Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 11
1.1. Планирование рубок и прогнозирование таксационных параметров древостоев. Использование информационных технологий в прогнозных расчетах 12
1.2. Технологические параметры лесосек 14
1.2.1. Среднее расстояние трелевки 14
1.2.2. Месторасположение погрузочных пунктов и размеры делянок 18
1.3. Анализ геометрических характеристик (форм, площадей) объектов, имеющих криволинейный контур 25
1.3.1. Описание границы лесосеки полиномиальной функцией 25
1.3.2. Приложение методов контурного анализа к задачам обработки данных ГИС. Метод триангуляции для решения задач исследования форм делянок 27
1.4. Применение геоинформационных технологий для выбора оптимальных решений в процессе лесозаготовок 32
1.5. Цель и задачи исследования 37
2. Выбор методики прогнозирования характеристик древостоев для проектирования лесосечных работ 39
2.1. Таксационные характеристики исследуемых древостоев 39
2.2. Статистические характеристики таксационных параметров древостоев 42
2.2.1. Статистические характеристики запаса древесины 42
2.2.2.Статистические характеристики среднего диаметра древостоя 46
2.2.3. Статистические характеристики густоты древостоя 49
2.3. Выводы 53
3. Технологические параметры лесосек с границами, полученными на основе геоинформационных систем (ГИС) 54
3.1. Обоснование количества погрузочных пунктов на лесосеке 55
3.2. Определение параметров лесосек с криволинейными границами (контурами) 56
3.2.1. Разбиение лесосеки на делянки на основании полиномиальной функции 56
3.2.2. Методика разбиения лесосеки на делянки правильной геометрической формы 57
3.3. Нахождение среднего расстояния трелевки для делянок с криволинейными границами с учетом местоположения погрузочного пункта 61
3.4. Практическое применение методики определения технологических параметров лесосек с использованием ГИС 66
3.4.1. Применение методики, основанной на нахождении полиномиальной функции границы лесосеки 66
3.4.2. Применение методики триангуляции для разбиения на делянки 70
3.5. Выводы 70
4. Методика обоснования рационального количества рубок выборочных форм 72
4.1. Алгоритм определения рационального количества рубок 74
4.2. Элементы затрат на лесозаготовках 77
4.3. Результаты работы программы при выборе оптимальной программы рубок 80
4.4. Выводы 82
5. Процедура выбора технологий рубок леса с использованием геоинформационных систем (ГИС) 83
5.1. Формирование данных для системы выбора 84
5.2. Алгоритм работы системы выбора 86
5.4. Процесс выбора оптимального способа разработки лесосеки. Наложение изображения готовой схемы 92
5.4. Выводы 94
Основные выводы и рекомендации 95
Список литературы 97
- Месторасположение погрузочных пунктов и размеры делянок
- Статистические характеристики запаса древесины
- Определение параметров лесосек с криволинейными границами (контурами)
- Процесс выбора оптимального способа разработки лесосеки. Наложение изображения готовой схемы
Введение к работе
Порядок, организация и специфика проведения всех работ на лесосеке, а также технология ее разработки регламентируются организационно-технологическим проектом рубки с технологической картой, который составляется с учетом требований правил по лесовосстановлению и ухода за лесами. В данном документе указываются особенности (характеристика) лесосеки, принятая технология разработки лесосеки, обеспечивающая эффективное проведение рубки (промежуточного, главного пользования) с достижением установленных целей при выполнении требований экологии, лесоводства (лесовоспроизводства), охраны и защиты леса, а также охраны труда [65].
Технологическая карта составляется на основании материалов организационных документов, содержащих сведения и рекомендации по выполнению тех или иных видов работ. Для лесничеств и лесопарков такими документами являются лесохозяиственныи регламент и лесной план, для лиц, которым лесные участки предоставлены в постоянное (бессрочное) пользование или в аренду - проект освоения лесов [39].
Лесохозяиственныи регламент составляется на срок до десяти лет, лесные планы субъекта Российской Федерации - на срок планирования, проект освоения лесов - на срок, оговоренный в соответствующем договоре. Данные документы обосновывают мероприятия по осуществлению планируемого освоения использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов на указанных участках.
Одним из видов использования лесов является заготовка древесины [39]. Заготовка древесины осуществляется посредством рубок, планируемых на определенный срок.
