PŘESNOST MĚŘENÍ NADZEMNÍ BIOMASY STOJÍCÍCH

PŘESNOST MĚŘENÍ NADZEMNÍ BIOMASY STOJÍCÍCH BUKŮ
TECHNOLOGICKOU SESTAVOU FIELD-MAP
Martin ČERNÝ, Jan APLTAUER, Emil CIENCIALA
IFER – Ústav pro výzkum lesních ekosystémů, s. r. o., Areál 1. jílovské a. s. 1544,
CZ–254 01 Jílové u Prahy
ČERNÝ, M., APLTAUER, J., CIENCIALA, E.: Accuracy of shoot biomass measurement of standing beech trees
with Field-Map technology. Lesn. Čas. – Forestry Journal, 52(3): 223 – 237, 2006, 8 fig., tab. 6, ref. 11. Original
paper. ISSN 0323–1046
Accurate assessment of tree biomass depends on the accuracy of biometric measurement. Besides classical
biomass estimation of fallen trees, there are also methods to measure standing trees. For them, methodologies
and technology that permit simple, accurate and efficient estimation of above-ground tree biomass becomes
important. This applies specifically to broadleaved species with significant share of woody biomass allocated in
the crown parts. The aim of this work is to estimate the accuracy of measurements performed on selected
samples of European beech (Fagus sylvatica) trees. The measurement of standing trees utilized laser rangefinder
and inclinometer. It was compared with classical estimation of the identical trees that were fallen down. The
results demonstrate that the standing tree measurement is comparable to the classical measurement of fallen trees
on the ground, which may lead to a wider usage of the applied method for standing tree measurement in
practice.
Key words: Field-Map, measurement accuracy, standing tree biomass
1. Úvod a problematika
Zjišťování a měření biomasy stromů patří mezi základní činnosti v lesnickém výzkumu a
praxi. Specializované studie a provozní metody zjišťování biomasy stromů v mýtním věku i
sortimentace těžebního fondu jsou především založeny na změření pokácených vzorníkových
stromů. Tyto postupy jsou velmi přesné; nevýhodou je však vysoká pracnost a časová
náročnost. Naopak metody využívající měření stojícího stromu jsou méně časově náročné;
jejich jistou nevýhodou je však nižší dosahovaná přesnost. Rychlost měření je přitom
významně ovlivňována počtem měřených veličin a velikostí stromu.
Klasickým postupem je změření výšek, nasazení větví a korun pomocí různých typů
výškoměrů a stanovení biomasy kmene či sortimentů přes výčetní tloušťku z tabulek.
Tabulkové metody jsou však málo přesné, neboť nevyužívají specifické informace, např. o
průběhu křivky kmene, která je pro podrobnější měření a následnou sortimentaci mimořádně
důležitá. Hmotové tabulky jsou prvotně určeny ke zjišťování hmoty celých porostů, při
stanovení hmoty jednotlivých stromů se vždy jedná o více či méně přesné odhady (KORF
1952). Stanovení objemu jednotlivých stromů je možné také pomocí empirických vzorců,
např. známého Denzinova vzorce (KORF 1952). K stanovení objemu kmenů i sortimentů se
dále využívají různé matematicky formulované objemové vzorce. K nejznámějším a
nejpoužívanějším patří metoda Hubertova, Smaliánova a Newtonova. Rozvíjejí se také
metody založené na využití modelů tvarů kmene, které v sobě mají zabudovánu logiku a
zákonitosti odpovídající tvaru kmene (ČERNÝ a PAŘEZ 2005), RIEMER-GADOW-SLOBODA
(1995), PETRÁŠ (1986). Kmenový profil, který je nezbytný při použití všech těchto metod, se
zaměřuje buďto po sekcích o určité délce, nebo se měří pouze určité tloušťky situované v
důležitých částech kmene, např. na pařezu, ve výčetní výšce, v místě nasazení koruny, v jedné
třetině výšky stromu. K zaměření nedostupných tloušťek kmenového profilu se v dřívějších
dobách využívaly různé typy dendrometrů, např. Breymanův (1868), Gutengergův (1896) a
Bergmanův (1930). V současné době jsou na trhu přístroje různých značek a výrobců (např.
upravený laserový dálkoměr Impulse, relaskop Criterion RD 1000, Laser Ace), které vedle
měření nedostupných tloušťek slouží jako relaskopy, laserové dálkoměry, výškoměry a
sklonoměry. Kmenový profil a objem kmenů je možné také zachytit a mapovat pomocí
snímacích kamer a scanerů (CLARK 2000). Některé z těchto metod umožňují stanovení
biomasy jednotlivých větví i celých korun (DEAN 2003).
