基于三角原理的森林测高器研制与应用

论文摘要

森林测高器是林业行业的基本工具和常用工具,广泛应用于森林经营研究、森林资源调查、森林采伐利用、森林碳汇测算等诸多技术领域。针对目前生产中森林测高器种类单一且不适用于密林测高环境的实际情况,本论文以研发新型装备,增强林内测高实用性能,提高外业工作效率为目的,通过对该领域三角原理测高方法的归纳、分析和拓展性思维,创新性设计出四种新型测高工具—任意点测高器、准连续可变距式测高器、旋轮式测高器和改进式克里斯屯测高器,其研究结果如下:（1）任意点测高器给出了任意点测高器的产品设计结构,提出壳体设计采用前开盖式,发明了“连续变化的水平距离线”和“连续变化的测高等高线”设计法,解决了林内测点任选问题。在产品生产方面,提出将铝质壳体的浇铸口设置于模具顶部,同时采用加热金属铸模与立式浇铸并举的方法,使毛坯一次性浇铸成型完好率达到了98%以上。在安装工艺中,采用6〞级经纬仪和特制的测高器校验支架联合工作的方法,解决了读数盘精确安装问题。除此之外,对任意点测高器还进行了外业应用技术研究,结果表明在测高精度方面任意点测高器与传统的勃鲁莱测高器无显著差异,能够满足常规林业调查的需要。在测高效率方面,郁闭度和坡度对本产品和勃鲁莱测高器的工作效率都有影响,但相比之下,本测高器所受影响较小,即使在郁闭度1.0或坡度25°以上时,本测高器也能完成测高工作。实验结果显示:在郁闭度0.30.8范围和坡度25°以下的林分中,本测高器比勃鲁莱测高器可提高工作效率0.52倍以上,郁闭度越大,坡度越大,其工效提高越多。（2）准连续可变距式测高器给出了准连续可变距式测高器的基本结构,并在读数盘设计中成功采用了具有固定间隔的“准连续式水平距离线”和具有径向读数功能的“阶梯状等高线”设计方法,解决了高度刻线与垂针平行的问题,不仅使树高刻度变得清晰易读,而且能够实现一个刻度值为多个刻度线共用,这样既节约了读数盘空间,又能在有限的读数盘盘面上设计出更多的水平距离线,便于外业使用。另外在样机研制中,成功地将准连续式和勃鲁莱式测高方法有机整合,使森林调查员在野外使用测高器时可以根据现场情况自由选择。此外,通过将15m和20m两条水平距离线“合二为一、上下标示”的方法,使得该部分刻线清晰易读,更加适合于野外使用。在样机制作方面,借用生产质量比较稳定的国产CGQ-1型测高器壳体及控制部件作为准连续式测高器的机械部分,保证了样机制作精度。在读数盘研制中,采用可视化BSIC编程法解决了读数线刻制精度问题,通过计算机辅助设计,不仅快速准确的制作出高精度的读数盘样品,而且利用其高速性,实现了在短时间内对多种图线方案的比对和筛选,包括图线的间隔、粗细、线间加色等,进而确定出读数盘图线的最佳方案。除此之外,本研究还进行了外业应用实验,得出准连续可变距式测高器工作效率多数情况下优于任意点式,但在郁闭度1.0的林分中低于任意点式的结论。（3）旋轮式测高器给出了旋轮式测高器的基本设计结构,并重点论述了旋轮结构的组成和工作原理。旋轮结构的应用为动态读数盘设计奠定了基础,该新型结构不仅有效增加了读数盘刻线设计面积,而且通过与前盖读数窗的配合设计,实现了在读数窗内单条水平距离线独立显示的读数效果,进而减少了外业发生读数错误的可能性。在读数盘设计方面,用“矩形读数尺带”代替传统的“弧形读数盘”,同时将水平距离线设计成直线型结构,这为读数盘在旋轮上的旋转安装奠定了基础。另外,研究分析认为:旋轮测高器因增添了旋轮结构而使得体积和重量会有一定增加,本研究初步提出将旋轮直径控制在22.5cm之内的技术要求,同时还认为,因安装旋轮带来的选点灵活、读数方便、不易出错、测量范围宽泛等优点将弥补上述不足,进而使该测高器从总体上优于传统的勃鲁莱式结构,成为很有开发前途的新型测高器类型。（4）改进式克里斯屯测高器给出了改进式克里斯屯测高器的设计结构,论述了改进思路、方法及样机制作过程。在产品设计方面,提出了“活动的尺角”这一关键性设计,从而使尺角间距可调、配合标杆长度可以现场确定,而不再象原克里斯屯测高器那样必须使用“2m”标准的标高。该设计为野外使用带来了方便。由于可用任意标高,故外业中可以不带标杆,而采用树前举手的方法代替,进而能够减轻劳动强度,提高工作效率。