В зависимости от срока составляются ежегодные, многолетние среднесрочные (3-6 лет) базовые, долгосрочные (10 летние) базовые планы рубок и перспективные прогнозные (свыше десяти лет) [65].
План рубок - определение очерёдности и пространственного размещения (на карте-схеме) древостоев, проектируемых в рубку в течение предстоящего ре-
визионного периода. Разрабатывается после установления размеров главного и промежуточного пользования. В план рубок входят перечень и пространственное размещение на планах лесных участков, назначенных в рубку, а также способы рубки, устанавливаемые в хозяйственных секциях на ближайшие 10 лет в соответствии с утверждёнными правилами рубок [38].
Таким образом, представленные документы характеризуют рубку как процесс, планируемый на определенный временной отрезок (план рубки), и процесс, проектируемый для определенного разрабатываемого участка (организационно-технологический проект рубки с технологической картой).
В настоящее время процедура оформления технологической карты, как правило, основывается на опыте и интуиции мастеров или специалистов, занимающихся организацией производства. В проводимых расчетах должно быть учтено влияние друг на друга целого ряда факторов, выполнена оптимизация по нескольким критериям, и, как результат, представлена технологическая карта разработки лесосеки по выделенному лесному участку [39, 44, 65, 109].
Данный процесс является трудоемким и нуждается в совершенствовании. Кроме того, далеко не каждое предприятие располагает кадрами необходимой квалификации для выбора наилучшего варианта разработки участков. Проблема усугубляется быстро меняющейся экономической ситуацией, приводящей к необходимости оперативной корректировки проектов разработки лесосек [55, 86, 87]. Дополнительным фактором, усложняющим проектирование лесосечных работ, является сокращение количества «удобных» для расчетов и лесопользования участков, характеризующихся правильной формой, однородным почвенным и породным составом [62, 83, 85, 101, 108].
В настоящее время проведение лесоустроительных работ едва ли возможно без использования геоинформационных систем (ГИС). Учет лесфонда, планирование лесохозяйственных работ, представление информации для потенциальных инвесторов - все это сопровождается ГИС. Соединение получаемой из ГИС информации с дальнейшим проектированием лесосечных работ является логическим продолжением современного подхода к процессу лесозаготовок
7 Указанными факторами обусловлена необходимость широкого внедрения
средств автоматизированного проектирования лесосечных работ, учитывающих лесоводственные, экономические и географические факторы. Их интеграция возможна только в программных комплексах, использующих технологии ГИС, объединяющих программные средства для расчета таксационных показателей, базы данных для экономических расчетов, карты с материалами лесоусторойств, программное обеспечение для оптимизации лесосечных работ [5, 6, 86, 87].
На сегодняшний день разработаны и внедрены программы, позволяющие автоматизировать процесс прогнозирования таксационных показателей древосто-ев, моделировать их рост с учетом изреживаний, то есть осуществлять планирование рубок [15, 16, 25, 32, 79, 92, 93, 95, 96].
Прогнозированию роста сосновых древостоев посвящена работа [5]. Предложенная в ней модель позволяет прогнозировать рост соснового древостоя в зависимости от интенсивности изреживания при рубках ухода и при естественном росте. Имитация изреживания позволяет сформировать сосновый древостой с наибольшим запасом к моменту возраста окончательной рубки. Для моделирования хода роста древостоев в автоматическом режиме на основе функции А. Ми-черлиха разработана программа MICHXOD [93]. Для целей долгосрочного прогнозирования динамики лесного фонда с учетом лесохозяйственных мероприятий и лесопользования создан комплекс программ «Лесной массив» [95, 96].
Представленные литературные источники позволяют сделать вывод о достаточной автоматизации процесса планирования рубок. Существующие решения в области автоматизации процессов проектирования лесосечных работ показывает, что в настоящее время отсутствуют единые программные комплексы, обеспечивающие оптимизацию проведения этих работ с учетом экономических, технологических и лесоводственных критериев. Решению указанных проблем на основе современных информационных технологий посвящена данная диссертационная работа.
Цель работы: совершенствование методики проектирования лесосечных работ с использованием элементов ГИС.
Объект исследования: рубка леса, лесосека, лесосечные работы.
8 Предмет исследования: параметры рубок леса, характеристики машин и
оборудования, геоинформационное описание лесосек (выделов), математические
зависимости, составляющие методику проектирования лесосечных работ.
