CC BY
40
УДК519.688:630*245
МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ САПР УСКОРЕННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ СОСНОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ
Ю.В. Мурзинов, В.В. Малышев, В.С. Петровский
В статье рассмотрена структура построения САПР ускоренного выращивания сосновых древостоев. Показана возможность оптимизации параметров для расчета сроков и интенсивностей проведения рубок ухода за лесом. Представлен интерфейс программы
Ключевые слова: САПР, древостой, оптимизация, рубки ухода
Древесина в мировом производстве является одним из востребованных материалов. Ее
суммарный запас в мире составляет 360 млрд. м3, в России - 81.9 млрд. м3 72% лесного фонда в нашей стране занимают хвойные породы, 16% которых составляет сосна.
Одной из проблем лесного комплекса является сокращение сроков лесовыращивания и увеличение полезного выхода древесины с 1 га за 1 год. Для разрешения этой проблемы необходимо обеспечить получение оптимальных режимов выращивания лесных насаждений. При этом основным способом влияния на ход рост древостоев, а, следовательно, и управления являются выборочные рубки ухода за лесом.
В настоящее время рубки ухода проводятся крайне неэффективно, либо и вовсе не проводятся. Причиной этого является:
- отсутствие четких указаний по проведению
необходимых лесохозяйственных
мероприятий, в результате чего рубки ухода проводятся по неэффективным схемам, построенным случайны образом;
- погоня за сиюминутной выгодой ведет за собой удаление из древостоя лучших экземпляров и приводит к нарушению его целостности;
- несоблюдение времени восстановления древостоев после предыдущих рубок, что приводит к замедлению роста деревьев в древостое.
Однако в настоящее время существуют методики оптимизации выращивания древостоев путем повышения эффективности проведения рубок ухода. Анализ восстановления полноты насаждений, проведенный С.Н. Сенновым [1] показывает, что прирост насаждения, пройденного своевременными рубками ухода, исходя из природы снижения полноты, можно считать неизменным. При этом отпад оставленных в покое деревьев заметно снижается, и в идеальном случае практически равен
Мурзинов Юрий Валерьевич - ВГЛТА, аспирант, тел. (4732) 73-53-04
Малышев Владимир Викторович - ВГЛТА, канд. сел.-хоз. наук, ст. преподаватель, тел. (4732) 53-70-50 Петровский Владислав Сергеевич - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 53-70-50
нулю, что дает возможность насаждению
восстановиться до исходной полноты. Этот же автор утверждает, что при обоснованном проведении промежуточных рубок величина отпада составляет примерно 0.1% в год от величины общего запаса.
Рубки ухода следует проводить низовым способом, изымая из древостоя угнетенные, поврежденные и отстающие в развитии деревья. Величина снижения запаса древостоя для каждой рубки ухода должна лежать в пределах от 15 до 40%. После проведения рубки ухода за лесом древостой должен ускоренно восстановить свою полноту за счет лучших экземпляров, оставленных в нем.
В литературе, посвященной лесоводству, используются различные модели и таблицы хода роста древостоев. Зачастую эти модели описывают ход роста деревьев лишь на конкретном временном интервале, и поэтому область применения таких моделей ограничена.
В Воронежской государственной
лесотехнической академии рассмотрены задачи моделирования хода роста сосновых древостоев и их реакции на проведение внутренних рубок ухода на основании статистического материала - таблиц хода роста нормальных сосновых древостоев, и получены регрессионные модели.
Для построения САПР ускоренного выращивания сосновых древостоев были построены регрессионные модели, заменяющие таблицы хода роста древостоев:
- двухпараметрическая модель средней
высоты дерева
Н(Т, В) = т0 + т1 ■ Т + т2 ■ Т 2 + т3 ■ В + т4 ■ В 2 +
+ т5 ■ Т ■ В + т6 ■ Т ■ В2 + т7 ■ Т 2 ■ В + т8 ■ Т 2 ■ В2 ,(1) где Т - возраст древостоя, лет, Б - средний диаметр деревьев, м, Н - средняя высота дерева, м, т0.. ,ш8 -коэффициенты регрессионной модели, которые показаны в табл. 1.