另外,改进式克里斯屯测高器的尺身刻度采用直线比例结构,比原克里斯屯测高器中的刻线更加易读,不会因树高增大而出现刻线变密现象,因此能够提高测高读数的精度。另外在样机研制过程中还成功开发出了中部带有矩形缺口的“缺口式活动尺角”,解决了因尺角“边缘辉光”而导致的视线位置不易确定的问题,该技术提高了树高测量的准确性。除此之外,通过对改进式克里斯屯测高器的外业应用研究证明,其测高标准误差可控制在5%以内,测高精度略低于勃鲁莱式和任意点式,但由于其测点任选、不需量距,工效是勃鲁莱的2.5倍左右,因此对大面积森林调查来说依然表现出良好的推广使用价值。本研究为林业调查提供了新的实用性测高技术装备,对提高森林野外调查水平,保障原始数据的可靠性和准确性有益。研制中采用的“连续”和“准连续”的设计思想、能够有效增加读数盘设计面积的旋轮结构、以及首次提出的基部被挡时一次性测定树高的理论和方法,对于三角原理类测高器的改进设计具有引导和借鉴作用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 序言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 三角原理测高技术
• 1.2.1 三角函数法
• 1.2.2 相似三角形法
• 1.3 森林测高器研究进展
• 1.3.1 研究历史
• 1.3.2 类型划分
• 1.3.3 研究进展评述
• 1.4 本论文的主要内容
• 2 任意点测高器研制与应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 原理及结构设计
• 2.3 重要部件方案筛选
• 2.3.1 读数盘方案筛选
• 2.3.2 壳体方案筛选
• 2.3.3 瞄准系统方案筛选
• 2.4 产品技术标准
• 2.5 零部件制作工艺
• 2.5.1 读数盘制作工艺
• 2.5.2 垂针制作工艺
• 2.5.3 壳体制作工艺
• 2.5.4 控制系统制作工艺
• 2.5.5 瞄准系统制作工艺
• 2.5.6 读数窗制作工艺
• 2.6 产品总装与检验
• 2.6.1 产品总装
• 2.6.2 产品检验
• 2.7 产品应用研究
• 2.7.1 工作性能稳定性实验
• 2.7.2 测高精度实验
• 2.7.3 工作效率实验
• 2.8 小结
• 3 准连续可变距式测高器研制与应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 设计思路
• 3.3 原理及整机结构
• 3.4 读数盘设计及筛选
• 3.4.1 读数盘基础方案设计
• 3.4.2 读数盘工作参数确定
• 3.4.3 读数盘典型设计方案
• 3.4.4 样机用读数盘方案选定
• 3.5 样机制作
• 3.5.1 读数盘制作
• 3.5.2 读书盘安装与校准
• 3.5.3 整机检验
• 3.6 样机应用研究
• 3.6.1 实验方法
• 3.6.2 实验结果与分析
• 3.7 小结
• 4 旋轮式测高器设计
• 4.1 引言
• 4.2 设计思路
• 4.3 原理及总体结构
• 4.4 基础部件设计
• 4.4.1 底壳结构
• 4.4.2 前盖结构
• 4.4.3 视准管及其倾角设计
• 4.5 旋轮系统设计
• 4.5.1 旋轮设计
• 4.5.2 刹车系统设计
• 4.5.3 读数尺带制作
• 4.6 垂针技术要求
• 4.7 整机装配与使用
• 4.8 小结
• 5 改进式克里斯屯测高器研制与应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 设计思路
• 5.3 结构及工作原理
• 5.3.1 样机结构
• 5.3.2 工作原理
• 5.4 样机制作
• 5.4.1 尺身及读数刻线制作
• 5.4.2 活动尺脚制作
• 5.4.3 整机技术要求
• 5.5 测高操作方法
• 5.6 外业应用研究
• 5.6.1 工作性能稳定性实验
• 5.6.2 测高精度实验
• 5.6.3 工作效率实验
• 5.7 小结
• 6 讨论
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间完成的科研项目及专利成果
• 博士学位论文内容简介及自评