自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析.pdf

第 31 卷 第 18 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.31 No.18 92 2015 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2015 自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析 黃曉東 1，馮仲科1 ，解明星 2，陳金星1，劉金成1 （1. 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150025） 摘 要：胸徑和樹高測(cè)量是評(píng)價(jià)立地質(zhì)量和林木生長(zhǎng)狀況的重要依據(jù)，該文以圖像自動(dòng)識(shí)別原理、攝影測(cè)量原理、相似 三角形幾何原理和三角函數(shù)原理為理論基礎(chǔ)，研制了可測(cè)量胸徑和樹高的多功能便攜式微型超站儀，該設(shè)備集成電荷藕 合器件圖像傳感器、傾角傳感器、激光測(cè)距傳感器、中央處理器、存儲(chǔ)器、液晶顯示屏，測(cè)量時(shí)可獲取測(cè)站點(diǎn)到待測(cè)點(diǎn) 的傾角和距離 2 個(gè)參數(shù)值，并記錄存儲(chǔ)測(cè)量時(shí)的圖像信息，通過(guò)儀器的嵌入式操作程序，實(shí)現(xiàn)胸徑的自動(dòng)測(cè)量、樹高測(cè) 量、任意處直徑自動(dòng)測(cè)量、基本測(cè)量等 4 項(xiàng)基本功能。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，215 株立木的單次胸徑測(cè)量的平均絕對(duì)誤差為 0.369 cm，平均相對(duì)誤差為 2.08%。101 株立木的單次樹高測(cè)量的平均相對(duì)誤差為 1.44%。胸徑測(cè)量精度達(dá)到 97.92%，樹 高測(cè)量精度達(dá)到 98.56%，符合國(guó)家森林資源連續(xù)清查中的測(cè)量精度要求。該設(shè)備為森林資源調(diào)查提供了參考。 關(guān)鍵詞：林業(yè)；傳感器；測(cè)量；胸徑；樹高 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 中圖分類號(hào)：S758.7; S24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2015)-18-0092-08 黃曉東，馮仲科，解明星，陳金星，劉金成. 自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2015，31(18)：9299. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 Huang Xiaodong, Feng Zhongke, Xie Mingxing, Chen Jinxing, Liu Jincheng. Developing and accuracy analysis of portable device for automatically measuring diameter at breast height and tree heightJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 9299. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 0 引 言 立木的直接測(cè)定因子及其派生因子統(tǒng)稱為基本測(cè)樹 因子，而胸徑和樹高是立木直接測(cè)定因子1。胸徑和樹高 的測(cè)量是評(píng)價(jià)立地質(zhì)量與林木生長(zhǎng)狀況的重要依據(jù)2。測(cè) 量胸徑的儀器主要有輪尺、卡尺、直徑卷尺等，測(cè)量樹高 的儀器3-4主要有布魯萊斯測(cè)高器、超聲波測(cè)高器等5-6。 野外調(diào)查中，由于林地地形的不確定性等外界因素，使 得測(cè)量人員無(wú)法到達(dá)或者無(wú)法人工測(cè)量，為了克服外界 因素的影響，非接觸式的胸徑測(cè)量方式受到重視。 楊華等7利用 4 個(gè)物方點(diǎn)的坐標(biāo)值實(shí)現(xiàn)單株立木圖 像信息的提取，但需人為設(shè)置 4 個(gè)物方坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)外業(yè) 要求苛刻。 侯鑫新等8提出了一種基于單電荷藕合器件圖 像傳感器（charge coupled device，CCD）相機(jī)與經(jīng)緯儀相 結(jié)合的胸徑測(cè)量方法。 趙芳等9、 李立存等10利用全站儀 實(shí)現(xiàn)樹高材積的測(cè)量，并對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證分析。對(duì)于 野外作業(yè)而言，電子經(jīng)緯儀、全站儀11等測(cè)量?jī)x器體積 收稿日期：2015-06-05 修訂日期：2015-08-10 基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目 “普通數(shù)碼相機(jī)攝影提取森林經(jīng)營(yíng)信息與 建模研究” （41371001） ；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“傾斜攝影、地面 LiDAR 和野外測(cè)繪裝備國(guó)產(chǎn)化” （2012BAH34B01） 作者簡(jiǎn)介：黃曉東，男，山東壽光人，博士生，主要從事林業(yè)裝備與信息化、 攝影測(cè)量方向研究。北京 北京林業(yè)大學(xué)測(cè)繪與 3S 技術(shù)中心，100083。 