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手持式树径自动识别测树仪的研制与应用

陈金星 岳德鹏 冯仲科 丁家巍 姚炳全 叶添雄

陈金星, 岳德鹏, 冯仲科, 丁家巍, 姚炳全, 叶添雄. 手持式树径自动识别测树仪的研制与应用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
引用本文: 陈金星, 岳德鹏, 冯仲科, 丁家巍, 姚炳全, 叶添雄. 手持式树径自动识别测树仪的研制与应用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
CHEN Jinxing, YUE Depeng, FENG Zhongke, DING Jiawei, YAO Bingquan, YE Tianxiong. A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
Citation: CHEN Jinxing, YUE Depeng, FENG Zhongke, DING Jiawei, YAO Bingquan, YE Tianxiong. A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006

手持式树径自动识别测树仪的研制与应用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 41371189

国家林业局引进国际先进农业科学技术计划("948"计划)项目 2014-4-76

详细信息
    作者简介: 陈金星,博士研究生,从事林业装备与信息化研究。E-mail:venusandp@gmail.com
    通信作者: 岳德鹏,教授,博士生导师,从事林业信息化、景观生态和土地评价等研究。E-mail:yuedepeng@126.com
  • 中图分类号: S758.7

A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement

  • 摘要: 在森林资源调查中需要调查林分因子,从而了解森林资源的数量与质量,以进行森林资源的规划、设计和经营。森林资源调查是一项费时费力的工作,使用传统测量工具需要不同仪器来进行测量,同时还受地形条件的限制。为快速精确地进行林木测量,开发设计了便携式数字化智能测树仪。仪器由STM32F103VET6单片机、ov9655传感器、LIS331DLTR倾角传感器、键盘等及其相关电路模块构成。采用相位原理测距,具有±1.5 mm的测距精度。在径高同测模式下,利用摄像头和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器对图像进行处理,能够实现树径的自动识别,再利用所测距离和倾角,实现高度、直径同步测量。仪器还有测径模式,测高模式,测距模式,倾角测量模式,面积计算模式。经实验验证,测径模式下,胸径的平均误差为-0.05 cm,误差在0.50 cm之内的占97.6%。在不同距离下,对不同高度的直径进行测量表明,在最佳距离内可使误差在0.50 cm内。该便携式数字化智能测树仪可满足森林资源调查需求,实现林业数字化。
  • 图  1  系统框架图

    Figure  1  System framework chart

    图  2  仪器结构图

    Figure  2  Structure of instrument

    图  3  程序流程图

    Figure  3  Program flow chart

    图  4  仪器直径测量原理

    Figure  4  Diameter measurement principle of the instrument

    图  5  胸径误差图

    Figure  5  Diagram of DBH error

    图  6  误差株数统计

    Figure  6  Statistics of numbers with error

    图  7  树高、直径同步测量图

    Figure  7  Simultaneous measurement graph of height and diameter

    图  8  树高、直径同步测量步骤

    Figure  8  Step of simultaneous measurement in height and diameter

    图  9  胸径处判别和测量

    Figure  9  Identification and measurement of DBH

    图  10  不同距离下上部直径测量值

    Figure  10  Upper diameter at different distance

    图  11  树高测量原理

    Figure  11  Measurement principle of tree height

    图  12  树高误差折线图

    Figure  12  Line chart of tree height error

    图  13  树冠测量

    Figure  13  Crown measurement

    图  14  平均断面积法测树

    Figure  14  Tree measuring with the tree's average section method

    表  1  胸径按径阶的误差统计

    Table  1.   Statistics of diameter at breast

    径阶/cm平均误差/cm最大误差/cm均方根误差
    40.10.40.24
    80.160.30.23
    120.040.20.16
    160.280.50.33
    200.150.40.26
    240.040.40.29
    280.090.40.3
    32 -0.150.50.35
    36 -0.380.70.42
    40 -0.050.40.32
    440.050.30.35
    480.20.50.45
    520.50.50.47
    56 -0.350.80.5
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    表  2  冠幅测量值