Z výše uvedeného vyplývá, že kompletní zaměření biomasy stojících stromů je možné jen
při použití technologických sestavv, jenž zahrnují klíčové měřicí přístroje. Vedle prostého
měření tloušťky na kmeni umožňují tyto technologické sestav zjišťovat např. délku a průměr
větví a měřit parametry koruny – její profil, projekci i objem. Pomocí technologie měření
biomasy stojícího stromu lze tedy zjistit prakticky všechny údaje týkající se jeho nadzemní
biomasy.
Tato studie využila pro zjištění přesnosti měření nadzemní biomasy stojících buků moderní
technologickou sestavu Field-Map. Šetření proběhlo v zimním období po opadu listí, což
umožnilo efektivní měření korun listnatých dřevin.
Testování bylo založeno na srovnávání odchylek měření vybraných veličin stojícího
stromu od referenčních výsledků získaných na stromě pokáceném. Studie diskutuje přesnost a
použitelnost metody měření stojícího stromu v provozních podmínkách.
2. Materiál a metody
2.1. Vzorníkové stromy
Stromy tj. vzorníky buku lesního, byly vybírány tak, aby zachycovaly široké spektrum od stromů nejtenčích,
rostoucích pod úrovní porostu, přes stromy z vedlejší a hlavní úrovně, až ke stromům nejsilnějším
nadúrovňovým. Také habitus stromů byl rozdílný; vybírány byly stromy od růstu víceméně solitérního až po
jedince z plně zapojených porostů. Tato záměrná rozmanitost stromů byla určena základním zaměřením projektu
GAČR 526/03/1021 „Bilance uhlíku pro lesní ekosystémy: regionální kvantifikace zásoby uhlíku a modelování
jejího vývoje v souvislosti se závazky Kjótského protokolu“, který měl simulovat různé porostní podmínky.
Měření proběhlo na třech lokalitách v České republice; bližší údaje uvádí tabulka 1.
Tabulka 1 Základní údaje o lokalitách
Table 1 Basic information about localities
Nadmořská výška3)
Lokalita1)
Poloha (s.š., v.d.)2)
(m)
Jílové
Trhanov
Horšovský Týn
49º 54´, 14º 27´
49º 25´, 12º 47´
49º 32´, 12º 38´
450
700
750
Počet4)
5
7
7
d1,3 (cm)
min.
max.
6
35
26
39
31
62
h (m)
min.
9,2
29,6
25,2
max.
24,1
33,9
29,1
1)
Locality, 2)Location (latitude, long), 3)Altitude, 4)Count
2.2. Technické vybavení
K testování přesnosti měření stojícího stromu byla použita technologie Field-Map (IFER,
Jílové u Prahy, Česká republika), která umožňuje mapování všech složek a úrovní lesního
ekosystému od jednotlivých stromů až po celé porosty. K základním funkcím, které je možno
využít pro měření biomasy, patří zaměřování pozice stromů, měření výšek, nasazení korun,
vytyčování korunových projekcí a profilů, měření kmenových profilů a délky, tloušťky a
nasazení větví. K měření ležícího stromu byly využity základní pomůcky, tzn. 50 m pásmo
pro měření délky stromů, 10 m pásmo pro měření délky větví, elektronická průměrka.
Základem technologie Field-Map je vlastní software pro terénní sběr dat. Technickou
podporou technologie Field-Map jsou geodetické přístroje, skládající se z kompasu Map Star
a laserového dálkoměru Impulse (Forest Pro; obojí firma Laser Technology Inc., USA) a
terénního počítače Hammerhead (Walkabout Computers Inc., FL, USA) Dálkoměr má
připevněn zaměřovací dalekohled s vlastním zařízením k vzdálenému měření tloušťky
(IFER). Zvětšení dalekohledu je možné v pěti krocích od 1,5× do 5×.
Pro testování přesnosti měření byl přístroj umístěn na tripodu, což zaručovalo minimalizaci
chvění přístroje při odečítání tloušťek. Pro rychlé provozní měření však dostačuje měření s
monopodem. Hmotnost sestavy skládající se z výše uvedených přístrojů a bez externích
baterií je při použití tripodu asi 8 kg, při použití monopodu asi 6 kg.
Obr. 1 Dimenze vzorníkových stromů na jednotlivých lokalitách
Fig. 1 Dimension of each locality sample trees
2.3. Měření stojícího stromu
Ke stanovení přesnosti měření stojícího stromu se využilo těchto dendrometrických
veličin: výšky stromu, výšky nasazení větví, tloušťky větví 10 cm od nasazení na kmeni,
délky větví. Z měření kmenového profilu se dále stanovil objem kmenový. Vedle těchto
testovaných veličin se měřily horizontální projekce a vertikální profily korun, výška nasazení
živé a mrtvé koruny.