Email：huangxiaodong0615 通信作者：馮仲科，男，甘肅靈臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精準(zhǔn) 林業(yè)、測(cè)繪與 3S 技術(shù)集成研究。北京 北京林業(yè)大學(xué)測(cè)繪與 3S 技術(shù)中心， 100083。Email：fengzhongke 大、質(zhì)量大、不便攜帶、操作復(fù)雜，并且在林地郁密度 比較高的地區(qū)和坡度較大的地區(qū)架站觀測(cè)非常困難，測(cè) 量時(shí)有明顯的局限性，而且儀器價(jià)格昂貴。因而需便攜、 高精度測(cè)量?jī)x器來(lái)高效的實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高的測(cè)量。 中國(guó)是世界上的林業(yè)大國(guó)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的大部分高精 度和便攜式的森林計(jì)測(cè)設(shè)備主要從國(guó)外進(jìn)口，這些產(chǎn)品 不僅價(jià)格昂貴而且功能單一。 測(cè)樹儀器主要有瑞典Haglf 公司12生產(chǎn)的 Vertex 系列和日本尼康公司13生產(chǎn)的 Forestry 550。為了適應(yīng)中國(guó)林業(yè)信息化和智能化的發(fā)展 要求，科研工作者也對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行了大量的研究。中 南林業(yè)科技大學(xué)研制的林業(yè)數(shù)字式測(cè)徑儀14、林業(yè)數(shù)字 式測(cè)高測(cè)距儀15，主要利用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高測(cè)量； 北京林業(yè)大學(xué)測(cè)繪與3S 技術(shù)中心研制了電子測(cè)樹槍16， 發(fā) 明了利用電子角規(guī)17，全站儀18-19等設(shè)備進(jìn)行森林計(jì)測(cè) 的方法。但國(guó)內(nèi)研制的儀器大部分存在精度較差、不易 攜帶、操作復(fù)雜等問(wèn)題。在立木的直接測(cè)定因子的研究 上， 國(guó)內(nèi)主要針對(duì)胸徑的非接觸測(cè)量20-21和樹高22-23的精 確測(cè)量來(lái)開展的24，胸徑和樹高25-26大部分都是獨(dú)立研 究，與便攜式的儀器相結(jié)合的應(yīng)用研究較少。 隨著圖像處理問(wèn)題研究的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng) 域給森林計(jì)測(cè)儀器的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。針對(duì)上述情況， 本研究利用 CCD、傾角傳感器等，獲取測(cè)量時(shí)的圖像、 傾角和距離，基于圖像自動(dòng)識(shí)別、攝影測(cè)量27-28等原理， 由內(nèi)嵌程序自動(dòng)快速解算立木的胸徑和樹高這 2 種立木 直接測(cè)定因子，對(duì)各部件進(jìn)行組裝集成形成了快速、自 動(dòng)、精確的微型超站儀，以期為森林資源調(diào)查提供參考。 第 18 期 黃曉東等：自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析 93 1 儀器組成 1.1 硬件結(jié)構(gòu) 自行研發(fā)的微型超站儀（PD-5 SERIES，南方測(cè)繪儀 器有限公司制造，中國(guó)）的硬件組成包括激光測(cè)距傳感 器、 微機(jī)電系統(tǒng) MEMS （microelectro-mechanical systems） 傾角傳感器、電荷藕合器件圖像傳感器、中央處理器、 存儲(chǔ)器、液晶顯示屏、電源、微型按鈕等。如圖 1 所示。 通過(guò)對(duì)各部件進(jìn)行集成組裝，用于實(shí)現(xiàn)立木的直接測(cè)定 因子胸徑和樹高精確自動(dòng)測(cè)量。將其固定于支架之上可 進(jìn)行樣地的觀測(cè)。 1.顯示屏 2.中心點(diǎn) 3.傾角讀數(shù) 4.胸徑測(cè)量/樹高測(cè)量標(biāo)志 5.平距讀數(shù) 6.確定鍵 7.圖像鍵 8.選擇鍵 9.左微調(diào)鍵 10.右微調(diào)鍵 11.胸徑讀數(shù) 12.距離讀數(shù) 13.圖像識(shí)別區(qū) 14.儀器前端 15.CCD 16.激光 1.Display screen 2.Center point 3.Showed angle 4.Diameter at breast height/tree height flag 5.Horizontal distance reading 6.Confirm button 7.Image button 8.Select button 9.Adjustment to left 10.Adjustment to right 11.Diameter at breast height reading 12.Distance reading 13.Image recognition region 14.Front of instrument 15.CCD 16.Laser 圖 1 微型超站儀示意圖 Fig.1 Sketch map of mini- super total station 1.2 功能及參數(shù) 微型超站儀的主要功能包括樹高測(cè)量和胸徑的自動(dòng) 測(cè)量。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)林分平均高測(cè)量、樹干任意處 直徑測(cè)量、材積測(cè)量、株數(shù)密度測(cè)量和基本測(cè)量等功能。 