Методы исследования. В исследовании использованы методы математического моделирования,. системного и контурного анализа, математической статистики, теории функции комплексного переменного.
Научная новизна. Новизной обладает методика выявления полиномиальной функции, описывающей границы лесосек (делянок) по картам ГИС, отличающаяся возможностью ее использования для расчета технологических параметров лесосек.
Методика разбиения лесосеки на делянки, отличающаяся возможностью анализа их контуров.
Методика расчета рационального числа приемов рубок, отличающаяся возможностью учета затрат на проведение лесосечных работ.
Методика выбора технологической схемы разработки лесосеки, отличающаяся автоматизированным анализом характеристик проектируемых участков с учетом ГИС.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты статистического анализа параметров древостоев после выполнения приема рубки;
Методика описания криволинейных границ выделов, позволяющая определять технологические параметры лесосек по электронным картам ГИС;
Защищенная свидетельством на регистрацию программа для разбиения (фрагментации) лесосек на делянки;
Алгоритм и программа расчета, позволяющие в широком диапазоне варьируемых факторов определять число приемов, интенсивность и возраст рубки;
Алгоритм и программа автоматизированного выбора схемы разработки лесосеки с использованием ГИС.
Практическая значимость. Реализация выводов и рекомендаций данной работы позволяют осуществлять прогнозные расчеты в целях проектирования лесосечных работ.
9 Полученная методика дает возможность разбивать лесосеки естественной
формы на делянки и определять технологические параметры: площадь, среднее
расстояние трелевки и места расположения погрузочных пунктов.
Предложенная программа и методика обеспечивают автоматическое разбиение лесосеки, расположенной вдоль криволинейной трассы, на делянки.
Разработанные программы позволяют производить расчеты, необходимые для составления технологических карт разработки лесосеки в автоматизированном режиме, а именно: осуществлять выбор технологической схемы разработки лесосеки, исходя из ее характеристик и принятого комплекта машин и оборудования.
Разра ботанные методики и программы рекомендуются для использования на лесозаготовительных предприятиях при проектировании лесосечных работ.
Личный вклад автора:
Сбор и обработка информации о состоянии древостоев для сравнения с результатами, полученными по методике прогнозирования характеристик древостоев. Исследование статистических данных, получение регрессионных зависимостей, отражающих взаимосвязь реальных и прогнозируемых данных.
Разработка методики, позволяющей определять технологические параметры лесосек с криволинейными границами по электронным картам ГИС.
Разработка программы для автоматического разбиения (фрагментации) лесосек на делянки.
Разработка программы выбора плана рубок, позволяющей в широком диапазоне варьируемых факторов сравнивать и находить число приемов, возраст и интенсивность рубки.
Разработка алгоритма и программы автоматизированного выбора схемы разработки лесосеки с использованием ГИС.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы приняты к внедрению на предприятиях «Санчурский лесхоз» - филиал КОГУП «Кировлес» и ООО «Заречье», что подтверждено соответствующими актами.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при дипломном проектировании по специальности «Лесоинженерное дело» и по дисци-
10 плине «Технология и оборудование лесопромышленного производства», что так
же подтверждено актом.
Апробация. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы были заслушаны и получили одобрение на следующих конференциях:
научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МарГТУ в 2006 , 2007, 2008 г.;
на всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием «Глобализация и проблемы национальной безопасности России в 21 веке» (Йошкар-Ола, 2004);
на всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (Йошкар-Ола, 2007).
на международной конференции «Экологичность и эффективность технологий рубок леса. Кадровое и научное сопровождение устойчивого управления лесами: состояние и перспективы» (Йошкар - Ола, 2005).
Достоверность результатов, содержащихся в работе, подтверждается результатами статистического анализа, а также применением методов математического моделирования, контурного анализа, математической статистики и теории функции комплексного переменного.
Публикации. По материалам диссертации получено одно свидетельство на регистрацию программ и опубликовано 12 статей, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК. Вклад аспиранта в написание работ [74, 100, 102, 104, 114, 116] составляет 50 %, работ [107, 115] - 33 %. Работы [71, 73, 75] аспирантом выполнены самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы, включающий 124 наименования, из них 5 на иностранных языках, и 13 приложений. Диссертация содержит 139 страниц, в том числе 46 рисунков и 13 таблиц.
