林木直徑測量方法現(xiàn)狀與展望

林木直徑測量方法現(xiàn)狀與展望楊磊;徐偉恒;孔雷;趙曉峰;吳瑞旭【摘要】林木直徑是森林計測中的一項重要因子，同樣也是評價立地質(zhì)量和林木生長狀況的重要依據(jù).本文簡要闡述林木直徑測量方法在森林調(diào)查和森林計測中的應(yīng)用以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并充分探討了樹木直徑測量方法所代表的測量儀器的原理、結(jié)構(gòu)和測量誤差.同時也對各種測量方法各自的優(yōu)缺點進行了比較.從而為森林調(diào)查和森林計測中能更精確、更有效的測量林木直徑提供理論參考.【期刊名稱】《四川林業(yè)科技》【年(卷)，期】2018(039)002【總頁數(shù)】6頁(P65-70)【關(guān)鍵詞】林木直徑;森林計測;測量方法【作者】楊磊;徐偉恒;孔雷;趙曉峰;吳瑞旭【作者單位】西南林業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，云南昆明650224;西南林業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院，云南昆明650224;國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，云南昆明650224;西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，云南昆明650224;西南林業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院,云南昆明650224【正文語種】中文【中圖分類】S758.7森林因子計測中，樹木直徑容易測量，測值穩(wěn)定，測量誤差小，是構(gòu)建單木和林分蓄積估算模型的經(jīng)典優(yōu)良指標(biāo)，特別是距根部1.3m處直徑(即胸徑)[1]。在林業(yè)領(lǐng)域中準(zhǔn)確獲取樹木直徑這一重要因子具有關(guān)鍵意義。本文對林木直徑測量的非接觸性和接觸性測量方法進行討論，主要是從圍測、卡測和瞄測3種測量方法以及相對應(yīng)測量儀器的優(yōu)缺點充分討論，從各類儀器的功能、結(jié)構(gòu)、原理、成本和誤差等方面進行比較。根據(jù)測量儀器及其測量方法的不同，結(jié)合測量精度得出一種更適合未來林木直徑計測的方法。通過對現(xiàn)有的3種林木直徑測量方法以及相應(yīng)的測量儀器進行全方位的比較，將更適合的測量方法運用在未來林木直徑測量儀器研發(fā)和森林資源調(diào)查工作中，以期為林業(yè)工作者在具體工作中提供參考。1接觸性圍測1.1圍測儀器的結(jié)構(gòu)原理卷尺的結(jié)構(gòu)是由尺身、卷軸和卷條組成，在卷尺的中心依靠卷軸將具有彎曲性的尺身進行卷曲收縮，卷條在卷尺的收縮性上起到很大的作用，該類儀器由于做工和自身結(jié)構(gòu)簡易，故成本很低，現(xiàn)有的圍尺市場價格均在幾元到十幾元不等。圍測類儀器測量原理如圖1所示，卷尺具有一定的寬度，設(shè)定卷尺寬度為L，實測周長為C0，理論周長為C，實測直徑為D0，理論直徑為D。根據(jù)公式(1)計算出測量直徑真實值。(1)圖1直徑測量原理示意圖Fig.1Schematicdiagramofthediametermeasurementprinciple1.2圍測儀器的測量方法圍測是利用測量儀器圍繞林木直徑處進行測量。圍測類儀器圍繞樹干一周，根據(jù)圓的周長和直徑關(guān)系式(2)換算直徑，d=L/n(2)式中，d表示林木直徑；L表示拉繩傳感器所截樹干截面的周長。1.3圍測儀器的測量誤差圍測儀器的誤差來源第一是柔性尺面的寬度的大小影響測量的系統(tǒng)誤差。第二是圍尺測量的長度的大小影響測量的系統(tǒng)誤差。圍測儀器胸徑測量功能誤差主要是由卷尺寬度和實測周長誤差引起的，根據(jù)圍測類胸徑測量式(3)，求全微分可得式(4)，根據(jù)誤差傳播定理可得式(5)。(3)(4)(5)式中：dD、dL和dC0分別是圍測類儀器測量樹木的胸徑D，卷尺寬度L和實測周長C0的導(dǎo)數(shù)；dD、dL和dC0分別是圍測類儀器測量樹木的胸徑D，卷尺寬度L和實測周長C0的誤差。2接觸性卡測2.1卡測儀器的結(jié)構(gòu)原理卡測類測量儀器主要以卡尺為主要代表，卡尺由固定腳、滑動腳和尺身3部分組成，固定腳和滑動腳可以直接將卡尺固定在林木胸徑處，在固定腳和滑動腳的下方是內(nèi)側(cè)為零刻度的尺身。