儀器測(cè)量的距離范圍為 0.05120 m，有效反射距離 為 0.05100 m，最小顯示數(shù)值 0.001 m，測(cè)量精度為 1.5 mm。MEMS 傾角傳感器測(cè)量范圍90+90，有效 測(cè)量范圍75+75，測(cè)量精度 0.1。電荷藕合器件圖像 傳感器胸徑計(jì)算存儲(chǔ)的精度為 1 mm。操作環(huán)境溫度 10+50。儀器尺寸 136 mm52 mm28 mm，連續(xù)測(cè) 量時(shí)間 5 000 s，正常工作時(shí)間 5 h。 2 立木胸徑測(cè)量 2.1 測(cè)量原理 測(cè)量時(shí)需將激光測(cè)距儀的光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)待測(cè)立木的胸徑 處，此時(shí)電荷藕合器件圖像傳感器會(huì)自動(dòng)的將光線轉(zhuǎn)變 為電荷信號(hào)，并通過(guò)自身內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電荷轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP）進(jìn)行色彩校正、白平衡處理轉(zhuǎn)換為 可視的圖像呈現(xiàn)在屏幕上。通過(guò)調(diào)整測(cè)量人員的位置使 得整個(gè)待測(cè)區(qū)域（立木胸徑）完整的呈現(xiàn)在屏幕內(nèi)。 在確定測(cè)量時(shí)儀器自動(dòng)記錄測(cè)量時(shí)屏幕內(nèi)的圖像， 再以圖像中心橫線為基準(zhǔn)線各向上向下移動(dòng) 30 個(gè)像素， 形成上下寬度為 60 像素的矩形處理識(shí)別區(qū)域。利用灰度 值計(jì)算公式： 0.2990.5870.114VRGB=+ （1） 式中：V 為像素灰度值；R、G 和 B 為像素的 RGB 數(shù)值。 對(duì)識(shí)別區(qū)域內(nèi)的所有像素進(jìn)行灰度化處理，得到各 個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，然后對(duì)識(shí)別區(qū)域內(nèi)的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn) 行遍歷，計(jì)算出每列 60 個(gè)像素的灰度值的均值，并將均 值存入數(shù)組之中。將數(shù)組中間兩個(gè)值作為分界點(diǎn)，依次 向前和后進(jìn)行遍歷，并判斷分界點(diǎn)前后三部分的均值， 遍歷完成后，查找出三部分有明顯變化時(shí)對(duì)應(yīng)的分界點(diǎn) （此步驟可通過(guò)人工微調(diào)進(jìn)行糾正，確保所識(shí)別區(qū)域?yàn)榇?測(cè)胸徑的邊緣）。根據(jù)分界點(diǎn)的像素坐標(biāo)值，計(jì)算出待 測(cè)胸徑所對(duì)應(yīng)的像素值 N。 測(cè)量時(shí)測(cè)量點(diǎn)位置距離待測(cè)胸徑距離 L 可通過(guò)激光 測(cè)距儀自動(dòng)記錄，CCD 的焦距 f 是固定的，通過(guò) CCD 成 像原理（圖 2），待測(cè)胸徑的圖像解算值 RD的計(jì)算式為： / D RN Lf= （2） 式中：N 為待測(cè)胸徑像素值，pix；f 為 CCD 定焦焦距值， pix；L 為待測(cè)胸徑處與測(cè)量點(diǎn)之間的距離，m；RD為待 測(cè)胸徑的圖像值，m。 注：f 為 CCD 定焦焦距；D 為待測(cè)胸徑，cm；N 為待測(cè)胸徑對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)。 Note: f is focal length of CCD; D is diameter at breast height; N is number of pixels to be measured diameter at breast height. 圖 2 CCD 成像原理示意圖 Fig.2 Principle of charge coupled device to obtain diameter at breast height values 2.2 胸徑糾正 在單一位置對(duì)柱形物體進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，光線所反射回 來(lái)的柱形物體的直徑是以觀測(cè)點(diǎn)與圓柱體相切的兩切點(diǎn) 的連線，其示意圖如圖 3 所示。若 S1為測(cè)量點(diǎn)，所測(cè)的 值 RD即為弦 AB 的長(zhǎng)度。激光測(cè)距儀自動(dòng)讀取測(cè)量點(diǎn)與 待測(cè)胸徑處的距離 L。通過(guò)計(jì)算分析得到胸徑 D（圖 3 中 為 RA+RB）的計(jì)算公式： 3222222 4(4)440 DDD L DLRDL RDLR+= （3） 式中：D 為胸徑，cm。 利用盛金公式求解一元三次方程，根據(jù)盛金公式的 判別條件，利用程序求解式（3），得到 D 的計(jì)算值，根 據(jù) D 與 RD的實(shí)際關(guān)系， 取 DRD， 且接近 RD值的解算值 作為胸徑 D。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（） 2015 年 94 注：S1為測(cè)量胸徑時(shí)的測(cè)量點(diǎn)；A，B 為在儀器顯示屏上顯示的邊界點(diǎn)；O 點(diǎn)為樹心坐標(biāo)。 Note: S1 is measurement point to measure diameter at breast height; A and B are boundary point which is shown on display screens; O point is tree coordinate. 