Месторасположение погрузочных пунктов и размеры делянок
Среднее расстояние трелевки определяется в пределах делянки — той части лесосеки, которая тяготеет к одному погрузочному пункту. Определению опти 19 мального расположения погрузочных пунктов и размеров делянок посвящены работы [59, 89, 109]. Для исследования оптимальных площадей делянок наиболее близкой к тематике диссертации является методика, изложенная в [108].
Нахождение оптимальных площадей делянок сводится к тому, что вся лесосека разбивается на одинаковые участки по запасу. Разбиение осуществляется по количеству погрузочных пунктов Z, которое и обуславливает число делянок на лесосеке.
Для определения границ делянок и размещения на них погрузочных пунктов строится эпюра изменения общего вырубаемого запаса в зависимости от изменения размеров делянки.
Площадь территории делянок совмещается с координатной системой XOY (рис. 1.5). По оси ОХ откладывается длина выдела, а по оси OY— его ширину. Далее в той же системе координат проводится построение эпюры (I) откладыванием нарастающим итогом по оси, совпадающей по направлению с осью OY, величину общего вырубаемого запаса в зависимости от изменения площади делянки. При этом возможно максимально учитывать различия запаса леса на каждой из делянок, входящих в состав объединенного выдела, и их форму.
Для определения оптимальных размеров делянки отрезок FG разбивается на Z равных частей. Из полученных точек проводятся прямые, параллельные оси ОХ, до пересечения с эпюрой и опускаются перпендикуляры на ось ОХ. Расстояние между двумя соседними точками соответствует оптимальной длине делянки. Перпендикуляры, восстановленные из этих точек до пересечения с границей общей площади выдела, являются границами делянок.
К недостаткам методики определения размеров делянок можно отнести то, что задача решена только графически, аналитическое решение задачи не представлено, что не дает возможности использовать ее для задач выбора и оптимизации процессов.
Для определения оптимального расположения погрузочных пунктов авторы методики [89] представляют стороны исследуемой лесосеки в виде уравнений прямых. Анализ работ показал, что имеются методики расчета технологических параметров лесосек (среднего расстояния трелевки, оптимального числа и размеров делянок, оптимального расположения погрузочных пунктов внутри делянки), имеющих прямоугольную форму. Методики расчета этих показателей для лесосек непрямоугольной формы, имеющих криволинейные границы, не обнаружено. Существующие способы определения технологических параметров лесосек (делянок) нестандартной или непрямоугольной формы предполагают приведение естественных границ участков к прямым линиям, а их очертание к прямоугольным формам. В связи с этим, вопрос исследования технологических параметров лесосек нестандартной формы (непрямоугольных и с криволинейными границами) является актуальным.
Объекты лесного фонда (выделы, лесосеки, делянки), представленные на картах ГИС, как правило, имеют криволинейные контуры. Для решения задач проектирования на лесных территориях, необходима соответствующая информация об их границах (контурах). Автоматизация процесса проектирования возможна при описании границ (контуров) выделов, лесосек, делянок соответствующими математическими методами.
На картах геоинформационных систем любой объект задается набором координат х и у описывающих его границы, где X = {XQ,XI,...,XJ _I}, У = {уо,У\,—,УМ-\} N - количество точек, задающих границу (рис.1.7). Это дает возможность нахождения функционального описания любой линии, заданной на карте, в том числе и линии границы лесосеки.
Достаточно простой, но в то же время универсальной функцией, описывающей кривые различной формы, является полиномиальная функция. В общем виде полином степени р,, записывается в виде [2] y(x)= стхт =c0 +cix + c2x2 +... + си_!ХЦ_1 +СцХ , (1-45) где cm - коэффициенты полинома, m - номер коэффициента, х, у - текущие координаты границы участка. При нахождении коэффициентов полинома, стремятся, как правило, минимизировать суммарную величину отклонения получаемой функции от задающих ее отсчетов на основе метода наименьших квадратов.
Приведенные соотношения позволяют определять коэффициенты полинома, в аналитической форме задающего границы объекта (выдела, лесосеки, делянки), координаты которого заданы отдельными отсчетами в картах ГИС. Полученные коэффициенты полинома позволяют представить функцию, описывающую границу (контур) проектируемого объекта.