Vlastní měření sestávalo z několika posloupných operací. Sestava Field-Map se umístila
do vzdálenosti od měřeného stromu, která odpovídala asi 2/3 jeho výšky, a to optimálně tam,
kde bylo možné vidět celý strom od paty až k vrcholu. V případě, že porostní podmínky
znemožňovaly optimální výhled, poloha stanoviště přístroje se v průběhu měření mohla měnit
pomocí tzv. přestaničení na jiný bod o známé poloze. Operativní změna stanoviště přístroje
umožňovala měření i v těch nejsložitějších terénních a porostních podmínkách.
Nejdříve se zaměřila poloha stromu pomocí odrazky umístěné ve výšce 1,3 m od paty
kmene (tzv. výčetní výška). Dále se zaměřila výška stromu a nasazení živé a mrtvé koruny.
Místem nasazení bylo místo na kmeni, z kterého vyrůstala první výrazná větev koruny;
zpravidla s tloušťkou vyšší než 4 cm. Pokud byl strom nahnutý, měřila se spolu s výškou i
jeho celková délka (šikmá délka). Poté následovalo zaměření koruny pomocí horizontální
korunové projekce a dvou na sebe kolmých vertikálních korunových profilů. Po zaměření
koruny se přistoupilo k zaměření kmenového profilu. Pomocí dalekohledu uzpůsobeného
k vzdálenému měření tloušťek se zaznamenávala tloušťka kmene v intervalu asi 1 m. Z těchto
údajů se na obrazovce terénního počítače interaktivně vykresloval kmenový profil a zároveň
se počítala hmota zaměřeného kmene.
Obr. 2 Záměrný kříž dalekohledu pro odečítání tloušťky
Fig. 2 Sighting cross for measurement of tree diameter
Následovalo měření tloušťky větví asi 10 cm od jejich nasazení na kmeni. Tloušťka větví
se získávala vzdáleným měřením obdobně jako v případě kmenového profilu (viz obr. 2).
Délka větví se stanovila pomocí dvou bodů, které určovaly směr osy větve, a celkového
změření délky větve po jejích lomových bodech.
V průběhu měření byl vyhotoven tužkou plánek vzorníkového stromu, kde se
zaznamenávalo nasazení koruny, tvar a délka větví s připojením identifikačních čísel. Tento
plánek byl mimořádně důležitý, neboť se podle něho porovnávaly a dohledávaly větve
změřené přístrojem v konfrontaci se situací ležícího pokáceného stromu. Po skončení měření
byl strom ještě vyfotografován z místa stanoviště přístroje.
Obr. 3 Měřené veličiny stojícího stromu
Fig. 3 Measured parameters of standing tree
2.4. Měření ležícího stromu
U pokáceného vzorníkového stromu byly měřeny stejné dendrometrické veličiny jako u
stojícího stromu: délka (výška) stromu, výška nasazení větví, tloušťka větví 10 cm od
nasazení na kmeni, délka větví a objem kmene.
Jako první se zjistila výška resp. délka stromu pomocí 50 m pásma a určilo se místo
nasazení koruny. Ve většině případů se nasazení koruny ztotožňovalo s první výraznou větví
primární struktury koruny. Dále se pomocí průměrky po 1 m sekcích změřila tloušťka kmene
ve dvou na sebe kolmých měřeních. První měření u paty stromu se umístilo na čele kmene.
Vlastní objem kmene ležícího stromu se počítal součtem objemu sekcí komolého kužele dle
tzv. Smaliánova vzorce (KORF 1952)
V = (ko + kn)/2 * l´
[1]
ko, kn – plocha čela a čepu výřezu,
l´ – délky výřezu.
a byl porovnáván s výsledným kmenovým profilem stojícího stromu. Mimořádně důležité
bylo dodržet stejný směr měření profilu jako u stromu stojícího. Proto byl stojící strom vždy
ve směru měření označen viditelnou značkou.
Dále se přikročilo k rekonstrukci koruny, sestavování jednotlivých větví a vyřazování těch
větví, které se odlomily při pádu z okolních stromů. Délka a výška nasazení větví se měřily
pásmem, tloušťka větví pomocí průměrky. Délky větví se měřily po lomových bodech od
místa nasazení po nejvzdálenější prýt. Časová náročnost měření ležícího stromu byla velmi
závislá na míře rozbití koruny po dopadu.
2.5. Statistické vyhodnocení
Za standardní metodu stanovení celkové biomasy a parametrů stromu se považovala
klasická metoda s pokácením stromu a jeho následným změřením pásmem a průměrkou. S
parametry pokácených stromů byly srovnávány parametry stromů zaměřených pomocí
sestavy Field- Map. Zjišťovala se přesnost dendrometrického měření stojícího stromu u těchto
veličin: výška stromu, výška nasazení větví, tloušťka báze větví, délka větví a objem stromu
kmenový.