圖 3 胸徑測(cè)量處示意圖 Fig.3 Sketch map of measuring diameter at breast height 2.3 胸徑位置確定 非接觸測(cè)量的胸徑測(cè)量方法和原理國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn) 都有提及。王建利等29提出一種結(jié)合光學(xué)三角形法、圖 像處理及最小二乘擬合法的立木胸徑測(cè)量的方法；曹忠 等30利用電子經(jīng)緯儀測(cè)量胸徑樹高及立木材積等。但絕 大多數(shù)并沒(méi)有提及胸徑位置是如何確定的，以及如何判 斷被觀測(cè)點(diǎn)就是距根頸 1.3 m 處的胸徑位置， 只是提出了 一種非接觸測(cè)量的方式，并沒(méi)有真正的在實(shí)際的調(diào)查工 作中實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。 為了能夠真正的在野外調(diào)查中實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的功 能，結(jié)合微型超站儀本身的優(yōu)勢(shì)，利用激光測(cè)距儀和 MEMS 傾角傳感器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷胸徑位置。 假設(shè)被測(cè)立木的根頸處位于觀測(cè)點(diǎn)所在水平面的上 方（圖 4a），即在觀測(cè)點(diǎn)將測(cè)距儀的光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)立木根頸 時(shí)傾角傳感器的傾角讀數(shù) 大于 0。 注：LS、L0分別為觀測(cè)點(diǎn)到待測(cè)立木的水平距離和到根頸處的距離，m； 和 分別為測(cè)量點(diǎn)到根頸處和胸徑處所形成的傾角，()。 Note: LS and L0 are horizontal distance and distance form viewing point to stand to be measured, m; and are inclinations angle from measuring point to rootstock and diameter at breast height, (). 圖 4 胸徑位置確定示意圖 Fig.4 Map of determining location of diameter at breast height 此時(shí)激光測(cè)距儀自動(dòng)記錄觀測(cè)點(diǎn)到根頸的距離為 L0，根頸點(diǎn)距離觀測(cè)點(diǎn)所在水平面的高程記為 H0，觀測(cè) 點(diǎn)到立木所在位置的水平距離記為 LS，然后調(diào)整傾角傳 感器的傾角讀數(shù)為 時(shí)，激光所在立木上的位置即為胸 徑，此時(shí)進(jìn)行測(cè)量自動(dòng)計(jì)算得出的數(shù)值即為胸徑，傾角 所對(duì)應(yīng)的值的計(jì)算公式為： 0 0 sin1.3 arctan cos L L + = （4） 式中：L0為觀測(cè)點(diǎn)到根頸處的距離，m； 為測(cè)量點(diǎn)到待 測(cè)立木根頸處的傾角，()； 為激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)胸徑處時(shí)的傾 角讀數(shù)，()。 當(dāng)被測(cè)立木的根頸位于觀測(cè)點(diǎn)所在水平面的下方 （圖 4b），此時(shí)傾角讀數(shù) 小于 0。H0計(jì)算值為負(fù)值，胸 徑處位于觀測(cè)點(diǎn)所在平面的上方和下方?jīng)Q定 的正負(fù)性， 但對(duì)求解公式無(wú)影響。 通過(guò)分析計(jì)算， 傾角 的計(jì)算式仍 為式（4）。 3 立木樹高測(cè)量 3.1 測(cè)量原理 樹高測(cè)量時(shí)主要利用的是激光測(cè)距儀的測(cè)距功能和 MEMS 傾角傳感器的測(cè)角功能，在進(jìn)行樹高測(cè)量時(shí)，首 先確定測(cè)量點(diǎn)的合適位置，確保整棵立木在視線范圍內(nèi) 無(wú)遮擋。然后依次對(duì)準(zhǔn)立木的樹干處、根頸處、樹頂處 進(jìn)行 3 次測(cè)量，分別記錄下測(cè)量點(diǎn)到樹干處的水平距離 LS，測(cè)量點(diǎn)到根頸處所形成的傾角 ，測(cè)量點(diǎn)到樹頂處所 形成的傾角 。 假設(shè)待測(cè)立木的根頸處于觀測(cè)點(diǎn)所在水平面的下方 （圖 5a），此時(shí)傾角傳感器的傾角讀數(shù) 小于 0，故樹高 的計(jì)算式為： ()tantan S HL= （5） 式中：H 為待測(cè)立木的高度，m；LS為測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木 的水平距離， m； 為測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木頂端的傾角， ()。 當(dāng)待測(cè)立木的根頸處于觀測(cè)點(diǎn)所在水平面上方（圖 5b） ， 傾角 的讀數(shù)大于 0， 樹高的計(jì)算公式仍為式 （5） 。 注：LD、LG分別為觀測(cè)點(diǎn)到樹頂處的距離和到根頸處的距離，m； 為測(cè)量 點(diǎn)到樹頂處的傾角。 Note: LD and LG are horizontal distance、 distance form viewing point to stand and top to be measured, m; is inclinations angle from measuring point to top of tree, (). 