- модель количества деревьев в древостое
N = к0 ■ Т6 + к,Ь Т5 + к2 ■ Т4 + к3 ■ Т3 + к4 ■ Т2 + к5 ■ Т + к6 (2) где N - количество деревьев в древостоев в возрасте Т, шт, к0...к6 - коэффициенты регрессионной модели, которые показаны в табл. 2.
Таблица 1
Коэффициенты регрессионной модели (1)
Бони- тет т0 т1 т2 т3 т4 т5 т6 т7 т8
1б -2.908* •10-2 3.957 4.837* •10-2 -5.917 0.353 -0.299 5.363* •10-4 -1.342* •10ч 3.569* •10-7
1а -1.381* •10-2 2.149 3.115^ •10-2 -3.134 0.2 -0.17 -2.86* •10-4 9.055* •10-5 1.885* •10-7
1 -2.044* •10-2 1.743 3.588* •10-2 -2.771 0.347 -0.244 2.718* •10-5 8.036* •10-5 -7.563* •10-7
2 -1.376* •10-2 1.738 2.002* •10-2 -3.546 0.246 -0.152 -4.002* •10-4 8.801* •10-5 4.601* •10-7
3 -3.174* •10-2 1.828 1.838* •10-2 -4.987 0.279 -9.713* •10-2 -2.548* •10-4 1.061* •10ч 4.582* •10-7
Таблица 2
Коэффициенты регрессионной модели (2)
Бонитет к0 к1 к2 к3 к4 К5 к6
1б 13347.379 -872.226 26.876 -0.459 4.448*10-3 -0.227*10- 4 0.478^10-7
1а 14050.856 -915.227 28.44 -0.491 4.792* 10-3 -2.469*10- 5 5.208*10-8
1 14416.659 -895.167 26.808 -0.448 4.249^10-3 -2.134*10- 5 4.406*10-8
2 13254.955 -553.277 9.457 -7.226*10- 2 1.993*10-4 3.724*10-8 0
3 13235.765 -461.195 6.623 -4.308*10- 2 1.044*10-4 0 0
- двухпараметрическая модель общего текущего прироста
2 общ (т, н) = Х0 + х1 ■ Т + х2 ■ Т 2 + х3 ■ Н + х4 ■ Н2 +
+ х5 ■ Т ■ Н + х6 ■ Т ■ Н 2 + х7 ■ Т 2 ■ Н + х8 ■ Т 2 ■ Н 2(3) где 2общ - общий текущий прирост древостоя, м3, х0...х8 - коэффициенты регрессионной модели, которые показаны в табл. 3.
Таблица 3
Коэффициенты регрессионной модели (3)
Бони- тет х0 х1 х2 х3 х4 х5 х6 х7 х8
1б 2.246* •10-2 -2.479 1.336* •10-2 6.402 -0.199 5.592* •10-2 6.36* •10-4 -1.262* •10ч -7.224* •10-6
1а 1.242* •10-2 -1.696 3.578* •10-3 5.361 -0.164 4.151* •10-2 4.792* •10-4 -6.644* •10-5 -2.335* •10-6
1 3.949* •10-3 -1.054 -1.414* •10-2 4.277 -5.946* •10-2 2.058* •10-2 -4.435* •10-5 3.214* •10ч 4.565* •10-6
2 0.139* •10-2 2.04 -8.06* •10-3 -9.034 -1.297 1.045* •10-2 -1.717* •10-4 -1.861* •104 8.658* •10-6
3 1.381* •10-3 -0.958 -3.418* •10-3 4.569 -0.127 3.419* •10-2 -1.669* •10-5 2.335* •10-7 5.934* •10-7
- двухпараметрическая модель прироста растущей части
2раст(т,н) = у0 + у1 Т + у 2 ■ Т2 + у3 ■ Н + у4 ■ Н2 +
+ у5 ■ Т ■ Н + у6 ■ Т ■ Н 2 + у7 ■ Т 2 ■ Н + у8 ■ Т2 ■ Н 2 (4) где 2раст - прирост растущей части древостоя, м3, у0...у8 - коэффициенты регрессионной модели, которые показаны в табл. 4.