    Table  2.   Crown measurements

    序号方向测距仪冠幅/m皮尺冠幅/m绝对误差/m
    1南北9.129.4-0.27
    东西10.2710.42-0.15
    2南北4.184.45-0.27
    东西3.233.59-0.36
    3东西2.622.96-0.33
    南北3.113.3-0.19
    4东西18.6718.98-0.31
    南北16.5116.92-0.4
    5东西8.258.56-0.31
    南北9.239.73-0.49
    6南北9.269.72-0.46
    东西10.1210.3-1.17
    7南北9.319.32-0.01
    东西8.368.84-0.48
    8南北3.143.10.04
    东西3.53.6-0.1
    9东西3.23.20
    南北3.363.45-0.09
    10东西2.152.23-0.07
    南北2.362.59-0.23
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    表  3  不同测量方法下立木体积值

    Table  3.   Stumpage volume values under different measurement methods

    序号围尺体积/m3卡尺体积/m3仪器体积/m3仪器与围尺误差/m3仪器与围尺相对误差/%仪器与卡尺差/m3快特能与卡尺相对差/%
    1 9.29×10-2 8.73×10-2 8.68×10-2 6.10×10-36.54 0.50×10-30.4
    2 1.01×10-1 1.02×10-1 1.06×10-2 0.50×10-34.36 -0.40×10-32.72
    3 2.83×10-2 2.75×10-2 2.70×10-2 1.30×10-34.83 0.50×10-31.94
    4 1.66×10-2 1.83×10-2 1.84×10-2 1.80×10-311.12 -0.10×10-30.68
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-02
  • 修回日期:  2015-09-28
  • 刊出日期:  2016-08-20

手持式树径自动识别测树仪的研制与应用

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
    基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 41371189

    国家林业局引进国际先进农业科学技术计划("948"计划)项目 2014-4-76

    作者简介:

    陈金星,博士研究生,从事林业装备与信息化研究。E-mail:venusandp@gmail.com

    通信作者: 岳德鹏,教授,博士生导师,从事林业信息化、景观生态和土地评价等研究。E-mail:yuedepeng@126.com
  • 中图分类号: S758.7

摘要: 在森林资源调查中需要调查林分因子,从而了解森林资源的数量与质量,以进行森林资源的规划、设计和经营。森林资源调查是一项费时费力的工作,使用传统测量工具需要不同仪器来进行测量,同时还受地形条件的限制。为快速精确地进行林木测量,开发设计了便携式数字化智能测树仪。仪器由STM32F103VET6单片机、ov9655传感器、LIS331DLTR倾角传感器、键盘等及其相关电路模块构成。采用相位原理测距,具有±1.5 mm的测距精度。在径高同测模式下,利用摄像头和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器对图像进行处理,能够实现树径的自动识别,再利用所测距离和倾角,实现高度、直径同步测量。仪器还有测径模式,测高模式,测距模式,倾角测量模式,面积计算模式。经实验验证,测径模式下,胸径的平均误差为-0.05 cm,误差在0.50 cm之内的占97.6%。在不同距离下,对不同高度的直径进行测量表明,在最佳距离内可使误差在0.50 cm内。该便携式数字化智能测树仪可满足森林资源调查需求,实现林业数字化。