Методика триангуляции (разбиения фигур на треугольники) используется в машинной графике и геоинформационных системах для моделирования и решения пространственных задач [122]. Данная методика применима и для задач автоматизации проектирования лесосечных работ при выделении из территорий лесосечного фонда участков определенных форм (выделение делянок).
Первым этапом исследования участка является обработка его контура (границы), на которой выделяются прямолинейные фрагменты. Вторым этапом является объединение точек, задающих концы прямолинейных фрагментов, в треугольники и формирование описанных окружностей вокруг них. Третий этап — это выбор треугольников, описанная окружность которых не содержит внутри себя других точек (вершин).
Статистические характеристики запаса древесины
Значения исследуемых таксационных показателей изменяются во времени, поэтому в целях обеспечения независимости проверяемых параметров от их абсолютных значений, а также правильности статистических расчетов, исследовались не сами значения таксационных показателей, а значения их относительных погрешностей.
В таблице 2.3 приведены сводные показатели значений запаса древесины, полученные по результатам лесоустройства и моделирования роста древостоя, а так же найденные по формуле (2.1) значения относительных погрешностей. Реальные и расчетные значения запаса и относительных погрешностей.
Значение относительной погрешности должно стремиться к нулю, в этой связи, среднее значение (математическое ожидание х) погрешности всей генеральной совокупности должно быть равно нулю. Все статистические расчеты выполнялись в прикладной программе Excel. Исходя из расчетов, имеем близкое к нулю значение х = -0,016.
Доверительный интервал относительной погрешности при уровне значимости а = 0,05 для исследуемого запаса составляет — от-0,08 до 0,05, что свидетельствует о соответствии прогнозируемых значений данным лесоустройства, поскольку нулевое значение находится в пределах данного интервала.
На основании таблицы 2.2 для исследуемых выделов построены графики изменения прогнозируемых (теоретических) и реальных (практических) значений запаса от возраста древостоя. На рис 2.1. представлены возрастные изменения запаса в квартале № 68 выдел 2. - практические Рис.2.1. Изменение прогнозируемых (теоретических) и реальных (практических) значений запаса от возраста древостоя в квартале № 68 выдел 2 На рис.2.2 приведены гистограммы относительных погрешностей прогнозирования запаса древостоя. Ряд 1 соответствует экспериментальным данным, ряд 2 - аппроксимированной гистограмме. Рис.2.2. Гистограммы распределения относительной погрешности определения запаса При проверке вида закона распределения в соответствии с критерием согласия % - Пирсона (х2 %1р) были получены следующие результаты: %г = 1,007, Хкр = 6,635, что позволяет сделать вывод о том, что гипотеза о нормальном распределении относительной погрешности не отвергается при уровне значимости а = 0,01.
Для рассматриваемого поля получено уравнение регрессии у= 1,089Л:-19,54 и коэффициент корреляции К = 0,&6. Значение коэффициента корреляции показывает высокий уровень статистической взаимосвязи между прогнозируемыми и реальными показателями.
Значение относительной погрешности должно стремиться к нулю, в этой связи, среднее значение (математическое ожидание х) погрешности всей генеральной совокупности должно быть равно нулю. Исходя из расчетов, имеем близкое к нулю значение х = -0,04.
Доверительный интервал относительной погрешности при уровне значимости а - 0,05 для исследуемого диаметра составляет - от -0,09 до 0,008, что свидетельствует о соответствии прогнозируемых значений данным лесоустройства, поскольку нулевое значение находится в пределах данного интервала.
Полученные значения статистических характеристик свидетельствуют о достоверности результатов прогнозирования таксационного параметра густоты. 2.3. Выводы 1. Полученные результаты статистического анализа исследуемых показателей древостоев: запаса, диаметра и густоты говорят о хорошей сходимости значений прогноза и реальных данных, полученных на практике. 2. Полученные значения доверительных интервалов относительной погрешности для исследуемого запаса составляет от -0,08 до 0,05, для исследуемого диаметра - от -0,09 до 0,008, для густоты - от -0,008 до 0,19 при уровне значимости а = 0,05 свидетельствуют о соответствии прогнозируемых значений данным лесоустройства, поскольку нулевое значение находится в пределах данного интервала. 3. Полученные значения коэффициентов корреляции: запаса - К = 0,86, диаметра - К = 0,94, густоты - К = 0,89 характеризуют высокий уровень статистической взаимосвязи между прогнозируемыми и реальными показателями, поскольку все значения близки к единице. 4. Уравнения регрессии отобразили линейную взаимосвязь между прогнозируемыми и реальными значениями таксационных характеристик древостоев. Представленные линии регрессии были исследованы на возможность аппроксимации полиномами высших степеней, расчеты показали, что коэффициенты при аргументах второй и третьей степеней пренебрежимо малы, а невязки изменяются незначительно по сравнению с невязкой для линейной регрессии. 5. Проведенный статистический анализ, сопоставляющий прогнозируемые таксационные показатели древостоев с данными, полученными на практике, позволяет сделать вывод о возможности применения методики [90] как основы прогнозных расчетов при проектировании лесосечных работ.