Výsledky měření stojícího stromu pomocí sestavy Field-Map byly analyzovány rozborem
jednotlivých relevantních chyb. Přesnost měření, jenž charakterizuje náhodnou rozkolísanost
chyb okolo jejich průměru, byla vyjádřena pomocí směrodatné odchylky s y chyb
jednotlivých měření. Bylo použito následujícího vztahu (MELOUN a MILITKÝ 1998):
n
sy =
∑ (ε
i =1
i
− ε )2
[2]
(n − 1)
ε i – jednotlivé chyby měření,
ε – aritmetický průměr chyb měření,
n – počet pozorování.
Pro výpočet systematické složky chyby B, která charakterizuje míru vychýlení (ŠMELKO
2003), bylo použito aritmetického průměru jednotlivých chyb měření podle následujícího
vztahu:
1 n
B = ∑ εi
[3]
n i =1
ε i – jednotlivé chyby měření,
n – počet pozorování.
Dále byla testována významnost tohoto systematického vychýlení vůči nule pomocí
jednovýběrového t-testu.
Byla vypočtena střední kvadratická chyba měření m y , která charakterizuje správnost
měření a zahrnuje v sobě náhodnou i systematickou složku chyby (ŠMELKO 2003). Pro
výpočet správnosti měření bylo použito následujícího vztahu (MELOUN a MILITKÝ 1998):
n
my = ±
∑ε
i =1
2
i
n −1
[4]
εi2 – čtverce jednotlivých chyb měření,
n – počet pozorování.
Výše jmenované chyby byly vyjádřeny jak v původních jednotkách (m, mm, m3), tak relativně (%)
vzhledem k střední hodnotě standardního měření ležícího stromu x x .
Závislost relativní chyby měření na velikosti měřené veličiny stojícího stromu byla
testována pomocí korelačního koeficientu r.
Nakonec byla statisticky otestována shoda středních hodnot obou měření na hladině
významnosti α = 0,05. Byly odhadnuty klasické parametry souboru měření ležících a stojících
stromů – průměr x1,2 a směrodatná odchylka s1,2 . Pro průměrné hodnoty jednotlivých
sledovaných veličin se vypočetl interval spolehlivosti. K ověření nulové hypotézy o shodě
průměrů standardního měření a měření provedeného pomocí sestavy Field-Map x1 = x 2 byl
použit párový dvouvýběrový t-test na hladině významnosti α = 0,05. K statistickému
testování byl využit nástroj Data Analyst v programu EXCEL.
3. Výsledky
3.1. Přesnost měření výšky stojícího stromu
Průměrná délka 19 ležících stromů byla 26,39 m s intervalem spolehlivosti ± 3,2 m, u
stromů stojících to bylo 26,37 m s intervalem spolehlivosti ± 3,3 m. Směrodatná odchylka
výšek ležících stromů byla 7,10 m a u stromů stojících 7,38 m. Párový t-test prokázal shodu
průměrné délky ležícího x1 a výšky stojícího stromu x 2 .
Systematická složka chyby B je velmi malá a nebyla prokázána její významnost vůči nule.
Náhodná složka chyby s y a celková chyba m y dosahují shodně ± 0,93 m ( ± 3,5 %). Byla
zjištěna závislost relativní chyby měření ε i (%) na výšce stromu (r = +0,47). Tato závislost je
statisticky významná.
Tabulka 2 Chyby měření výšky
Table 2 Errors of height measurement
Absolutní hodnota chyby2)
Chyba1)
(m)
Relativní hodnota chyby3)
(%)
sy
0,93
3,5
B
-0,03
-0,1
my
0,93
3,5
1)
Error, 2) Absolute error, 3)Relative error
Obr. 4 Závislost výšky stromu stojícího a stromu pokáceného
Fig. 4 Dependence of standing and cut tree height
3.2. Přesnost měření výšky nasazení větví
Ke stanovení přesnosti měření výšky nasazení větví bylo vzájemně porovnáváno 137 větví
změřených pomocí obou testovaných metod. Průměrné nasazení větví změřené na ležících
stromech bylo 19,44 ± 0,82 m, u stromů stojících to bylo 19,42 ± 0,82 m. Směrodatná
odchylka výšek nasazení větví ležících stromů byla 4,89 m a u stromů stojících 4,91 m.
Párovým testem byla opět prokázána shoda průměrné výšky nasazení větví na ležícím stromě
x1 a výšky nasazení větví změřených pomocí přístroje Field_Map x 2 .
Systematická složka chyby B je velmi malá a nebyla prokázána její významnost vůči nule.
Vychýlení je dokonce ještě nižší než u měření vlastní výšky stromu. Náhodná složka chyby
s y a celková chyba m y dosahují shodně ± 0,52 m ( ± 2,7 %). Nebyla také zjištěna závislost
chyby měření ε i (%) na výšce nasazení větví na stromě (r = +0,02).