English Abstract

陈金星, 岳德鹏, 冯仲科, 丁家巍, 姚炳全, 叶添雄. 手持式树径自动识别测树仪的研制与应用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
引用本文: 陈金星, 岳德鹏, 冯仲科, 丁家巍, 姚炳全, 叶添雄. 手持式树径自动识别测树仪的研制与应用[J]. 浙江农林大学学报, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
CHEN Jinxing, YUE Depeng, FENG Zhongke, DING Jiawei, YAO Bingquan, YE Tianxiong. A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
Citation: CHEN Jinxing, YUE Depeng, FENG Zhongke, DING Jiawei, YAO Bingquan, YE Tianxiong. A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2016, 33(4): 589-598. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006
  • 测树仪是主要用来测量树干直径的仪器,主要分为两大类:接触式和非接触式测树仪[1]。非接触式仪器包括光学叉和棱镜之类的设备;接触式主要分为点式和带式2类,包括常用的围尺和卡尺。点式测树仪主要用于测量树干大小的变化,带式测树仪测量树干的直径和某一高处树干的周长。非接触式测树仪可用于树干水分状态的评估,以及同质特性气候空间关系的探究[2-5]。专家学者对树木测量仪器和方法进行了大量研究,GREGOIRE等[6]使用Barr & Stroud测树仪测量树木上部的直径,WILLIAMS等[7]使用快特能400和Barr & Stroud测树仪进行树木上部直径测量值的对比,DEAN等[8]使用单片近景摄影照片来测量立木地上部分材积。一些研究利用全站仪和电子经纬仪测树[9-11],精度高,但仪器笨重,携带不便。三维激光扫描仪在提取树木胸径、树高、冠幅和材积中精度高[12-14],但是仪器昂贵且内业处理复杂。丛宪冬等[15]设计了激光测高仪,鄢前飞等[16]研制了林业数字测径仪。BITTERLICH等[17-18]发明了角规,冯仲科等[19-20]将角规功能融入了电子测树枪,可进行树高、角规等测量。现有的测树仪器和方式,操作复杂、精度低且价格昂贵。已有的非接触式仪器,可测某一位置的直径,再测量高度,但是反过来则难以实现,即无法确定给定高值处的位置(非接触情况下1.3 m处的判定)。电子化、数字化和智能化技术越来越多地用在森林资源调查中数据的获取,数字化镜头和激光测距仪能够快速获取更加详细的信息。因此,笔者结合互补金属氧化物半导体(COMS)传感器、摄像头、激光测距仪和倾角传感器等数字化电子元件,设计和开发了使用简单、成本低、携带方便的手持式测树仪。该仪器可测径、测高、测距(平距和斜距),计算三角形、方形和梯形面积,结合这些测量功能还可用来测量冠幅和材积。

    • 系统框架如图 1所示。微控制单元(MCU)采用意法半导体公司生产的STM32F103VET6,主要对电路进行控制、数据输入输出等。互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器采用OmniVision公司的ov9655,与摄像头相连接,主要用来进行图像的生成、处理和数字信号的输出。数据存储于内部flash中,数据可以在屏幕上显示和查看,在测完后输入电脑。部分数据处理采用C#开发的后处理软件,其他数据处理使用matlab。激光传感器由激光发射器、激光接收器和相关电路组成。该仪器主要采用相位原理测距。倾角传感器采用意法半导体公司的LIS331DLTR,用于测量倾角,电源向其他模块供电。

      图  1  系统框架图

      Figure 1.  System framework chart

    • 上面各模块在电路板上连接集成后,将其置入塑料外壳中,合成设备。设备轻便,尺寸为5.00 cm × 13.50 cm × 2.70 cm,质量为150.0 g。仪器测量的距离范围为0.05~120.00 m,最小显示数值1.0 mm,测量精度为±1.5 mm。倾角测量范围-90.0°~90.0°,精度为±0.3°。设备外形如图 2所示:前端为激光头和摄像头区域,正面有显示屏和键盘,键盘中主要按键有图像缩放键、模式键和确认键等;背面为电池盖板和螺丝口,可固定在三脚架上。与常规光学测树仪相比,不需要通过凸透镜来观测树木,眼睛不会难受,直接在显示屏上观测物体,且可以放大。

