Глава 3. Лесотаксационные измерения

Лесотаксационные измерения

 

Принципы измерений. Измерительные системы и шкалы

Единицы измерения

Ошибки измерений

Лесотаксационные измерения в практике лесного хозяйства

 

Принципы измерений. Измерительные системы и шкалы

 

Изучение методов лесных измерений является основной курса лесной таксации. В связи с этим рассмотрим некоторые теоретические предпосылки, характеризующие измерения как метрологические действия, опирающиеся на учение о мерах. Вопрос о лесотаксационных измерениях в настоящее время изучен достаточно полно. В наибольшей мере он нашёл отражение в учебном пособии «Лесная таксация» О.А.Атрощенко, которое использовано при изложении настоящей главы.

Измерением принято называть действие, устанавливающее численное отношение между измеряемой величиной и заранее выбранной единицей измерения, которую нередко называют масштабом или эталоном.

Измерение является одной из древнейших операций, применяемых человеком в общественной практике. С развитием человеческого общества измерения приобретают все большее значение в разных областях производства, техники и науки. Удовлетворение многообразных потребностей общества немыслимо без использования измерений в его различных формах. Весы, часы, термометры, барометры и другие измерительные приборы и инструменты находят самое широкое применение в нашей повседневной практике.

В современном производстве и науке большую роль играют высокоточные измерения. Соединение измерительных и регулирующих устройств позволяет автоматизировать ряд производств. Измерения имеют большое значение в развитии разных областей науки. Еще в прошлом столетии Д.И. Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры».

Роль точных измерений особенно возрастает в наши дни. Овладение космосом, запуски космических кораблей, достижения в области биотехнологий и т. д. стали возможными в результате точных измерений и основанных на них расчетов. В естествознании измерения служат материалом для вскрытия законов изучаемых явлений. В научных дисциплинах законы формируются математически на основании измерений. Создание сложных компьютеров явилось базой для реализации результатов точных измерений.

Наиболее простыми являются единичные измерения. При единичном измерении мы получаем число, являющееся относительной величиной. Получение совокупности от такого рода единичных измерений является предварительной стадией в решении того или иного научного вопроса.

Измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми называют такие измерения, при которых результат получается непосредственно в процессе измерения. Примером прямого измерения является измерение длины предмета посредством прикладывания к нему градуированной линейки.

Являясь наиболее простыми, прямые измерения осложняются в тех случаях, когда требуются их выполнить с большой точностью. В этом случае приходится определять погрешность измерительных приборов и найти все условии их применения.

Косвенными измерениями называют такие, результаты которые получаются на основании прямых измерений нескольких величин, связанных с искомой величиной некоторыми уравнениями, дающими возможность вычислить значение последней по экспериментальным данным.

Косвенные измерения аналитически могут быть представлены уравнением y=F(x₁, x₂, х₃, …), где у – искомое значение косвенно измеряемой величины; F – знак функциональной зависимости; x₁, x₂, х₃ – значения величин, найденных при помощи прямых измерений.

Косвенные измерения в лесной таксации находят применение при выявлении показателей, характеризующих форму древесных стволов. Эта величина (f) представляет собой отношение объемов стволов (V_ств) и цилиндра, имеющих одинаковую высоту (Н) и диаметр на высоте 1,3 м (d). Определяя объем цилиндра как , а объем ствола по отдельной методике находим . Здесь мы путем прямых измерений находим d и H, а f получаем косвенным путем.

Совокупными измерениями называют такие, при которых искомые величины определяют из совокупности прямых измерений и ряда вычислений, выполняемых по соответствующим уравнениям. Этот вид измерений находит применение чаще всего в лабораторной практике.

Результат совокупных измерений находят путем решения системы уравнений, коэффициенты в которых получены обычно прямыми измерениями. В последнее время совокупные измерения делят на следующие виды.

• Собственно совокупные – одновременно измеряют несколько одноименных величин, например, диаметры на относительных высотах – результат – сбег ствола.