Авторами была разработана САПР ускоренного выращивания сосновых древостоев,
подтвержденная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ [2] и
функционирующая на следующих алгоритмах:
- Алгоритм оптимизации сроков и интенсивности промежуточных, сплошных рубок. Является основным внешним алгоритмом, в котором осуществляется
оптимизация сроков и интенсивностей
выращивания древостоев и выводятся
результаты расчетов САПР: время проведения рубок, процент снижения запаса, объем
заготавливаемой древесины после проведения рубки, таксационные показатели древостоя на момент проведения рубки.
Таблица 4
Коэффициенты регрессионной модели (4)
Бони- тет у0 у1 у2 у3 у4 у5 у6 у7 у8
1б 6.408* •10-2 -1.831 2.004* •10-2 4.912 -0.227 6.38* •10-2 6.911* •10-4 -2.273* •104 -1.135* •10-5
1а 2.382* •10-2 -1.169 1.219* •10-2 3.929 -0.229 6.63* •10-2 5.218* •10-4 -3.019* •10ч -6.386* •10-6
1 5.772* •10-2 -1.364 1.756* •10-2 4.662 -0.263 4.756* •10-2 1.198* •10-3 -4.206* •10ч -8.971* •10-6
2 3.986* •10-2 -1.273 1.488* •10-2 4.039 -0.234 7.006* •10-2 9.526* •10-4 -3.744* •10ч -7.16* •10-6
3 -4.452* •103 -1.06 1.826* •10-2 5.318 1.222* •10-2 -0.13 3.922* •10-3 -1.494* •10ч -1.355* •10-5
- Алгоритм моделирования хода роста
одновозрастных сосновых насаждений с проведением рубок ухода. В нем происходит моделирование роста древостоев:
разреживаемого и неразреживаемого. На основании сопоставления параметров этих древостоев рассчитывается время и интенсивность проведения внутренних рубок ухода за лесом.
- Алгоритм определения среднего диаметра насаждения в процессе роста. Необходим для имитационного моделирования проведения рубок ухода и сравнения параметров разреживаемого и неразреживаемого древостоев.
- Алгоритм моделирования диаметров и высот древесных стволов в насаждении на время проведения рубок. Основывается на законах биологического распределения деревьев по диаметрам и высотам в древостое.
- Алгоритм имитационного моделирования
рубок низовым способом с заданным
процентом снижения запаса древостоя. Выполняет отбор деревьев в рубку и
рассчитывает объем заготавливаемой древесины.
- Алгоритм определения объема пиловочной
зоны древесных стволов в процессе
лесовыращивания. Выходными данными этого алгоритма являются объем и стоимость
пиловочника, получаемого после проведения рубки ухода за лесом.
- Алгоритм моделирования размеров,
расположения сучьев и оптимальной
раскряжевки древесных стволов по критерию максимальной стоимости выпускаемых сортиментов круглого леса. В нем происходит моделирование размеров и расположение
сучьев на основе законов распределения и математической статистики. Далее в алгоритме определяются сортименто-сортные зоны, и моделируется процесс раскряжевки удаляемых стволов при проведении рубок ухода за лесом. Раскряжевка моделируется таким образом, чтобы стоимость получаемых сортиментов круглого леса была максимальной.