圖 5 樹高測(cè)量示意圖 Fig.5 Sketch map of measuring tree height 利用激光測(cè)距儀進(jìn)行 3 次測(cè)量時(shí)能同時(shí)記錄下測(cè)量 點(diǎn)到樹干處的水平距離 LS，測(cè)量點(diǎn)到立木的根頸處、樹 頂處兩點(diǎn)的距離 LG和 LD。 僅通過(guò) 3 段距離經(jīng)分析得到樹 高的計(jì)算公式為： 第 18 期 黃曉東等：自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析 95 tan arccostan arccos SS S DG LL HL LL = （6） 式中：LD為測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木頂端的距離，m；LG為測(cè) 量點(diǎn)到待測(cè)立木根頸處的距離， m。 傾角 的值小于 0 時(shí)， 取正值，傾角 的值大于 0 時(shí)，取負(fù)值。 3.2 精度分析 利用傾角傳感器式（5）進(jìn)行樹高測(cè)量的精度分析， 樹高 H 測(cè)算的精度受到測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木的水平距離 LS 的測(cè)量誤差、測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木頂端的傾角 的誤差和測(cè) 量點(diǎn)到待測(cè)立木根頸處的傾角 的誤差的影響，根據(jù)誤差 傳播定律推導(dǎo)公式，對(duì)式（5）進(jìn)行全微分并整理得到： () 22 dtan -tandsecdsecd SSS HLLL =+（7） 則： ()()() 22 2 222222 tantansecsec S HLSS mmLmLm =+ （8） 式中：mH、 S L m、m、m分別為 H、LS、 的中誤差。 只利用激光測(cè)距儀式 （6） 進(jìn)行樹高測(cè)量的精度分析， 樹高 H 的測(cè)算精度受到測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木的水平距離 LS 的測(cè)量誤差、測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木頂端的距離 LD的測(cè)量誤 差和測(cè)量點(diǎn)到待測(cè)立木根頸處的距離 LG的測(cè)量誤差的影 響，根據(jù)誤差傳播定律推導(dǎo)公式，對(duì)式（6）進(jìn)行全微分 并整理： 令 S D L A L =， 2 2 1 sec (arccos) 1 CAA A = ， S G L B L =， 2 2 1 sec (arccos) 1 DBB B = 。 ()dtancostancosd ACdBDd S DG L LL HABCD= + （9） 則： () 2 22 222222 tancostancos S DG HL LL mABCDm ACmBDm = + （10） 式中： D L m和 G L m分別為 LD、LG的中誤差。傾角 的值 小于 0 時(shí)，取正值，取負(fù)值；傾角 的值大于 0 時(shí)， 取負(fù)值，取正值。 4 試驗(yàn)驗(yàn)證 4.1 試驗(yàn)過(guò)程 本研究主要利用微型超站儀實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高的測(cè) 量，試驗(yàn)操作過(guò)程如下：1）開機(jī)后按圖像鍵，選擇胸徑 測(cè)量或者樹高測(cè)量；2）胸徑測(cè)量（圖 6a），將激光點(diǎn)對(duì) 準(zhǔn)胸徑（圖 6b），點(diǎn)擊確定鍵后自動(dòng)顯示胸徑（圖 6c）。 3）樹高測(cè)量。先將激光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)立木，自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn) 到待測(cè)立木的水平距離（圖 7a），然后將光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)待測(cè) 立木根頸處，記錄測(cè)點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的傾角和距離（圖 7b）， 最后將光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)待測(cè)立木梢頂處，記錄測(cè)點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的 傾角和距離 （圖 7c） 。 此時(shí)， 儀器自動(dòng)解算樹高 （圖 7d） 。 a. 對(duì)準(zhǔn)立木 a. Alignment tree b. 對(duì)準(zhǔn)胸徑 b. Alignment diameter at breast height c. 自動(dòng)解算 c. Auto-calculation 圖 6 胸徑測(cè)量時(shí)儀器界面 Fig.6 Instrument interface of diameter at breast height measurement a. 測(cè)量平距 a. Measuring horizontal distance b. 測(cè)量根頸 b. Measuring root collar c. 測(cè)量梢頂 c. Measuring top of tree d. 自動(dòng)解算 d. Auto-calculation 圖 7 樹高測(cè)量時(shí)儀器界面 Fig.7 Instrument interface of tree height measurement 4.2 測(cè)試數(shù)據(jù) 4.2.1 胸徑測(cè)量功能 試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì) 3 株胸徑為 7.5、12.3 和 14.5 cm 的 立木按照不同的測(cè)量距離分別進(jìn)行了 10、 25、 25 次測(cè)量， 測(cè)量時(shí)的距離范圍為 242 m。