Tabulka 3 Chyby měření výšky nasazení větví
Table 3 Errors of branch/stem intesection measurement
Chyba1)
Absolutní hodnota chyby2)
(m)
Relativní hodnota chyby3)
(%)
sy
0,52
2,7
B
-0,02
-0,1
my
0,52
2,7
1)
Error, 2) Absolute error, 3)Relative error
Obr. 5 Závislost výšky nasazení větví stromu stojícího a pokáceného
Fig. 5 Dependence of standing and cut tree location of branch/stem intersection
3.3. Přesnost měření délky větví
Ke stanovení přesnosti měření délky větví stojících stromů pomocí technologie Field-Map
byl k dispozici opět soubor 137 párů větví. Průměrná délka větví ležících stromů byla 5,06 ±
0,45 m, u metody experimentální to bylo 5,07 ± 0,49 m. Směrodatná odchylka délek větví
ležících stromů byla 2,68 m a u stromů stojících 2,91 m. Párový test prokázal shodu průměrné
délky větví na ležícím stromě x1 a délky větví změřených pomocí přístroje Field-Map x 2 .
Systematická složka chyby B je mimořádně nízká a nebyla tedy prokázána její významnost
vůči nule. Náhodná složka chyby s y i celková chyba m y dosahují shodně ± 1,21 m ( ± 23,9 %).
Je tedy vidět, že chyba měření délky jednotlivých větví může podle situace dosahovat značné
výše. Zjištěná závislost relativní chyby měření ε i (%) na délce větve (r = -0,14) není
statisticky významná.
Tabulka 4 Chyby měření délky větví
Table 4 Errors of branch lenght measurement
Chyba1
)
Absolutní hodnota chyby2)
(m)
Relativní hodnota chyby3)
(%)
sy
1,21
23,9
B
+0,01
+0,3
my
1,21
23,9
1)
Error, 2) Absolute error, 3)Relative error
Obr. 6 Závislost délky větví stromu stojícího a pokáceného
Fig. 6 Dependence of standing and cut tree lenght of branches
3.4. Přesnost měření tloušťky větví
K porovnání přesnosti měření tloušťky větví pomocí technologie Field-Map byl opět
k dispozici soubor 137 párů větví změřených pomocí obou sledovaných metod. Průměrná
tloušťka větví ležících stromů byla 81,7 ± 6,0 mm, u stromů stojících to bylo 80,5 ±
5,3 mm. Směrodatná odchylka tloušťek větví ležících stromů byla 35,64 mm a u stromů
stojících 31,75 mm. Párový t-test prokázal shodu obou průměrných tloušťek větví x1 a x 2 .
Systematická složka chyby B je i v případě měření tloušťky větví nízká a nebyla tedy
zjištěna její významnost vůči nule. Náhodná složka chyby s y i celková chyba m y dosahuje
± 13 mm ( ± 16,1, resp. ± 16,2 %). Závislost relativní chyby měření ε i (%) na tloušťce větve
je statisticky významná (r = -0,36).
Tabulka 5 Chyby měření tloušťky větví
Table 5 Errors of branch diameter measurement
Chyba1)
Absolutní hodnota chyby2)
(m)
Relativní hodnota chyby3)
(%)
sy
13
16,1
B
-1
-1,4
my
13
16,2
1)
Error, 2) Absolute error, 3)Relative error
Obr. 7 Závislost tloušťky větví stromu stojícího a pokáceného
Fig. 7 Dependence of standing and cut tree branches diameter
3.5. Porovnání přesnosti měření objemu kmene stojícího stromu
Porovnání přesnosti měření objemu kmene pomocí technologie Field-Map je specifické
tím, že se jedná o veličinu syntetickou. Objem kmene je generován z dat měření profilu
kmene a výšky stromu. Celkem bylo k analýze použito 19 stromů. Průměrný objem kmene
ležících stromů byl 1,39 ± 0,46 m3, u stojících stromů to bylo 1,34 ± 0,48 m3. Směrodatná
odchylka objemu kmenů ležících stromů byla 1,01 m3 a u stromů stojících 1,07 m3. Párový
t-test prokázal shodu obou průměrných kmenových objemů x1 a x 2 .
Systematická složka chyby B dosahuje u výpočtu kmenového objemu z měření kmenového
profilu stojících stromů -0,05 m3 (-3,4 %). I v tomto případě nebyla zjištěna významnost
tohoto vychýlení vůči nule. Náhodná složka chyby s y i celková chyba m y dosahuje ± 0,18,
resp. ± 0,19 m3 ( ± 13,0, resp. ± 13,4 %). Zjištěná závislost velikosti relativní chyby měření
ε i (%) na velikosti měřeného objemu (r = +0,09) není statisticky významná.