Определение параметров лесосек с криволинейными границами (контурами)
На лесосеках неправильной геометрической формы, а так же с наличием криволинейных границ возникает вопрос о месте прохождения границ делянок, расположения на них погрузочных пунктов. Процесс определения технологических параметров подобных лесосек осложнен, поскольку делянки получаются непрямоугольными, с криволинейными границами и разными по площади.
Для расчета производительности любого лесозаготовительного оборудования необходимы таксационные показатели древостоя и параметры рубок (коэффициент интенсивности, средний объем, длина и средний диаметр хлыста, запас древесины на 1 га). Таксационные показатели берутся из таблиц ГИС, коэффициент интенсивности рубки - из данных лесоустройства, либо на основе оптимизации (см. главу 4). Производительность трелевочного оборудования Псмтрел в общем виде можно представить в виде зависимости Псм трел = /(tax, tech, razm, І). (3.1) где tax — таксационные параметры лесного участка (лесосеки); tech - технические и технологические параметры трелевочного оборудования; razm - размерные характеристики участка (лесосеки); / - среднее расстояние трелевки, м. На лесосеках непрямоугольной формы или с наличием криволинейных границ расчет производительности затруднителен, поскольку показатель / зависит от параметров разрабатываемого участка и может изменяться в пределах одной лесосеки.
Второе - количество погрузочных пунктов не может быть дробным. На основании анализа полученных значений С , принимается такое количество погрузочных пунктов, при котором С]г будет минимальным. По полученному числу погрузочных пунктов, определяется число делянок на лесосеке.
Значение абсцисс этих точек определяется из формулы (3.4) решением уравнения после подстановки значения запаса (3.5). При ц 4 при равномерном распределении запаса решение уравнения (3.4) возможно из функции, обратной функции запаса, связывающей его значения с координатами участка на основе метода наименьших квадратов.
Наряду с возможностью разбиения лесосеки на делянки способом, основанным на нахождении полинома, описывающего линию границы лесосеки, предла 58 гается геометрическое решение задачи разбиения [74]. Данное решение может быть использовано на участках сложных форм, когда лесовозная дорога, к которой тяготеет лесосека, имеет криволинейную трассу и точное описание ее границы в виде функции затруднительно.
Реализация методики разбиения лесосеки на правильные геометрические фигуры основана на использовании данных карт ГИС, в которых границы объектов (лесосек) задаются набором координат х и .у
Решение основано на анализе формы лесосеки и дальнейшем разделении ее на правильные геометрические фигуры. В основу автоматического разбиения лесосек на правильные геометрические формы был взят алгоритм триангуляции [122]. Количество правильных геометрических фигур (делянок) внутри лесосек определяется по количеству погрузочных пунктов (раздел 3.1 настоящей диссертации). Эталонная фигура и анализируемая комбинация треугольников представляются внешним контуром, задаваемым комплекснозначным кодом. В качестве эталонных задаются фигуры в виде квадратов, прямоугольников, трапеций, ромбов, правильных треугольников.