      图  2  仪器结构图

      Figure 2.  Structure of instrument

    • 首先,软件进入初始化,之后进入模式的选择。在距离模式下,需要打开发生电路和接收器,之后计算相位差从而得到距离值,再输出显示。其他测量模式中也多次进行距离测量,过程类似。直径测量中,按下确定键后,进入距离测量,之后在串行相机控制总线(SCCB)的控制下采集图像,经过模拟信号处理器后,原始图像信号由多路转换器转至2个10位模数转换器,之后数字信号处理器(DSP)进行图像质量的控制,进行空白像素的消除以及去噪,之后计算树木直径,最后显示数值和图像。而树高利用倾角传感器和激光传感器,按3次键,分别获取水平距、底角和倾角,其他测量模式主要应用了距离测量和倾角测量的2个基本测量(图 3)。

      图  3  程序流程图

      Figure 3.  Program flow chart

    • 当对准树木直径处,所测直径处及附近在摄像头视野内的光线射入CMOS的像素阵列中,在电源和外围电路的作用下,不同波长和强度的光子产生不同强度的电流,经过光电转换和其他处理,不同像素处的电流被转换成灰度图。灰度值为8位,即0~255,灰度值越小图像越黑,越大图像越白,如图 4右上部分。取屏幕中间,如图 4像素阵列粗实线处,也即像素阵列里中间一行的像素值,对它们进行判断。当灰度值Gray<150,提取此像素,然后计算提取出的相连接的像素个数。这里相连接的线段可能不只一段,假设有n段,找出像素个数最多的一段,并在这一段的最左边和最边生成竖值的线以卡住树木。这一步可实现树木直径的自动识别。当然,由于设定的条件不能完全识别出所有树木直径,在此再加入手动调节。即:按下等于键的时候屏幕左侧或右侧的竖线闪动,再按+键和-键可以将竖线向左或右延长,共4个mode,不同的mode下可实现不同程度的调节,由100个像素的粗调到1个像素微调。

      图  4  仪器直径测量原理

      Figure 4.  Diameter measurement principle of the instrument

      图 4,树木的直径Dabc点为与镜头中心o平行的树干上的一个点,与ab在同一直线上,co为物距,oq为相距,u为焦点。焦距、物距和相距具有以下物像公式:

      $$\frac{1}{co}+\frac{1}{op}=\frac{1}{f};$$ (1)
      $$oq=\frac{f\times co}{co-f};$$ (2)
      $$\frac{co}{ab}=\frac{op}{hj};$$ (3)
      $$ab=\frac{co\times hj}{oq}。$$ (4)

      每个像素的宽度为3.18 μm,即为3.18×10-6 m,焦距可由软件获取,整理式(1)~式(4)并将单位转为m,得:

      $$ab=\frac{n\times 3.18\times {{10}^{-6}}}{f}\left( co-f \right)。$$ (5)

      co可由激光传感器测得,单位为mf为已知,由此可以算出树木直径ab

      在北京市奥林匹克森林公园和鹫峰选择有代表的树进行胸径测量,利用直径测量模式共测82株。测量时,使用卡尺的测量值作为对比值,先用仪器测,之后再用卡尺测量。卡尺测量时,使其方向与仪器方向一致。误差分布如图 5,最大误差为0.80 cm,最小误差为0 cm,平均误差为-0.05 cm,总的均方根误差为0.32,误差较小。

      图  5  胸径误差图

      Figure 5.  Diagram of DBH error

      对误差分布进行统计,如图 6。绝对误差为0.20 cm的株数最多,有23株;其次为0.40 cm,误差为0.70 cm和0.80 cm的各有1株,误差在0.50 cm之内的占97.6%。直径的自动识别中,深色树木识别效果好,而树皮亮度高、纹理多的识别一般,需要通过人工判别来调节键。

      图  6  误差株数统计

      Figure 6.  Statistics of numbers with error

      另外,对其胸径以4 cm为径阶进行统计(表 1),测量树木的径阶范围为4~56 cm,均方根误差总的趋势随着径阶的增加而增加,56 cm径阶的均方根误差为0.50 cm。平均误差最大为0.50 cm,最大误差大于0.50 cm的误差为36和56 cm径阶,由表 1可知径阶大的误差较大,主要在36 cm径阶及以上。所测数据全部符合二类森林资源调查要求,除2个异常值不符合一类森林资源调查要求外,其他全部满足一类森林资源调查要求。对于误差较大的,由于每一径阶的平均误差都在0.50 cm内,可通过多次测量求平均值解决。