該類儀器由于做工簡單，構(gòu)成材料普通，所以儀器成本較低，以目前常用的卡尺為例，市場價格均在幾十元左右，價格便宜且能普遍接受。2.2卡測儀器的測量方法卡測是指利用測量工具卡住林木需測量直徑處進行測量?？y類儀器的測量方法是將固定腳固定在尺身一端，滑動腳沿著尺身滑動，根據(jù)滑動腳的定位在尺身上讀出所測樹木的直徑值［1］?？y需要在同一位置進行多次測量取平均值的方法得出測量值?？y類儀器做工簡單，它需要經(jīng)過多次測量同一待測點后取平均值得出結(jié)果，一定程度上影響了效率，同時也造成了誤差增大。2.3卡測儀器的測量誤差卡測儀器在一定程度上也會受到橫截面不規(guī)則林木的影響，但是可以通過多次測量求平均提高精度，獲得直徑值。該類儀器的誤差主要是由測量次數(shù)的多少而弓I起的，根據(jù)卡測類儀器測量原理式(6)(6)式中，d1、d2、d3、dn-1和和dn分別是測量n次林木直徑的值，n是測量次數(shù)，是n次測量的平均直徑值。從上式(6)可知，卡測類儀器的主要誤差在于測量次數(shù)n,n值越大則林木直徑測量平均值越接近理論值。3非接觸性瞄測3.1瞄測儀器的結(jié)構(gòu)原理瞄測類儀器主要分為直接瞄測和間接瞄測兩類，以電子經(jīng)緯儀與CCD相機、單片機和傳感器為主要組成元件的一類儀器。其中，電子經(jīng)緯儀和單CCD相機為主要元器件組成的測量儀器，在該類儀器中，在設(shè)計上配置高像素的單CCD相機是因為需要得到高質(zhì)量的林木照片，從而精確地進行圖像數(shù)據(jù)分析計算出林木直徑。單片機的運用在智能化測量儀器中普遍存在，單片機是一種具有高集成、高效率運算的電子模塊。傳感器也是電子類儀器中的一個重要器件，比如激光測距傳感器、傾角傳感器、圖像傳感器等，這些元件的設(shè)計應(yīng)用使得測量數(shù)據(jù)的過程顯得更為簡便，不需要人工參與測量例如距離、角度等一系列數(shù)據(jù)，而是直接將感應(yīng)數(shù)據(jù)參與單片機計算。數(shù)據(jù)記錄模塊的應(yīng)用也是智能儀器中的重要部分，F(xiàn)lash閃存卡是一種數(shù)據(jù)存儲器件，具有非易失性，在不通電的情況下也能長久保存數(shù)據(jù)，相當(dāng)于存硬盤的儲特性。這滿足了林業(yè)調(diào)查中存儲大量數(shù)據(jù)的需求，更有便于攜帶，運用簡易的特點。非接觸性測量原理指的就是在測量過程當(dāng)中不需要與被測林木有接觸的一類儀器。非接觸式主要有帶式和點式兩類，以超站儀和全站儀為代表的點式非接觸式測樹儀主要是以一定角度，瞄測樹干某一高度縱剖面的邊界，采集樹干直徑數(shù)值。以特快能測徑儀為代表的帶式非接觸式測樹儀以設(shè)定一定帶長，比照樹干某一高度樹干直徑長度，采集樹木直徑數(shù)值。圖2非接觸式胸徑測量原理示意圖Fig.2Schematicdiagramofnon-contactthoracicdiametermeasurement非接觸類測量儀器多由一些高精度的電子類元器件組成，例如單CCD相機、電子經(jīng)緯儀、超站儀和一系列傳感器等，由于這一類電子類元器件的做工精密、程序復(fù)雜等因素，故而使非接觸儀器的成本相對較高。現(xiàn)有的單CCD相機市場價格均在幾千元不等，而電子經(jīng)緯儀市場價格均在三千到五千不等，傳感器中以激光測距傳感器為例，市場價格均處于一千元左右。所以該類儀器成本相對較高且操作復(fù)雜，從而普及力度不是很大。S=L-cosp⑺式中：S是儀器中心到樹木中心的水平距離；L是儀器中心到樹木中心的斜距邙是S與L的垂直傾斜角。圖3非接觸式胸徑橫截面測量原理示意圖Fig.3Schematicdiagramofthecross-sectionmeasurementofnon-contactchestdiameterS=H+R(8)式中：H是儀器中心到樹木表面的水平距離；R是樹木水平橫截面半徑；a是儀器瞄測樹干兩邊的夾角。圖4非接觸式胸徑縱截面測量原理示意圖Fig.4Schematicdiagramofthemeasurementprincipleofnon-contactdiameterlongitudinalsection⑼式中：Z是儀器中心到樹木表面的斜距；D是樹木水平橫截面直徑。3.2瞄測儀器的測量方法非接觸性通常指的是現(xiàn)有的一些電子類儀器，在不接觸到林木樹干的情況下，或瞄或拍照的方法測量。通過直接瞄測樹干縱剖面邊界和比較樹干橫截長度，或者采用間接掃描拍照處理，獲取樹干直徑數(shù)值的方法。在這類儀器中，普遍常見的有超站儀、全站儀和CCD相機等。