Разработанная САПР ускоренного
выращивания сосновых древостоев содержит в себе пакет прикладных программ прогноза, проектирования и оптимизации режимов
промежуточных, сплошных рубок леса. Интерфейс САПР показан на рисунке. Эти программы, осуществляя имитационное моделирование хода роста сосновых насаждений 1б, 1а, I, II и III бонитетов, позволяют отобразить динамику основных таксационных параметров насаждений. При этом наглядно отображаются все преимущества применения САПР рубок ухода:
- увеличивается полезный выход стволовой
древесины с 1 га за 1 год;
- повышается качество получаемой
древесины;
- сокращаются сроки получения технически спелой древесины.
САПР ускоренного выращивания древостоев может производить оптимизацию режимов
проведения рубок ухода за лесом по следующим трем критериям:
- максимальный объем заготавливаемой
древесины (м3/год);
- максимальный объем заготавливаемого
пиловочника (м3/год);
- максимальная стоимость заготавливаемых сортиментов круглого леса (руб./год).
По расчетам, проведенным для «Учебноопытного лесхоза» Воронежской государственной лесотехнической академии, пользование древесиной сосны с проведения рубок ухода увеличится на 3,2 м3/га в год (на 16,7 %).
Литература
1. Сеннов С.Н. Уход за лесом (экологические основы) [Текст]: / С.Н. Сеннов - М.: Лесн. пром-ть, 1984. -128с.
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010610420. Программа для расчета режимов оптимального ускоренного выращивания сосновых древостоев / Мурзинов Ю.В., Малышев В.В., Петровский В.С. - зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 января 2010 г.
“ н.у«т,.*.nnx-v-» Таблица 1. Режимы промежуточных и сплошной рубок
FTE
Целевой дюмстр. Du
врем* первой рч6>м.
Р*С*»и 1 Орема npo«| Объем 'jca • Я 41 7 Ухагмемм Jl Оьпса гм* 0 Л*«метой» DbCCTS дес 1?6
2 01 CIO* 21 0 1C 1Ь7
3 4S Ж Ж п п 7П*
i 08 94.52 !Э 0 256 2-1.7
* 74 чткп? п 315 ■д
Him и 86067 0
Таблица2. Объем/Стоимость заготавливаемых от рубок сортиментов
№р*.и 1| : А « 51 По ка»дсм( рмйч сортмме*е*
1Ы11ПЧМ1 1 ккцял 11/(1 11/11 11/11 (1/11 i/4ivmi:< miv:«4n
1 £■)>«»* гьнглс/»** 2-го ссрта 0/0 0/0 0/0 0/0 205 X/ 301 03 205 96/ 301 03
I.[■>/»•*< ivirmtui (mспртл (1/(1 11/11 (1/(1 (1/11 (1/(1 11/11
Сс<дм*- пмлодоот* 1 <о сорта о/о 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0
1 fdiii* шлппггяаа го гарт л (1/ (1 11/11 (1/(1 11/11 ll/ll li/d
С с<дк»‘ nMiioecraw )го сорта о/о 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0
Клим 1 m гппгл tv 0 п/п п/п п/п п/п п/п
Сапах 2-госорта о/о 0/0 0/0 73 20/73 20 435 50/ *35 50 550 07/550 07
КлпмЗга гппгл п/о п/п п/п п/п п/п п/п
r'jivr****** сто»» а о/о 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0
Жчми п/о п/п п/п п/п п/о п/п
Итого 0/0 0/0 0/0 73 20/73 20 070 71/ I2CO 7С' 043 00/ 1334 05
Интерфейс САПР ускоренного выращивания сосновых древостоев
Воронежская государственная лесотехническая академия
MODELS, ALGORITHMS COMPUTER AIDED DESIGN (CAD) OF THE ACCELERATED CULTIVATION OF PINE FOREST STANDS
J.V. Murzinov, V.V. Malyshev, V.S. Petrovsky
In clause the structure of construction CAD of the accelerated cultivation of pine forest stands is considered. The opportunity of optimization of parameters for calculation of terms and intension carrying out of cleaning cutting by a wood is shown. The interface of the program is presented
Key words: CAD system, forest stand, optimization, cleaning cutting