      表 1  胸径按径阶的误差统计

      Table 1.  Statistics of diameter at breast

      径阶/cm平均误差/cm最大误差/cm均方根误差
      40.10.40.24
      80.160.30.23
      120.040.20.16
      160.280.50.33
      200.150.40.26
      240.040.40.29
      280.090.40.3
      32 -0.150.50.35
      36 -0.380.70.42
      40 -0.050.40.32
      440.050.30.35
      480.20.50.45
      520.50.50.47
      56 -0.350.80.5
    • 树高直径同步测量,即测量给出高度值处的直径,如测量1.30 m处的直径(胸径),按照普通测量方式,先用卷尺测出垂直方向上从树底起往上1.30 m处的位置,再用围尺测出胸径。对于非接触式测树仪,1.30 m处的确定尚未得到很好解决,该仪器解决了此问题。如图 7所示,将仪器固定在脚架上,瞄准树底后按下确定键,利用仪器的倾角传感器可获得向下的倾角a,利用激光传感器可得到测点O到树底的斜距OAOS为与树干垂直的直线,通过下式求得:

      $$OS=OA\times \cos \left( \left| a \right| \right)。$$ (6)

      图  7  树高、直径同步测量图

      Figure 7.  Simultaneous measurement graph of height and diameter

      保持仪器中心不变,慢慢向上倾斜,角度b为向上倾斜过程中与水平方向的夹角,内部程序每隔0.3 s按照下式计算树高h

      $$h=OS\times \tan \left( b \right)-OA\times \sin \left( a \right)。$$ (7)

      在向上移动的过程中,屏幕每0.3 s更新到树底的高度,由于时间短暂,感觉不到屏幕闪烁。当数字快显示到给定高度值处时(如1.30 m),缓慢向上调动,直到屏幕显示的数字稳定且与给定值相等时固定住仪器,再按下确认键,仪器将按上述测径原理测量直径,最后屏幕上显示出直径。

      实际测量中,能自动识别。如果识别不好,则手动调节,使得与树木直径的边界一致。步骤如图 8所示,屏幕中左下角的树为提示符,先瞄准树底。之后图 8中第2幅图实时显示高度变化,到达所给值的地方固定住,并按测量键,屏幕中显示距离和直径以及卡住树木的图像。

      图  8  树高、直径同步测量步骤

      Figure 8.  Step of simultaneous measurement in height and diameter

      外业实验时利用径高同测模式来测量胸径。先用仪器瞄准树底,当上移到1.30 m处,用粉笔在树上做出记号,之后用仪器测出胸径。最后用卡尺测出胸径,用钢卷尺测出仪器所测的胸高对应高度作为对比值,共20株树。如图 9,仪器所测1.30 m处误差极小,精度为99.70%,最大绝对误差为0. 90 cm,平均误差为0. 30 cm。

      图  9  胸径处判别和测量

      Figure 9.  Identification and measurement of DBH

    • 该仪器除了测量胸径外,还可测量上部直径。上部直径测量时选择枝干较少且可攀爬的树,选择不同的距离进行测量。以卡尺的测量值作为对比值,测量方向与仪器测量方向一致,共测3株树,测量值分布如图 10所示。横轴为距离,纵轴为直径大小,每条实心直线为某一高处的卡尺值,不变,每条虚折线为某一高处仪器测量值。从横向来看,测量值的精度随距离变化而变化,但总有一处距离使得其误差在0.50 cm内,其中第1株树,最佳测量距离所测值的误差均在0.10 cm内。上部直径由于角度、距离和高度的原因,使得不同高度不同大小的直径在不同距离测量时会造成一定的误差,但在最佳距离处可抵消距离、高度和角度的影响。