測(cè)量結(jié)果如圖 8 所示。 圖 8 不同測(cè)量距離下胸徑的測(cè)量值與真實(shí)值 Fig.8 Diameter at breast heights measured values and real values of different measurement distance 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（） 2015 年 96 經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果分析，60 次胸徑測(cè)量的絕對(duì)誤差范圍 0.50.5 cm，平均絕對(duì)誤差 0.147 cm。相對(duì)誤差范圍 4.07%6.67%，平均相對(duì)誤差 1.26%。如圖 8 所示，當(dāng) 測(cè)量距離達(dá)到 20 m 之后， 曲線波動(dòng)較大， 誤差相對(duì)越大。 剔除測(cè)量距離超過(guò) 20 m 的 14 次測(cè)量數(shù)據(jù)之后，平均絕 對(duì)誤差 0.107 cm，平均相對(duì)誤差 0.9%。 由于 CCD 鏡頭視角的原因，測(cè)量不同胸徑的最短距 離也有要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量距離滿足： 0.125 int()1LD +（） （11） 式中：int( )為數(shù)值求整。 經(jīng)胸徑測(cè)量試驗(yàn)分析，針對(duì)胸徑測(cè)量功能得到以下 結(jié)論： 1）單次胸徑測(cè)量時(shí)，為提高測(cè)量精度，盡量使得測(cè) 量距離不超過(guò) 20 m。 為能使得整個(gè)胸徑顯示在顯示屏內(nèi)， 胸徑小于 20 cm 時(shí)，最短測(cè)量距離大于 2.6 m；胸徑小于 40 cm 時(shí)，最短測(cè)量距離大于 5 m。對(duì)于立木胸徑測(cè)量功 能，最優(yōu)的測(cè)量距離應(yīng)介于 520 m 范圍之內(nèi)。 2）為提高測(cè)量精度可對(duì)胸徑進(jìn)行多次測(cè)量，胸徑越 大，相對(duì)誤差越低，測(cè)量精度越高（表 1）。 3）試驗(yàn)過(guò)程中，圖像解算時(shí)間 0.53 s，測(cè)量距離 越近，解算時(shí)間越快。 表 1 胸徑計(jì)算結(jié)果誤差分析 Table 1 Measuring results and calculating results about diameter at breast height 序號(hào) Number 次數(shù) Times 真實(shí)值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值絕 對(duì)誤差 Averages absolute error/cm 平均值相 對(duì)誤差 Averages relative error/% 平均絕對(duì) 誤差 Mean absolute error/cm 平均相對(duì) 誤差 Average relative error/% 立木 1 Tree 1 10 7.50 7.48 -0.02 -0.27 0.16 2.13 立木 2 Tree 2 25 12.30 12.25 -0.05 -0.39 0.15 1.24 立木 3 Tree 3 25 14.50 14.56 0.06 0.44 0.14 0.94 4.2.2 樹高測(cè)量功能 試驗(yàn)針對(duì) 3 株樹高為 2.18、3.6 和 12.89 m 的立木按 照不同的測(cè)量距離分別進(jìn)行了 20 次測(cè)量， 測(cè)量時(shí)張角 （到 頂梢的傾角減到根頸處的傾角）范圍在 1090，測(cè)量 結(jié)果如圖 9 所示。試驗(yàn)中，高為 2.18 和 3.6 m 的立木通 過(guò)用長(zhǎng)直桿多次測(cè)量測(cè)得的平均值作為真值，高為 12.89 m 的立木通過(guò)全站儀多次測(cè)量測(cè)得的平均值作為 真值。 從試驗(yàn)結(jié)果中分析得到，60 次樹高測(cè)量的相對(duì)誤差 范圍2.57%3.58%，平均相對(duì)誤差 1.13%。 基于微型超站儀中激光測(cè)距傳感器的測(cè)量距離范圍 為 0.05120 m，有效反射距離為 0.05100 m，故樹高 測(cè)量時(shí)，測(cè)量距離不能超過(guò) 100 m?；跇涓邷y(cè)量的原理 分析，適用的樹高測(cè)量范圍滿足： 22 100 S HLh+ （12） 式中：h 為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)地面高度，m。 經(jīng)樹高測(cè)量試驗(yàn)分析，針對(duì)樹高測(cè)量功能得到以下 結(jié)論： 1）野外作業(yè)中，由于林地中樹木的相互遮擋情況， 森林資源清查中通視距離一般不超過(guò) 30 m，故利用微型 超站儀測(cè)量時(shí)的測(cè)量距離不宜超過(guò) 30 m。在林地中，測(cè) 量的樹高理論適用范圍為 095 m。 2）測(cè)量時(shí)張角介于 3060時(shí)測(cè)量精度高且穩(wěn)定， 故測(cè)量的樹高的實(shí)際適用范圍 052 m。為提高測(cè)量精 度，測(cè)量人員距離立木與樹高的高度接近為宜。 3）多次測(cè)量可提高樹高測(cè)量精度。在可測(cè)范圍內(nèi)， 立木越高，相對(duì)誤差越低，測(cè)量精度越高（表 2） 。 