Перед вычислением меры схожести выполняется процедура выравнивания размерностей контуров эталонов и контуров комбинаций треугольников. Среди всех эталонных фигур будет выбрана одна, соответствующая максимальному значению величины у\т j. Данная процедура повторяется для всех групп треугольников при текущем разбиении фигуры лесосеки, после чего вычисляется интегральный показатель качества для данного разбиения Л=ІЛ ,уД. - (3.9). 7=0 / После перебора всех возможных разбиений лесосеки на группы выбирается несколько разбиений с лидирующим значением величины г. В основу процедуры разбиения на делянки заложена привязка координат выдела к координатам прилегающей лесовозной дороги. Это необходимо для того, чтобы делянки, получаемые в процессе разбиения, располагались вдоль лесовозной трассы. Этапы разбиения участка по методу триангуляции представлены на рис. 3.3 а), б),в). a). б). в). Рис.З.З. а) выделение прямолинейных фрагментов на контуре участка (лесосеки); б) результаты разбиения на треугольники; в) результаты объединения треугольников в геометрические фигуры; 1 - криволинейная трасса, 2 - получаемые треугольники, 3 — полученные в результате разбиения фигуры Геометрические фигуры, полученные в результате разбиения лесосеки, являются делянками с границами, определяемыми границами геометрических фигур. Окончательный, из всех возможных и предложенных программой, результат разбиения на геометрические фигуры выбирается пользователем. Следующим этапом проектирования после разбиения на делянки является определение среднего расстояния трелевки / и местоположения погрузочного пункта. Эта операция может быть произведена согласно методики, изложенной [108, 112] или на основе полиномиального представления границ, изложенной ниже. 3.3. Нахождение среднего расстояния трелевки для делянок с криволинейными границами с учетом местоположения погрузочного пункта
В случаях, когда форма лесосеки (делянки) задается фигурой правильной формы, выбор места расположения погрузочного пункта не вызывает затруднений, т.к. заранее известно, при каких условиях будет обеспечено минимальное значение среднего расстояния трелевки. При криволинейных границах необходимо рассматривать возможные варианты расположения погрузочного пункта и выбирать среди них оптимальный. Графическое представление лесосеки (делянки), имеющей непрямолинейную границу дано на (рис. 3.4). Аналитическое описание границы [см. формулу (1.45)], позволяет находить среднее расстояние трелевки на делянках[114], с использованием методики, рассмотренной в [108].
Процесс выбора оптимального способа разработки лесосеки. Наложение изображения готовой схемы
Процесс выбора того или иного способа разработки основан на анализе всех признаков, которые принадлежат или не принадлежат заложенным в таблицу 5.1 схемам. После проведения ряда технологических и экономических расчетов, которые определяют уровень затрат на заготовку древесины при работе по предложенным программой схемам, осуществляется выбор конкретной схемы. Тип леса - РТ означает растительно-травяной, (ТЛУ) - С2 (свежий сугрудок по классификации П.С. Погребняка). В таблице 5.1, показатели которой определяют решения программы, нет элемента ТЛУ. Необходимо было ТЛУ привести к почвенной классификации по категориям [28, 45, 91] (таблица 5.1, показатель № 4). Поскольку сугрудок (С) характеризуется как богатая суглинистая почва, показатель 2 относится к категории свежий, исходя из ряда гидротопов [50, стр. 85]. На этом основании возможно отнесение данного участка ко второй категории, а именно (супеси, мелкие суглинки).
На основании методики, изложенной в разделе 5.2, системой было предложено пользователю несколько вариантов лидирующих схем: №2, №4, №6. Следующим этапом является расчет экономических затрат по каждой предложенной схеме. Производительность машин и оборудования, занятого на лесозаготовке, рассчитывается по методике, изложенной в [98, 109, 112, 113, 114], для трелевочного оборудования производительность определяется с учетом рассчитываемого параметра среднее расстояние трелевки рассмотренного в разделе 3.3 диссертации. Механизм расчета ТЭП и себестоимости, изложен в разделе 4.2 и приложении 5 диссертации.
Проведенный расчет экономических показателей для определения себестоимости лесозаготовительных работ по каждому из предложенных вариантов, является основой для выбора одного. Из предложенных, исходя из значения затрат, программа выбрала схему № 2. Способ разработки по этой схеме предполагает использование бензопил на валке, обрезке сучьев и раскряжевке, форвардер -на трелевке. Вариантов сочетания таких машин и механизмов на лесоразработке может быть достаточно много. Исходя из полученных значений себестоимости лесозаготовительного процесса для различных российских машин и механизмов, был выбран следующий комплект машин: б/п типа МП — 5 Урал 2 на валке ; б/п типа Крона - 202, Тайга — 214 на обрезке сучьев и раскряжевке; форвардер ТБ-1— 16 на трелевке.