      图  10  不同距离下上部直径测量值

      Figure 10.  Upper diameter at different distance

    • 图 11,先瞄向树干任意一点,如w,按下确认键,由倾角传感器测得角度a,由激光传感器测得斜距cw。再瞄准树底并按确认键获得底角b;往上移动,得到顶角c,最后由下式获得树高h

      $$h=cw\times \cos \left( a \right)\times \left[ \tan \left( c \right)-\tan \left( b \right) \right]。$$ (8)

      图  11  树高测量原理

      Figure 11.  Measurement principle of tree height

      使用该仪器与Trupulse200激光测距仪进行树高测量,以Trupulse200激光测距仪所测值作为对比值。如图 12所示,共有177株树。图 12中工字形的仪器误差为实际误差值的2倍。树高范围为5.00~21.90 m,均方根误差为0.17,平均误差7.50×10-2 m,树高总的精度为99.20%,最大绝对误差为0.60 m,还有2株误差大于0.50 m,其余误差全在0.50 m内。

      图  12  树高误差折线图

      Figure 12.  Line chart of tree height error

    • 该仪器可测量水平距离,从而可以用来测量树冠冠幅,某一方向冠幅测量如图 13所示。选择一通视条件良好的地方,可以看到要测方向的两端,瞄准前端后按下确定键,测得水平距x1;再瞄准后端,按下确定键,测得水平距x2。测量冠幅有2种情形,一是在树冠覆盖面之外,另一种为在树冠覆盖面之内。覆盖面之外时(图 13左),冠幅gx2x1;而在覆盖面之内时,冠幅gx2+x1

      图  13  树冠测量

      Figure 13.  Crown measurement

      分别使用该仪器和皮尺对10株树的冠幅进行测量,每株树分别测量了东西和南北冠幅,测量结果如表 2

      表 2  冠幅测量值

      Table 2.  Crown measurements

      序号方向测距仪冠幅/m皮尺冠幅/m绝对误差/m
      1南北9.129.4-0.27
      东西10.2710.42-0.15
      2南北4.184.45-0.27
      东西3.233.59-0.36
      3东西2.622.96-0.33
      南北3.113.3-0.19
      4东西18.6718.98-0.31
      南北16.5116.92-0.4
      5东西8.258.56-0.31
      南北9.239.73-0.49
      6南北9.269.72-0.46
      东西10.1210.3-1.17
      7南北9.319.32-0.01
      东西8.368.84-0.48
      8南北3.143.10.04
      东西3.53.6-0.1
      9东西3.23.20
      南北3.363.45-0.09
      10东西2.152.23-0.07
      南北2.362.59-0.23

      两者的绝对差最大的为0.49 m,均方根误差为0.28×10-1,精度为96.60%。该仪器所测冠幅都比皮尺所测小。主要原因,大冠幅的树都在树下观察,仪器观测到树的边缘为内缘,而在树外观测都是一测为外缘一侧为内缘,都会造成偏小。

    • 为验证倾角测量的精度,在墙上做出刻度,5.00 cm为1格,然后离墙一定距离,将仪器置于三角架上,并置平,测出在墙上对应的高h0,以及到墙的距离d。然后,从0°开始测得到每一格的倾角,使用该仪器测了0~82.20°间的角度值。假设某处高为h,利用式(9)求得理论值w

      $$w=\arctan \left( \frac{h={{h}_{0}}}{d} \right)。$$ (9)

      经试验测得,该仪器的最大误差在0.30°内,倾角在40°以内,误差主要集中在0.20°内,40°以上误差集中于0.30°,由此得该仪器倾角测量误差小。

    • 利用该仪器的径高同测模式,通过测得树干几个位置的高和直径,分段求积获得立木材积。将梢头外的树干部分均分,每部分用头尾的平均断面积乘以每段的长度以求得这部分的体积,而梢头看成是圆锥,如图 14。计算公式如下:

      $$\begin{align} & v=\left[ \frac{1}{2}\left( {{g}_{0}}+{{g}_{n}} \right)+\sum\limits_{i=1}^{n-1}{{{g}_{i}}} \right]\times h+\frac{1}{3}\times {{g}_{n}}\times {{h}_{n}}=\frac{\pi }{8}\times \\ & \left( d_{0}^{2}+d_{n}^{2} \right)\times h+\frac{\pi }{4}h\sum\limits_{i=1}^{n-1}{{{d}_{i}}}+\frac{\pi }{12}\times d_{n}^{2}\times {{h}_{n}}。 \\ \end{align}$$ (10)