Tabulka 6 Chyby stanovení objemu kmene
Table 6 Error of tree volume estimation
Absolutní hodnota chyby2)
Chyba1)
(m)
Relativní hodnota chyby3)
(%)
sy
0,18
13,0
B
-0,05
-3,4
my
0,19
13,4
1)
Error, 2) Absolute error, 3)Relative error
Obr. 8 Závislost objemu stromu stojícího a pokáceného
Fig. 8 Dependence of standing and cut tree volume
4. Diskuse
Přesnost měření stojícího stromu pomocí technologie Field-Map byla u hodnocených
veličin různá. Za nejpřesnější se dá považovat především měření výšky stromu a výšky
nasazení větví. Měření nevykazuje významné systematické vychýlení a také náhodná složka
chyby je velmi nízká (asi ± 3 %). Tato shodná přesnost u obou měřených veličin je dána
velmi podobným systémem měření. U klasických výškoměrů Blume Leiss, Sunto, Vertex je
dosahovaná přesnost měření ± 2,5 % z výšky, u přístrojů Criterion Laser 400, Telerelaskop je
to méně než ± 1 % výšky (BRACK 2001). Problémem měření výšky bylo v některých
případech určení vrcholu stromu, neboť u buku a všeobecně listnatých dřevin je koruna
většinou tvořena několika svisle vybíhajícími větvemi. K nesystematickým chybám přispívalo
také to, že po pokácení stromu se větve v koruně narovnávaly nebo sklopily, což vedlo k
„prodloužení či naopak zkrácení“ výšky stojícího stromu. Vzhledem k tomu, že měření
proběhlo v době vegetačního klidu, byly větve křehké a snadno se lámaly. Znesnadňovalo to
tak pozdější bezchybnou rekonstrukci původního postavení větví a tím docházelo ke vzniku
nesystematických chyb výšky nasazení větví. I přes tyto nedostatky byla však přesnost výšky
nasazení jednotlivých větví i výška stromu změřená pomocí technologie Field-Map velmi
vysoká a dostačující pro přesné analýzy např. biomasy stromů, biomasy korun atp. Zjištěnou
závislost výše chyby na měřené výšce bude nutné vzhledem k malému počtu měřených výšek
a jejich vysoké variabilitě dále analyzovat.
Další sledovanou veličinou bylo měření délky větví na stojícím stromě. Přesnost měření
byla nižší než v případě měření výšek, správnost byla však opět velmi vysoká. I v tomto
případě se neprokázala významnost systematického vychýlení měřených délek stromů
technologií Field-Map. Naproti tomu náhodné vychýlení i celková chyba měření dosahovaly
u jednotlivých stromů až asi ± 23 %. Měření délky větví na stojícím stromě bude vždy velmi
složitým úkolem, neboť jeho přesnost ovlivňuje celá řada dalších faktorů, které lze jen těžko
eliminovat – vychýlení stromu od svislé osy, neprůběžnost osy větve, extrémní délky svislých
větví. Tyto nepříznivé faktory nejvíce ovlivňují výsledky měření u listnatých dřevin jako je
buk; u dřevin jehličnatých nelze tak velké problémy očekávat. To potvrzují i předběžné
výsledky měření biomasy borovice lesní, které IFER provedl v průběhu roku 2005.
K nepřesnostem jistě také přispívalo nedostatečné zachycení lomových bodů a nesprávný
odhad azimutu větve. Porovnání s přesností měření ostatních metod a technologií přitom
prakticky není možné, neboť testovaná technologie Field–Map je v této oblasti terénního
zaměřování ojedinělá.
Vedle délky větví se dále měřil průměr větví asi 10 cm od jejich nasazení na kmeni.
Systematické vychýlení délky větví stojícího stromu bylo nízké a statisticky nevýznamné vůči
nule. Náhodná složka chyby i celková chyba měření dosahovala naproti tomu ca ± 16 %.
Náhodné odchylky měření vznikaly především v důsledku nepřímosti osy kmene v koruně
stromu, což je typické pro staré listnaté dřeviny, a také v důsledku špatné viditelnosti báze
větví v koruně stromu. Základním předpokladem úspěšného měření tloušťek pomocí přístroje
je používání pevného stativu, který minimalizuje chvění celé měřičské sestavy. Bez stabilní
opory je odečítání tloušťkové stupnice v dalekohledu ztíženo; to platí především při používání
větších zvětšení dalekohledu. Z přístrojů, které umožňují měření tloušťky je třeba zmínit
relaskop a laserové přístroje – např. Criterion. Přesnost měření vzdálené tloušťky kmene je u
relaskopu závislá na odstupové vzdálenosti a dimenzi stromu – průměrně bývá uváděn údaj
± 2,5 % skutečné tloušťky. U přístrojů Criterion je přesnost uváděna ± 1 % tloušťky kmene
(BRACK 2001). Tyto přístroje jsou však určeny na měření tloušťky kmene a jejich použití na
měření tloušťky větví je problematické. Princip měření tloušťky větví na stojícím stromě je u
testované technologie Field-Map ojedinělý, neboť umožňuje měření tloušťky bez ohledu na
polohu a směr větve. To je vyřešeno pomocí kruhové odečítací stupnice (viz obr. 2).
