPulse różiły się istotie od zestawów z ForestPro i MapStar (tab. ). Porówując wielkości błędów poiaru azyutu, także uzyskao istote różice w dokładości poszczególych zestawów poiarowych (c =58,6; P<0,00). Zestawy wykorzystujące TruPulse różiły się istotie od zestawów z ForestPro i MapStar (tab. ). Rówież w przypadku wielkości błędów poiaru odległości uzyskao istote różice w dokładości poszczególych zestawów poiarowych (c =78,54; P<0,00). Przy założeiu poiaru ciągu busolowego opartego a 6 staowiskach odległych od siebie o 00 etrów stwierdzoo, że wartości błędów stopiowo rosą w zależości od zastosowaego odelu dalierza i etody poiaru (ryc. 4). Ty say dla długości 600 etrów ciągu wiszą cego, złożoego z sześciu staowisk i łatwiejszej w realizacji etodzie poiaru z użycie oopodu, błąd wyzaczaia puktu będzie wyosił,50 dla dalierza ForestPro i 4,45 dla dalierza TruPulse. Dyskusja Przeprowadzoe badaia wykazały zadowalającą dokładość dalierzy laserowych do wyza czaia położeia drzew. Poio gorszych rezultatów w przypadku zestawów wykorzystujących dalierz TruPulse, oża stwierdzić, że wszystkie cztery przetestowae zestawy poiarowe są przydate do wyzaczaia pozycji drzew a powierzchiach kołowych. Związae jest to główie z ty, że błąd określaia azyutu rzędu ± w przypadku TruPulse przy krótkich osiach Tabela. Średie wartości błędów wyzaczaia współrzędych X (M x ) i Y (M y ), położeia drzew (M P ), poiaru azy utu (M A ) oraz długości boków (M D ) dla aalizowaych zestawów poiarowych Mea errors of X ad Y coordiates (M x ad M y, respectively) ad trees positio (M P ) deteriatio as well as aziuth (M A ) ad distace (M D ) surveys for aalysed easureets sets Dalierz M x [] M y [] M P [] M A [ ] M D [] FP T 0,9 0, 0,a 0,3a 0,07a FP M 0,4 0,6 0,a 0,35a 0,08a TP T 0,68 0,36 0,77b,0b 0,5b TP M 0,68 0,36 0,77b,04b 0,8c te sae litery ozaczaja grupy hoogeicze; the sae letters idicate hoogeous groups

6 676 Michał Brach, Kail Bielak, Staisław Drozdowski Ryc. 4. Błędy wyzaczaia położeia puktów ciągu busolowego w zależości od dłu gości ciągu Poits locatio errors of copass traverse depedig o its total legth celowych (p. do,6 w przypadku 5 arowych powierzchi kołowych) ie odgrywa aż tak istotej roli. Dokładość ta jest w pełi wystarczająca do idetyfikacji drzew w kolejych iwe taryzacjach, co a szczególie duże zaczeie w przypadku stałych powierzchi. Warto jedak paiętać, aby środek powierzchi był wyzaczoy ożliwie ajdokładiej przy zastosowaiu dalierza ForestPro lub też kobiowaych etod poiarowych [Brach 009]. Na podstawie uzyskaych wyików oża stwierdzić, że zastąpieie tańszego oopodu stabily i wygody w obsłudze, ale ieco droższy trójogie, ie wpływa istotie a zwięk szeie dokładości wykoywaych poiarów. Uzyskae wyiki wartości błędów poiaru azyutu oraz długości w przypadku przetesto waych dalierzy laserowych ie odbiegają od paraetrów dokładościowych podaych przez produceta ( W przypadku dalierza TruPulse osiągięto awet większą dokładość poiaru odległości, co potwierdzają rówież badaia Farve [00]. Testowae etody poiarowe są dobry uzupełieie dla odbiorików GPS. Odbiorik Trible ProXH, po zastosowaiu korekcji różicowej, wyzacza współrzęde z dokładością poiżej,5 [Brach 0], co jest porówywale z dalierze TruPulse. W praktyce jedak korekcja różicowa jest stosowaa rzadko, co ozacza pogorszeie dokładości poiarów. Optyaly rozwiąza ie w leśych pracach poiarowych jest rozpoczyaie ciągów busolowych dalierzai lase rowyi od puktów wyzaczoych w tereie otwarty (p. a dużych giazdach) za poocą odbiorików awigacyjych bądź od iych puktów (p. istiejące osowy) o prawidłowo wyza czoych współrzędych, które oża wykorzystać do wyrówaia ciągu. Nie zieia to faktu, że kostrukcje ciągów busolowych ie powiy być dłuższe iż wielkość oddziału leśego. Wioski i Poiary położeia drzew oraz ciągów busolowych wykoywae dalierze laserowy ForestPro (zitegroway z elektroiczy kopase MapStar) były dokładiejsze od poia rów wykoaych dalierze TruPulse. Średie błędy wyzaczaia położeia drzewa, odle głości oraz azyutu były większe w przypadku TruPulse o odpowiedio: 0,55, 0,7 i 0,0. i Niezależie od zastosowaego rodzaju statywu (trójóg, oopod), błędy poiarowe ie różiły się istotie dla tych saych urządzeń poiarowych. i Droższy dalierz ForestPro zalecay jest do prac poiarowych, w których wyagaa jest większa dokładość, p. wyzaczaie położeia stałych powierzchi iwetaryzacyjych, atoiast iej dokłady i tańszy TruPulse do wyzaczaia położeia drzew a powierzch iach kołowych.