      式(10)中:g0为树干底部断面积,gn为梢头底部断面积,gi为各区分段的断面积。h为每一区分段的高度,hn为梢头部分的高度。相应的,d0为树干底部直径,dn为梢头底部断直径,di为各区分段的直径。测量步骤如下:①打开径高同测模式,对准地径处,测得直径d0和高h0。②上移,测得第2处的直径d1h1。再上移,得到第n处的直径dn和高hn,则每一段的高为hnhn-1。 ③对准树顶,测得树高h,则测量结束。

      图  14  平均断面积法测树

      Figure 14.  Tree measuring with the tree's average section method

      选择枝干较少,易于攀爬的树,卡尺、围尺和该仪器测量了分段处的直径,用该仪器和皮尺测量了分段处的高。一共测量了4株树的立木体积,分别得到围尺、卡尺和该仪器的体积,可见三者测量的体积误差不大(表 3)。围尺的相对误差大于卡尺的相对误差,这是由于围尺测量直径的误差所造成的。该仪器与卡尺计算出来的体积误差最大为2.70%,误差小。而该仪器与围尺最大误差为11.12%,误差较大,由于围尺测量的直径为平均直径,树木不规则时卡尺在不同方向上测得的值不一致,从而计算的体积误差较大。

      表 3  不同测量方法下立木体积值

      Table 3.  Stumpage volume values under different measurement methods

      序号围尺体积/m3卡尺体积/m3仪器体积/m3仪器与围尺误差/m3仪器与围尺相对误差/%仪器与卡尺差/m3快特能与卡尺相对差/%
      1 9.29×10-2 8.73×10-2 8.68×10-2 6.10×10-36.54 0.50×10-30.4
      2 1.01×10-1 1.02×10-1 1.06×10-2 0.50×10-34.36 -0.40×10-32.72
      3 2.83×10-2 2.75×10-2 2.70×10-2 1.30×10-34.83 0.50×10-31.94
      4 1.66×10-2 1.83×10-2 1.84×10-2 1.80×10-311.12 -0.10×10-30.68
    • 利用CMOS传感器,结合摄像头,通过对图像处理,仪器可自动识别树木直径,再通过激光测距传感器和倾角传感器,可实现树高与直径同步测量。通过实验得出,1.30 m处判别的精度达99.70%;直径测量模式下,均方根误差为0.32,大的径阶下误差较大些。上部直径在不同距离下精度不一,但有最佳距离段下使得其误差满足林业调查精度需求。树高测量均方根误差为0.17,平均误差7.50×10-2 m;冠幅测量比皮尺所测值小,精度为96.60%;倾角测量的误差在3°以内。另外仪器还能进行样地设置,计算多边形样地的周长和面积。仪器小巧轻便,使用简单,能满足林业资源调查需求。

      该仪器与传统测树仪(如RD 1000)相比,利用图像识别进行直径测量,减少人眼识别的误差,测量速度快。测树装备从传统的机械式、光学式向电子化发展,再向智能化发展。由于不需要水平角测径,该仪器未加入水平角测量模式,而是将水平角的测量放在云台中。另外,该仪器还可以加入全球定位系统(GPS)模块以实现定位和坐标测量。还有该仪器存储在内部flash中,所存数据不多,需要加入存储模块,如安全数码卡(SD卡)。可在该仪器原有功能基础上,完善其他功能,使得仪器更为实用。

参考文献 (20)

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