Poslední veličinou, u které se zjišťovala přesnost a správnost měření pomocí technologie
měření stojícího stromu, byl objem kmenový. Systematická chyba měření objemu kmene
stojícího stromu dosahovala asi -3 % a nebyla statisticky významná. Náhodné vychýlení bylo
vyšší a dosahovalo asi ± 13 %. Např. při měření souboru 94 vzorníků borovice lesní stejnou
metodou pomocí technologie Field-Map byl rozdíl celkového objemu změřeného u stojících
stromů od objemu přeměřeného po skácení -0,2 % (ČERNÝ a PAŘEZ 2005). Ostatní použitelné
metody stanovení objemu kmene přitom dosahují různé přesnosti. Pro objemové tabulky s
pouze jedním vstupním údajem výčetní tloušťky d1,3 se uvádí chyba ± 15–25 %, pro tabulky s
dvěma vstupními údaji (d1,3 a h) ± 7–12 % a při použití tabulek s třemi vstupními údaji (d1,3,
h a d7m) lze předpokládat chybu v rozmezí ± 4–6 % (ŠMELKO 2003). V případě tohoto
experimentu např. hmotové tabulky ÚLT s dvěma vstupními údaji (d1,3 a h) vykazovaly
systematickou chybu více jak +8 %, náhodné vychýlení asi ± 14 % a celková chyba měření
přesahovala ± 18 %. U jednotlivých měření objemu pomocí snímacích kamer může být chyba
často vyšší než 10 % (DEAN 2003). Přesnost zjištěného objemu dále ovlivňuje počet
změřených bodů kmenového profilu. GOULDING (1979) uvádí, že při malém počtu změřených
bodů kmenového profilu může být chyba vypočteného objemu vyšší než 8 %. Chyby měření
jednotlivých tloušťek kmenového profilu vznikají především při náklonu stromu a nepřímosti
osy kmene. Především u listnatých stromů, tedy i buku, není přímost osy kmene u dospělých
stromů většinou splněna. V důsledku toho vznikají buď kladné nebo záporné odchylky
tloušťky jednotlivých měřených profilů a v konečném důsledku i celého objemu kmene.
Největších relativních odchylek měření kmenového profilu bývá dosaženo v koruně stromu,
kde výše jmenovaný požadavek na průběžnost osy kmene není u listnatých dřevin většinou
splněn.
Metoda nedestruktivního měření stojících buků lesních pomocí technologie Field-Map
prokázala v terénních podmínkách srovnatelnou přesnost s metodami destruktivního měření u
tak problematické listnaté dřeviny, jako je buk. Samozřejmě, že u různých měřených veličin
bylo dosaženo i rozdílné přesnosti. Je důležité, že se potvrdila nevýznamnost systematického
vychylování u všech měřených veličin což zaručuje vysokou spolehlivost měření výšek
stromů a také objemu kmene. To, že metoda měření objemů kmene není systematicky
vychylována, je podstatné pro její uplatnění při zjišťování hmoty i sortimentní skladby
porostů. Nižší přesnost měření délek a tloušťek větví byla u měřených stojících buků
způsobena především náhodnými vlivy, jako je náklon stromů a neprůběžnost osy kmene i
větví. Je třeba uvést, že výběr stromů probíhal pouze s ohledem na prvotní cíl studie, kterým
bylo stanovení nadzemní biomasy buků pomocí destruktivního měření. To samozřejmě
ovlivnilo dosahovanou přesnost měření jednotlivých stojících stromů, neboť výše uvedené
důležité faktory měření nebyly brány na zřetel.
Vedle využití při klasickém stanovování nadzemní biomasy jednotlivých stromů se zdá být
velmi perspektivní uplatnění technologie Field-Map při sortimentaci těžebního fondu, či
prostém zjišťování zásoby porostů (ČERNÝ a PAŘEZ 2005). V současnosti existují signály, že
z důvodů ekonomických se bude zvyšovat zájem jak o jednoduché provozní metody přesného
odhadu zásoby, tak na to navazující přesný odhad sortimentní skladby porostů. Ne vždy bude
z různých důvodů možné využívat kácení vzorníkových stromů (příliš cenné výřezy, termín
sortimentace, rozsah a různorodost těžených porostů). Při těchto metodách se dá s výhodou
využít možnosti měřit vzdálené tloušťky stromů tj. i vlastní profil kmene. Profil kmene se dá
využít pro konstrukci morfologických křivek a následně pro modelování výtěžnosti
jednotlivých sortimentů. Také měření tloušťky větví a jejich nasazení je neméně důležité,
neboť tloušťka a výška ovlivňuje zařazení jednotlivých výřezů do tříd jakosti. Měření délky
větví je spíše experimentální záležitostí, ale lze ji použít např. při stanovení objemu kmene či
hroubí silně zavětvených soliterních jedinců (památné stromy, parky).
