Дигитальные методы в лесном хозяйстве

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Антонов А. М. Дигитальные методы в лесном хозяйстве // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2014. – Т. 20. – С. 1481–1485. – URL: http://e-koncept.ru/2014/54560.htm.
Аннотация. В данной статье рассмотрен новый подход к изучению вопросов качества древесины и определению биометрических показателей семян. Проанализированы современные методики изучения этих вопросов, проведен их сравнительный анализ, и показана достоверность применения дигитального метода в этих исследованиях. На основании проведенных исследований можно рекомендовать применять данный метод в лесном хозяйстве, что уменьшит время обработки информации и позволит создать банк цифровых данных различных образцов.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Антонов Александр Михайлович,кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры ландшафтной архитектуры и искусственных лесов, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», г. Архангельскa.antonov@narfu.ru

Дигитальные методы в лесном хозяйстве

Аннотация.В данной статье рассмотрен новый подход к изучению вопросов качества древесины и определению биометрических показателей семян. Проанализированы современные методики изучения этих вопросов, проведен сравнительный анализ их и показана достоверность применения дигитального метода в этих исследованиях. На основании проведенных исследований можно рекомендовать применять данный метод в лесном хозяйстве, что упростить время обработки информации и позволит создать банк цифровых данных различных образцов.Ключевые слова:качество древесины, лесное хозяйство, дигитальный метод, макроструктура.

Лесное хозяйство это отрасль народного хозяйства, где существует множество направлений: качество древесины, таксация леса, генетика, семеноводство и множество других. По каждому из данных направлений написано множество диссертационных работ различного уровня. Но,как правило,методический подходв нихретроспективный и не меняется многие десятилетия. Целью нашей работы является показать новые подходы к изучению некоторых аспектов в лесном хозяйство, а именно изучение качества древесины на макроуровне и микроуровне, биометрические показатели семян лесных пород и сорных растений в лесных питомниках.

В существующей практике изучение структуры древесины проводят с помощью акустических, оптических и электронных приборов. Измерения проводятся по поперечным срезам, кернам, стандартным образцам различных размеров.Определение свойств древесины в растущем дереве без разрушения объекта исследования и взятия образцов позволяют давать оценку насаждений в динамике процесса жизнедеятельности, определение качества древесины и оценку экологического состояния. Для этих целей исследования наиболее приемлемые образцы древесины в виде кернов, отражающих в своем строении весь цикл жизни дерева и являющиеся наиболее информативными по сравнению с другими видами образцов.

Наиболее отработанным является метод изучения керновс помощью микроскопа типа МБС, который представляет собой разновидность стереоскопического микроскопа, дающего прямое и объемное изображение рассматриваемого объекта в проходящем и в отраженном свете.Методика работы с прибором достаточно проста, но трудоемка. Перемещение объекта исследования (керна) по предметному столу осуществляется вручную, и результаты полученных измерений элементов сложно объединять и сравнивать, приходится вводить их в компьютер и обрабатывать известным, но уже достаточно рутиннымспособом. На точность измерения элементов древесины по этой методике влияет множество субъективных факторов –основной из которых сам оператор, который субъективно определяет границу между ранней и поздней зоной древесины на образцах, что соответственно отражается на результатах исследований. При оперативном перемещение керна по предметному столу возможен и сбой базовой отметки.Для измерения элементов макроструктуры древесины применяют также микроскоп Амслера, шведский полуавтоматический прибор АДДОХ модель 2 конструкции проф. Б. Эклунда, измеритель структуры кольца ИСК2М, телевизионный и компьютерный микродендрометр (Марийский государственный технический университет) и др. [1,2].Основными недостатками этих систем является то, что результаты измерений выводятся из памяти запоминающего устройства только на бумажный носитель, что вызывает необходимость при дальнейшей работе с ними вновь вводить их в компьютер и обрабатывать результаты традиционным способом. Изображения керна не сохраняется и повторное исследование этих образцов практически невозможно. Наиболее современным методом исследования древесины и ее элементов является дигитальный метод (цифровой), сущность которого заключается в работе не с самим объектом исследования, а с его цифровым изображением.Для этого разработана экспериментальная система изучения строения древесины (рис.1), позволяющая повысить точность измерений элементов макроструктуры древесины, снизить трудоемкость процесса, архивировать результаты, создавать базы данных изображений кернов для дендрохронологии без сохранения натурных образцов.