Сведения о количестве рабочих в лесозаготовительной бригаде, единицах техники для проведения рубок и сменности берутся исходя из расчета ТЭП использования машин и механизмов, представленных в главе 4 настоящей диссертации. При разработке данного программного продукта, способного выдавать изображение технологической схемы, достаточно указать для пользователя ширину пасеки (ленты) Вп (рис. 5.3). Схема разработки лесосеки № 2 (см. таблицу 5.1) при выполнении рубок системами машин БП+ПТМС (бензомоторная пила +машина для трелевки сортиментов - форвардер). Обозначения: А, Б - размеры лесосеки; Вп — ширина пасеки; 1 - граница делянки; 2 — лесовозная дорога; 3 - погрузочный пункт; 4 — раскряжеванные хлысты; 5 — штабель сортиментов; 6 — магистральный волок; 7 - ПТМС (форвардер); 8 — примыкающая лента к волоку; В - вальщик; С обрезчик сучьев; Р - раскряжевщик
1. Разработаны алгоритм и программа, позволяющие в автоматическом режиме осуществлять выбор технологической схемы разработки лесосеки путем сопоставления и анализа данных таблиц ГИС и параметров (таблица 5.1), характеризующих разрабатываемый участок. Программа использует данные экономического блока расчетов, на основании чего выбирается эффективная схема разработки лесосеки по полученному минимальному значению затрат на лесозаготовку.
2. Полученный программный продукт, объединяющий в себе несколько расчетных блоков, автоматизирует основную часть процедуры составления технологической карты разработки лесосеки.
3. Использование предлагаемой методики и базирующемся на ней программном обеспечении позволяет анализировать комплекс мероприятий, связанных с созданием технологических карт разработки лесосек, что является конечным продуктом проектирования Основные выводы и рекомендации
В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технологические решения, имеющие существенное значение для процесса проектирования лесосечных работ. Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Статистический анализ данных лесоустройства, лесорубочных билетов и натурных измерений подтвердили возможность применения избранной методики прогнозирования параметров древостоев, получаемых по результатам периодов и интенсивности рубок леса.
2. Разработанная методика и программа выявления полиномиальной функции, описывающей границы выделов, (делянок, лесосек) на основе карт ГИС, позволяет определять площадь лесосеки, разбивать ее на делянки, рассчитывать среднее расстояние трелевки на полученных делянках, а так же осуществлять выбор местоположения погрузочного пункта на делянке
3. Полученные математические зависимости (3.16), (3.22) позволяют находить значение среднего расстояния трелевки на делянках с криволинейными границами.
4. Положение погрузочных пунктов может быть выбрано по двум вариантам: 1) в углу делянки (по наименьшему из полученных значений среднего расстояния трелевки /, согласно зависимостей (3.16), (3.22)); 2) по критерию минимизации грузовой работы на делянке, согласно зависимости (3.10).
5. Разработанный алгоритм и программа разбиения лесосеки на правильные геометрические фигуры (делянки) на основе карт ГИС, позволяет автоматизировать данный процесс на участках сложных форм, когда лесовозная дорога, с которой осваивается лесосека, имеет криволинейную трассу.
6. Предложенная методика и программа позволяют, варьируя параметрами, рассчитывать и определять число приемов, интенсивность и возраст рубки путем сравнения затрат на проведение лесосечных работ;
7. Созданный алгоритм и программа, позволяют осуществлять автоматизированный выбор технологической схемы разработки лесосеки, базирующаяся на сопоставлении и анализе признаков, характерных для каждой из возможных технологических схем (рельеф, почвенные характеристики, наличие подроста, характеристики древостоя и т.д.) и данных таблиц ГИС.
8. Разработанное программное обеспечение, основанное на использовании данных карт ГИС, предназначено для решения задач двух взаимоувязанных областей: планирование рубок и проектирование лесосечных работ. Данный продукт информационных технологий содержит различные программные модули, позволяющие осуществлять многокритериальную оценку процесса рубок.
9. Для оценки экономической эффективности от внедрения программных продуктов, использующих данные ГИС, существующий процесс проектирования лесосечных работ сравнивается с двумя вариантами: проектирование с использованием ГИС, проектирование и отвод лесосек с использованием ГИС и GPS-навигатора. Результаты расчета представлены в приложении 7. Срок окупаемости первого проектируемого варианта составил 2,6 года, второго — 1,8.