• Совместные – измеряют несколько разноименных величин – диаметры, высоты по стволу, результат – выход сортиментов.

Современные измерения основываются на известных уравнениях, отражающих существующие в природе связи между свойствами объектов (величинами), а совокупные – на уравнениях, отражающих произвольное комбинирование объектов с измеряемыми свойствами. Поэтому совместные измерения можно рассматривать как обобщение косвенных, а совокупные – обобщение прямых измерений.

Примером совместного измерения может быть определение объема ствола срубленного дерева по сложной формуле среднего сечения:

, где

γ_i – площади поперечных сечений отрезков, имеющих длину l

Всякое измерение непосредственно связано с погрешностями, обусловленными целым рядом факторов. Для приближения результата измерения к действительному значению измеряемой величины разработаны методики, выявляющие возможные источники погрешностей.

Если значение погрешности измерения и её знак известны, то приближение к действительному значению измеряемой величины осуществляется путем сложения поправки с наблюденным значением величины. В тех случаях, когда погрешность имеет оба знака (плюс и минус), она характеризует возможную максимальную погрешность измерения.

Величина погрешностей для отдельных приборов и инструментов обычно предусматривается соответствующими стандартами, устанавливаемыми на эти приборы и инструменты. В развитии технического прогресса огромное значение имеют автоматические измерения, производимые без непосредственного участия человека. Такие простейшие измерительные приборы, как часы, термометр, барометр, пружинные весы, с момента их изобретения являются приборами автоматическими.

К автоматическим относятся все измерения, осуществляемые регистрирующими, визуальными, интегрирующими и другими приборами, воспроизводящими измеряемую величину в виде указания на шкале. При таксации леса, осуществляющей массовые лесные измерения, автоматические приборы и инструменты до сих пор применяются недостаточно, За рубежом (в Швеции, Германии, США) такие измерения проводят широко. Но их внедрение в лесхозах Беларуси начато и расширяется.

Измерения выраженные числом, относят к одной из 4-х измерительных шкал:

1. Номинальная шкала – применяется тогда, когда признаки (идентичные) подсчитывают без оценки их качественного значения. Например, число типов леса подсчитывается на плане лесонасаждений, число деревьев определенной породы считаем без измерения их диаметров, высот и т.д. При обработке можно использовать статистики – моду, критерий Пирсона х ².

2. Порядковая шкала – признаки группируются по порядку, в систему или ряд. Интервалы такой шкалы, как правило, неравны. Например, сортировка бревен, сортиментов: классификация качественных признаков растущих деревьев и т.д. При обработке таких данных ни среднее, ни среднеквадратическое отклонение не могут характеризовать совокупность. Допустимые статистики: мода (наибольшая частота), медиана (средняя), критерий Пирсона х ², коэффициент ранговой корреляции и процентили.

3. Интервальная шкала – предусматривает равные интервалы. Начало отсчета не находится на нуле, но боле или менее фиксировано. Это – различные температурные шкалы, а также разделение процесса по времени, т.е. на дни, недели, месяцы, годы. Интервальная шкала определяет истинное количество, поэтому при обработке допустимо применение средней величины, вариансы, коэффициента корреляции.

4. Шкала отношений – имеет равные интервалы и начало – ноль. Фундаментальные измерительные системы для длины, веса, времени и получаемые от них объемы, запасы, абсолютная температура, влажность основываются на данной шкале. В лесной таксации мы в основном имеем дело со шкалой отношений. Допустимо применение различных статистик для оценки показателей.

Непосредственно измеряемыми являются только 3 измерения: длина, вес (физическая – масса), время. Остальные данные (площадь, объем и т.д.) получаются на основе этих трех основных измерений. Например, 1м – это длина. В то же время 1 м³ – это длина, умноженная сама на себя 3 раза: 1*1*1 м. Таким образом, один метр – это основная единица измерения, а 1м³ – производная.