Рис.1. Система для изучения строения древесины(экспериментальная оптикодигитальная установка)

Система состоит из опытноэкспериментального устройства для изучения строения древесины и разработанной для нее программы «Иzмеритель»[3]. Она предназначена для изучения макро и микростроения древесины, но может быть применена и в других случаях для определения качества обработки поверхности древесины, качества швов клеевых соединений и других параметров в технологических процессах деревообработки, прочих смежных областях. Устройство для изучения строения древесины включает:универсальный микроскоп, Web–камеру с программным обеспечением, переходные кольца, персональный компьютер с установленной операционной системой Windows98, Windows2000, WindowsXP и др., оборудованный стандартным USBпортом, суппорт для надежной фиксации и перемещения объекта.Работа с полученными изображениями элементов структуры древесины, их сохранение, преобразование и измерение проводятся при помощи,разработанной для этого устройства программы «Иzмеритель», которая является одним из ключевых элементом системы.Программа позволяет: сохранять изображения образцов без потери качества, сопровождая каждое изображение необходимым количеством поясняющей текстовой и визуальной информации; повышать уровень документирования результатов анализа; проводить по полученному изображению анализ элементов, измерение линейных и площадных параметров; сравнивать в процессе анализа полученное изображение образца с эталонным; проводить демонстрирование и обучение для группы слушателей. Принципы и порядок работы при дигитальном методеизучения строения древесинызаключается в следующем: подготовленный керн помещают в суппорте установленный на предметном столе микроскопа.Перемещение суппорта вдоль базовой оси производится вручную, при различном увеличении микроскопа величина перемещение образца различна. Например, при шестнадцатикратном увеличении перемещать существующую отметку следует на 5 мм и каждый участок перемещения фиксировать камерой, получая его изображение. После фотографирования и автоматического сохранения всех изображений участков керна запускается программа «Иzмеритель» и открывается файл на компьютере, где и сохраняются изображения участков керна с базовыми отметками шкалы (рис.2) .

Рис. 2 Участок керна в цифровойинтерпретацииНижняя шкала суппортаВерхняя шкала суппортаУчасток кернаНа рисунке видна шкала линейных перемещений суппорта на которую следует ориентироваться при перемещении объекта исследования. При помощи кнопки «инструменты» и «выделение» на панели задач вырезается центральная часть фотографии со шкалой, копируется выделенный фрагмент и вставляется в «канву» с подтверждением действия, затем открывается изображение со смежным участком керна, операции повторяются, при этом начало линии отреза нового участка фрагмента должно совпадать с концом отреза предыдущего. Эти операции проводятся последовательно до сборки всех фрагментов керна в единое целое (рис.3). В собранном виде изображение керна сохраняется, маркируется и паспортизируется. Рис.3. Керн собранный из фрагментов.

Измерение элементов макроструктуры проводится при помощи «прицела» который передвигается компьютерной мышью, ставя отметки на границах ранних и поздних зон древесины или элемента, который измеряется. На экране монитора одновременно установлением границ участков керна отображаются результаты этих измерений (рис. 4).

Рис 4. Проведение измерений в программе.По окончании измерений результаты сохраняются в Excelе при нажатии кнопки «сохранить измерения» на панели задач (табл.1.).Таблица 1. Вывод результатов измерений макроструктуры древесины в Excel.

Поздняя зона, ммРанняя зона, ммШирина годичного слоя, ммРасст. 01 0,46

Расст. 12

0,210,67Расст. 23 1,06

Расст. 34

0,691,75Расст. 45 0,71

Расст. 56

0,581,29Расст. 67 0

Расст. 78

00

При нажатии в процессе измерений «Ctrl» учитывается наличии элемента, но величина при выводе результатов в таблицу равняется нулю. Это необходимо, чтобы выпускать значения тех участков, которые учитывать не следует, например, в тех местах, где керн сломан или имеются дефекты на образце.Для сравнительной оценки программы было проведено 33 измерения ранних и поздних зон на стандартныхобразцах 20×20×30 мм., значения этих зон получены по общепринятой методике на микроскопе Амслера(рис 5), затем эти параметры были определены дигитальным методом. Сравнительные результаты приведены в таблице 2.В таблице 3 проведена сравнительная оценка работы микродендрометра (МарГТУ) и экспериментальной оптикодигитальной установки, разработанной нами.

Рис. 5. Микроскоп Амслера: 1 измерительный микроскоп; 2 верхний микрометрический винт;3 нижний микрометрический винт;4 –образец.