圖 9 不同張角下樹高測(cè)量的真實(shí)值和測(cè)量值 Fig.9 Tree heights measuring values and real values of different angles 表 2 樹高計(jì)算結(jié)果誤差分析 Table 2 Measuring results and calculating results about height 序號(hào) Number 次數(shù) Times 真實(shí)值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值絕 對(duì)誤差 Averages absolute error/cm 平均值相 對(duì)誤差 Averages relative error/% 平均絕對(duì) 誤差 Mean absolute error/cm 平均相對(duì) 誤差 Average relative error/% 立木 4 Tree 4 20 218.00217.65-0.35 -0.16 3.43 1.57 立木 5 Tree 5 20 360.00359.66-0.34 -0.09 3.42 0.95 立木 6 Tree 6 20 1289.00 1287.28-1.72 -0.13 11.02 0.85 4.3 野外作業(yè)分析 4.3.1 試驗(yàn)地區(qū) 試驗(yàn)區(qū)域?yàn)檠討c松山國(guó)家森林自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目大樣地范圍之內(nèi)，地理坐標(biāo)東經(jīng) 1154344 1155022，北緯 40299403335。試驗(yàn)過(guò)程為驗(yàn)證 設(shè)備在外業(yè)中的可行性和穩(wěn)定性，所有測(cè)量數(shù)據(jù)均為單 次測(cè)量， 試驗(yàn)隨機(jī)選取了 215 株立木進(jìn)行胸徑測(cè)量和 101 株立木進(jìn)行樹高測(cè)量。 4.3.2 胸徑測(cè)量 胸徑測(cè)量中的真值通過(guò)測(cè)徑尺（測(cè)樹鋼圍尺，太平 洋牌，北京）和游標(biāo)卡尺進(jìn)行多次測(cè)量求取平均值獲得 （圖 10）。 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析， 215 株立木胸徑的測(cè)量結(jié)果的絕 對(duì)誤差范圍為1.71.2 cm，相對(duì)誤差范圍為9.1% 6.5%，平均相對(duì)誤差為 2.08%。 為驗(yàn)證胸徑測(cè)量的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)所測(cè)的 215 組數(shù)據(jù)進(jìn)行徑階劃分。徑階劃分的起測(cè)胸徑為 1.0 cm， 第 18 期 黃曉東等：自動(dòng)測(cè)量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測(cè)量精度分析 97 以 2 cm 為一徑階，將所測(cè)數(shù)據(jù)劃分為 A、B、C、D、E 共計(jì) 5 個(gè)徑階組。5 個(gè)徑階的誤差分析如表 3 所示。 圖 10 野外作業(yè)胸徑測(cè)量結(jié)果 Fig.10 Result of diameter at breast height from field measuring 表 3 胸徑按徑階的誤差分析 Table 3 Error analysis of diameter at breast height according to diameter grade 徑階 Grade 株數(shù) Numbers 平均絕對(duì)誤差 Mean absolute error/cm 平均相對(duì)誤差 Average relative error/% A 20 0.172 2.23 B 43 0.333 2.52 C 64 0.301 1.78 D 36 0.386 1.94 E 52 0.550 2.13 全部 All 215 0.369 2.08 注：A：10 徑階及以下，1.010.9 cm；B：1214 徑階，1114.9 cm；C： 1618 徑階，1518.9 cm；D：2022 徑階，1922.9 cm；E：24 徑階及 以上，23 cm 以上。 Note: A: less than 10 diameter grade, 1.0-10.9 cm; B: 12-14 diameter grade, 11-14.9 cm; C: 16-18 diameter grade, 15-18.9 cm; D: 20-22 diameter grade, 19-22.9 cm; E: More than 24 diameter grade, more than 23 cm. 4.3.3 樹高測(cè)量 樹高測(cè)量中的真值通過(guò)利用全站儀（NTS 340，南方 測(cè)繪儀器有限公司，中國(guó)）進(jìn)行多次測(cè)量求平均值獲得。 試驗(yàn)過(guò)程之中，由于部分可用微型超站儀測(cè)量的立木因 無(wú)法通過(guò)全站儀測(cè)算獲取真值，故試驗(yàn)過(guò)程之中所用的 101 組數(shù)據(jù)均為可用全站儀測(cè)量樹高真值的數(shù)據(jù) （圖 11） 。 圖 11 野外作業(yè)樹高測(cè)量結(jié)果 Fig.11 Result of tree height from field measuring 經(jīng)實(shí)地測(cè)量，利用布魯萊斯測(cè)高器、全站儀等儀器 所能測(cè)量樹高的立木，微型超站儀均可進(jìn)行測(cè)量。但對(duì) 于樹冠將樹頂處完全遮擋并且無(wú)法估測(cè)其大致位置的樹 高測(cè)量則無(wú)法通過(guò)直接樹高測(cè)量的功能測(cè)量獲得。 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析， 101 株立木的樹高的相對(duì)誤差范 圍為9.3%7.1%，平均相對(duì)誤差為 1.44%。 