7 Dokładość poiaru wybrayi dalierzai 677 Literatura Beradzki E Cięcia odowieiowe. PWRiL, Warszawa. Beradzki E., Brzeziecki B Wpływ etod odowieia a różorodość biologiczą lasów zagospodarowa ych w Polsce. W: Rykowski K., Matuszewski G., Leart E. [red.]. Ocea wpływu praktyki leśej a różorodość biologiczą w lasach w Europie Środkowej. Studiu w zakresie polskiej Ustawy o lasach i iych przepisów prawych. Istytut Badawczy Leśictwa, Warszawa. Brach M Poiar położeia środka drzewa z wykorzystaie tachietru elektroiczego. Sylwa 53 (4): Brach M. 0. Aaliza dokładości wyzaczaia współrzędych wybrayi odbiorikai GNSS w środowisku leśy. Sylwa 56 (): Farve R. 00. Evaluatio of Laser Ragefiders. Sa Dias, CA: U.S. Departet of Agriculture, Forest Service, Sa Dias Techology ad Developet Ceter. Kaela Cz., Lipiński M Geodezja. To I. Państwowe Przedsiębiorstwo Wydawictw Kartograficzych, Warszawa. Łukasiewicz E Poligoizacja. Państwowe Przedsiębiorstwo Wydawictw Kartograficzych. Warszawa Puchalski T Rębie w gospodarstwie leśy. PWRiL, Warszawa. Puetta K. J., Coates K. D., Messier C A Critique of Silviculture: Maagig for Coplexity. Islad Press Washigto Covelo Lodo. Schütz J. Ph. 00. Silvicultural tools to develop irregular ad diverse forest structures. Forestry 75 (4): Twaróg J Rębie w górach. PWRiL, Warszawa. suary Measureets accuracy of selected laser ragefiders i the forest eviroet The chage i the public attitude toward forests sice the 980s has caused a rise i iportace ad role of coplex silvicultural systes. O the oe had, stads aaged by these systes are characterized by a diverse stad structure that is well accepted by public. O the other had, elasticity of workig cobied with a log regeeratio period deads proper easureet devices, like laser ragefiders, that facilitate data collectio for silvicultural plaig. Therefore, the ai objective of this study was a evaluatio of easureet accuracy for selected laser ragefiders (TruPulse ad ForestPro itegrated with MapStar copass) outed o oopod ad tripod uder the forest coditios. To this ed, two sources of precise geodetic data: spatial coordiates of 34 trees i the Rogów Arboretu (fig. ) ad 8 poits beloged to geodetic cotrol etwork i the Głuchów Forest (fig. ), were used. I the first case the ea errors of tree positio ad X, Y coordiates deteriatio were calculated, while i the secod oe the ea errors of aziuth ad distace survey were coputed (tab. ). The result obtaied poit out that sets equipped with ForestPro ad Mapstar are ore accurate tha TruPulse oes, however, i this study, o sigificat ifluece of applied stads o the easureet accuracy was observed. Thus, the first ragefider should be used to ore precise easureets (arkig out the borders of ew regeeratio feeligs or distributio of cetral poits of peraet saple plots), while TruPulse ca be applied to forest ivetory o circular saple plots, as the error of aziuth deteriatio i this case does ot play a sigificat role. Thaks to built i the optio foliage filter, the exaiated laser ragefiders provide reliable field easureets uder the coditios of dese uderstory. Therefore, the use of the is recoeded for forest digital aps updatig.