Таблица 2Сравнительная таблица результатов измерений дигитального метода с микроскопом Амслера.№П/ПРезультаты измерений по общепринятой методике (измерено на микроскопе Амслера), ммИзмеренное программой (дигитальный метод), ммОтклонение значения от общепринятой методики, ммОтклонение значения от общепринятой методики, %11,681,7270,0474,720,590,5940,0040,431,391,3850,0050,540,580,5220,0585,851,481,4750,0050,560,630,6480,0181,871,411,4030,0070,780,40,4500,0505,090,610,6300,0202,0100,981,0250,0454,5110,590,5760,0141,4121,621,7090,0898,9130,730,6830,0474,7140,430,5220,0929,2151,021,0070,0131,3161,871,8710,0010,1170,680,6300,0505,0180,620,6300,0101,0190,730,7550,0252,5200,450,4500,0000,0211,001,0070,0070,7220,550,5580,0080,8231,371,3310,0393,9240,50,4860,0141,4251,111,1870,0777,7260,530,5220,0080,8271,271,2590,0111,1280,480,4140,0666,6291,321,3310,0111,1300,460,4500,0101,0311,561,6010,0414,1320,60,5580,0424,2331,621,6550,0353,5Среднее квадратичное отклонение 0,003Коэффициент изменчивости 6,013Точность опыта, % 1,047Достоверность среднего значения 95,536

Результаты наблюдений обработаны статистически и определены отклонения от результатов по общепринятой методике. Достоверность результатов дигитального метода 96%, точность опыта 1%.

Таблица 3Сравнительная оценка работы микродендрометра (МарГТУ) и экспериментальной оптикодигитальной установкиПоказатели

Микродендрометр (МарГТУ)Дигитальный методИзмеряемые показателиДлина образца, (мм);Средняя ширина годичного слоя, (мм);Число годичных слоев в 1 см (шт.);Процент поздней древесины (%);Количество годичных слоев (шт.)Длина образца, (мм);Средняя ширина годичного слоя, (мм);Число годичных слоев в 1 см (шт.);Процент поздней древесины (%);Количество годичных слоев (шт.);Все значения ранних и поздних зон (мм)Вывод результатовНа экран монитора На бумажный носительНа экран монитора,

Exel,

На бумажный носительИзмерения проводятсяНа натурном образце при увеличении ×6 или ×8На цифровом изображении образца при увеличении от ×8 до ×56 Время обработки образца длинной 3 см2 минуты1минута 40 секунд

Погрешность (минимальнаямаксимальная) 3,1 10%1,0 7,0%Установление границ зон Оператор

Оператор

Определение ранней или поздней зоныВручную при помощи переключения тумблера в положение «РАН» или «ПОЗ»Автоматически при проведении измеренийПроведение повторных исследованийНеобходимо вновь исследовать натурный образецЗагрузка сохраненного цифрового изображения кернаОтрицательные стороны повторного исследованияУ образца может измениться влажность, может быть утерян или поврежденнет

Рабочая версии программы «Иzмеритель» ( v. 2.2.0.3) применяется пока для восьмикратного увеличения окуляра микроскопа с увеличениями объектива 0,6;1;2;4 и 7. Другой областью применения дигитальным методов может быть измерение биометрических показателей семян при проведении научных исследований. Пример таких измерений показан на рисунке 6. Результаты измерений также сохраняются в приложении Microsoft Excel. На рисунке видно что длинна семени одуванчика составляет 3,7 мм, а ширина 0,58 мм.

Рис. 6. Измерение биометрических показателей семян сорных растений питомника программой «Иzмеритель»

Таким образом, применение разработанного дигитального метода позволяет существенно повыситькачество измерений, скорость обработки информации и создают банк цифровых данных различных образцов. Разработанный дигитальный метод может быть широко использован при проведении научных исследований в различных областях лесного хозяйства.

Ссылки на источники1. Колесникова А.А Исследование свойств древесины по кернам: Научное издание. –ЙошкарОла: МарГТУ, 2002. –178с.2. Столяров Д.П. Использование кернов древесины в лесоводственныхисследованиях: Методические рекомендации / Столяров Д.П., Полубояринов О.И.Л.: ЛенНИИЛХ, 1988. –43 с.3. А.С. 2007611593 РФ. Измеритель элементов макроструктуры древесины [Текст]/Антонов А.М,Мосеев А.Л; заявитель и правообладатель А.М. Антонов (RU), А.Л. Мосеев (RU). № 2006614253; заявл. 11.12.2006; опубл. 16.04. 2007, Реестр программ для ЭВМ 1с.

Antonov Alexander,Candidate of agricultural sciences, associate professor of landscape architecture and artificial woods, Northern (Arctic) federal university of a name of M. V. Lomonosov, ArkhangelskDIGITAL METHODS IN FORESTRYAbstract.In this article new approach to studying of questions of quality of wood and definition of biometric indicators of seeds is considered. Modern techniques of studying of these questions are analysed, the comparative analysis them is carried out and reliability of application of a digital method in these researches is shown. On the basis of the conducted researches it is possible to recommend to apply this method in forestry that to simplify time of information processing and will allow to create bank of figures of various samples.Keywords: quality of wood, forestry, digital method, macrostructure.