4.3.4 野外作業(yè)分析結(jié)論 經(jīng)過(guò)野外作業(yè)試驗(yàn)，對(duì) 215 株立木的胸徑和 101 株 立木的樹高進(jìn)行分析，胸徑和樹高的單次測(cè)量精度分別 為 97.92%和 98.56%，這與測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到的 98.74% 和 98.87%的測(cè)量精度較為吻合，同時(shí)，由于所有數(shù)據(jù)均 為單次測(cè)量，未對(duì)絕對(duì)誤差較大數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測(cè)量，而 使得野外作業(yè)數(shù)據(jù)的精度低于測(cè)試數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。但 野外作業(yè)單次測(cè)量的精度也滿足國(guó)家森林資源連續(xù)清查 中對(duì)胸徑和樹高測(cè)量精度的要求。 5 結(jié) 論 本文利用電荷藕合器件圖像傳感器、傾角傳感器、 激光測(cè)距傳感器，獲取圖像、傾角、距離參數(shù)?；趫D 像自動(dòng)識(shí)別原理、攝影測(cè)量原理、相似三角形幾何原理 和三角函數(shù)原理，由內(nèi)嵌程序，按照理論原理分析實(shí)現(xiàn) 胸徑和樹高的自動(dòng)解算。詳細(xì)闡述了利用微型超站儀進(jìn) 行胸徑測(cè)量和樹高測(cè)量的條件和作業(yè)方式，并通過(guò)實(shí)際 的野外作業(yè)驗(yàn)證， 胸徑單次測(cè)量的測(cè)量精度達(dá)到 97.92%， 樹高單次測(cè)量的測(cè)量精度達(dá)到 98.56%，符合國(guó)家森林資 源連續(xù)清查中的精度要求，該儀器可在林業(yè)調(diào)查中推廣 使用。 參 考 文 獻(xiàn) 1 孟憲宇. 測(cè)樹學(xué)M. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006：1013. 2 馮仲科，趙春江，聶玉藻，等. 精準(zhǔn)林業(yè)M. 北京：中國(guó) 林業(yè)出版社，2002：1030. 3 Marshall D D, Iles K, Bell J F. 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College of Geographical Sciences, Harbin Normal University, Harbin 150025, China) Abstract: Diameter at breast height and tree height are the foundations of evaluating site quality and trees growing situation. A portable mini multifunctional smart station has been developed based on the image automatic recognition theory, the photogrammetry theory, the similar triangles theory and the triangular function theory, which can measure the diameter at breast height and tree height. Simultaneously, this device integrates charge coupled device (CCD) image sensor with inclinometer, central processing unit, memory, liquid crystal screen, power supply and laser ranging sensor. After assembling the components, the station can be used to automatically measure the diameter and tree height accurately. It can be used to observe the plot after being mounted on the holder. During the measuring process, light spot needs to be aimed at the position of the diameter at breast height that is to be measured. The CCD sensor can automatically transform the light into electric charge signal and then into digital signal by the inner analog digital converter (ADC). After the hue correction and white balance processing by the digital signal processor, the digital signal is finally transformed into the visual image on the screen. When measuring, it can acquire 2 values, namely the inclination and the distance from the measuring point to the point needing measuring. Moreover, it can record and save the image information measured. The measurements of forest stand