Z hlediska časové náročnosti měření stojícího stromu, se jedná o metodu rychlou, která se
může v provozních podmínkách plně uplatnit. Rychlost postupu záleží na množství měřených
veličin a na dimenzích jednotlivých stromů. Časově nejnáročnější operací je měření
kmenových profilů, které vyžaduje pevnou oporu přístroje. Významnou časovou úsporou pro
provozní metody zjišťování zásob a sortimentaci bude omezení počtu měření tloušťek na
kmeni na několik významných bodů. Tyto možnosti se v současné době dále ověřují a testují
(Černý a Pařez 2005). Měření ostatních veličin je již časově plně srovnatelné s klasickým
zaměřováním ležícího stromu.
Poděkování
Tato studie byla provedena za podpory Grantové agentury České republiky (GAČR), a to
v rámci projektu 526/03/1021 „Bilance uhlíku pro lesní ekosystémy: regionální kvantifikace
zásoby uhlíku a modelování jejího vývoje v souvislosti se závazky Kjótského protokolu“
který zahrnoval ověření přesnosti nedestruktivního stanovení biomasy stojících stromů. Dále
děkujeme Dr. Fjodoru Tarinovi za významnou pomoc při zpracování statistické části studie.
Literatura
1. BRACK, C.L. 2001: Forest Measurement and Modeling - Measuring trees, stands and forests for effective
forest management. Computer-based course resources for Forest Measurement and Modeling (FSTY2009) at the
Australian National University. – 2. CLARK, N. 2001: Applications of an automated stem measurer for precision
forestry. Proceedings, The First International Forestry Cooperative Symposium. University of Washington
College of Forest Resources. Seattle, Washington, p. 93 – 98. – 3. ČERNÝ, M., PAŘEZ, J. 2005: Zjišťování
objemu a sortimentace stojících stromů s využitím modelu tvaru kmene. Lesnická práce, 84(12), p. 658–660. –
4. DEAN, C. 2003: Calculation of wood volume and stem taper usány terrestrial single-image close-range
photogrammetry and contemporyry software tools. Silva Fennica, 37(3): 359–380. – 5. IFER Ltd, 2005: Field
Map. http://www.fieldmap.cz/ (viewed on 10.1.2006). – 6. GOULDING, C.J. 1979: Cubic Spline Curves and
Calculation of Volume of Sectionally Measured Trees. N.Z. J. For. Sci, 9(1): 89–99. – 7. MELOUN, M., MILITKÝ,
J. 2002: Kompendium statistického zpracování dat. Praha, Academia, nakladatelství Akademie věd České
republiky, 764 pp. – 8. KORF, V. 1952: Dendrometrie. Praha, Státní zemědělské nakladatelství; 327 pp. – 9.
PETRÁŠ, R. 1986: Matematický model tvaru kmeňa. Lesn. Čas., 32(3): 223–236. – 10. ŠMELKO, Š., SCHLEER, L,
PETRÁŠ, R., ĎURSKÝ, J., FABRIKA, M. 2003: Meranie lesa a dreva. Zvolen, Ústav pre výchovu a vzdelávanie
pracovníkov lesného a vodného hospodárstva SR, 239 pp. – 11. WIANT, Jr., H.V., G.B. Wood and T.G. Gregore.
1992: Practical guide for estimating the volume of a standing sample tree using ether importance or centroid
sampling. For. Ecol. Man., 49, p. 333–339.
Summary
The above-ground tree biomass of European beech was estimated by two different
methods: 1) method of standing tree measurement by laser rangemeter and inclinometer 2)
classical measurement of felled trees by classical instruments. First, the sample trees were
measured remotely, which included stem profile, tree height, branch length and diameters.
Then the sample trees were fallen down and measured by manual instruments (band
dendrometer and calliper), including the identical variables as in the case of standing tree
measurements. The classical measurement of felled trees by manual instruments was
considered as a standard, whereas the method of standing tree measurements was considered
as experimental. The two approaches of biomass measurement and volume estimation
matched well. Particularly good was the correspondence of tree height and location of
branch/stem intersection (random error about ± 3.5 and ± 2.7 %). The correspondence of
branch length, diameter and also stem volume estimation was somewhat weaker; by the stem
volume is random error about ± 13 %. The main factor affecting accuracy of standing tree
measurement was irregularity of stem and branch shape and stem inclination. Despite that, the
experimental method of non-destructive standing tree measurements can be considered as
fully comparable to the classical destructive measurement of felled trees by manual
instruments. This makes the method attractive for non-destructive estimation of stand
assortment composition.
Translated by authors