3.2.1非接觸性間接瞄測間接瞄測是指通過掃描拍照模塊將林木橫截面拍照后進行在處理，進而獲取樹干直徑數(shù)值的方法。以CCD相機為代表的間接瞄測類儀器，利用CCD相機對林木的圖像信息進行采集，然后經(jīng)過閾值分割、開運算、邊緣提取三個步驟處理后提取出林木胸徑的二維坐標(biāo)；再將采集其角度信息并轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、相機光心坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，得出三維坐標(biāo)，從而計算出林木胸徑［3］。3.2.2非接觸性直接瞄測直接瞄測是通過直接瞄測樹干縱剖面邊界和比較樹干橫截長度，獲取樹干直徑數(shù)值的方法。以全站儀為代表的瞄測儀器測量得出立木胸徑到全站儀中心的斜距，再將立木胸徑以上的樹干分成類似圓臺的n段，測量得出相應(yīng)各個位置的天頂距和水平角，從而計算出樹干各分段的直徑［10］。以超站儀為代表的直接瞄測儀器測量時，電荷耦合器件圖像傳感器將光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，再用自身的模?shù)轉(zhuǎn)換器將電荷信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過數(shù)字信號處理器進行白平衡、色彩校正等處理，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為圖像呈現(xiàn)在屏幕上［18］。然后將圖像進行灰度處理，確定分界點，并根據(jù)其像素坐標(biāo)值，計算出待測胸徑的像素值，再對圖像胸徑進行糾正即可算出待測木胸徑。3.3瞄測儀器的測量誤差瞄測測量功能誤差主要是由儀器中心到樹木表面的斜距、水平角和傾斜角誤差引起的，根據(jù)非接觸式胸徑測量式(10)，求全微分可得式(11)，根據(jù)誤差傳播定理可得式(12)。(10)(11)da/p2(12)式中，dD、dZ、d&和da分別是利用非接觸式胸徑測量樹木的胸徑D,儀器中心到樹木表面的斜距Z,S與L的垂直傾斜角P和儀器瞄測樹干兩邊的夾角a的導(dǎo)數(shù);dD、dZ、”和da分別是利用非接觸式胸徑測量樹木的胸徑D,儀器中心到樹木表面的斜距Z,S與L的垂直傾斜角P和儀器瞄測樹干兩邊的夾角a的誤差；p為常數(shù)，在角度單位為秒時，p=206265[4]。綜上分析比較，接觸式測徑類儀器在進行林木直徑測量時所產(chǎn)生的誤差是很小的，在實際測量中是可以忽略不計的；非接觸式測徑儀器，在受到橫截面不規(guī)則林木或者不通視因素的影響時，測量精度大大降低；通過比較儀器的測量誤差，圍測類儀器精度最高，其次是卡測類，精度最低的瞄測類。4幾種測量方法的優(yōu)缺點比較本文主要論述的是接觸性儀器測量方法和非接觸性儀器測量方法。接觸性測量方法通常指的是類似于卡測和圍測等接觸林木樹干的測量方法，文中針對圍測類和卡測類儀器進行了測量方法和儀器優(yōu)缺點比較；非接觸性通常指的是現(xiàn)有的一些電子類儀器，在不接觸到林木樹干的情況下，或瞄或拍照的方法測量，文中針對間接瞄測類和直接瞄測類儀器進行了測量方法和儀器優(yōu)缺點比較。綜合比較分析兩種測量方法的優(yōu)缺點，如表1所示。表1非接觸性與接觸性兩種測量方法優(yōu)缺點比較對照表測量方法方法簡述優(yōu)點成本缺點非接觸性測量圍測圍測是利用測量儀器圍繞林木直徑處進行測量。圍測類儀器圍繞樹干一周，根據(jù)圓的周長和直徑關(guān)系式換算直徑卡測卡測類儀器的測量方法是將固定腳固定在尺身一端,滑動腳沿著尺身滑動，根據(jù)滑動腳的定位在尺身上讀出所測樹木的直徑值圍測類儀器其做工簡單、操作方便和便于攜帶等優(yōu)點該類儀器由于做工和自身結(jié)構(gòu)簡易，故成本很低，現(xiàn)有的圍尺市場價格均在幾元到十幾元不等第一,是柔性尺面的寬度的大小影響測量的系統(tǒng)誤;第二是圍尺測量的長度的大小影響測量的系統(tǒng)誤差該類儀器由于做工簡單，故儀器成本較低，目前常用的卡尺市場價格均在幾十元左右需要經(jīng)過多次測量同一待測點后取平均值得出結(jié)果，一定程度上影響了效率，同時也造成了誤差增大接觸性測量間接瞄測間接瞄測是指通過掃描拍照模塊將林木橫截面拍照后進行在處理，進而獲取樹干直徑數(shù)值的方法直接瞄測直接瞄測是通過直接瞄測樹干縱剖面邊界和比較樹干橫截長度，獲取樹干直徑數(shù)值的方法第一，兩者都可以在不接近林木本身的情況下進行測量;其次,除對待測木進行拍照或瞄準(zhǔn)外的工作均由計算機和儀器自身完成，會減少人為誤差現(xiàn)有的單CCD相機市場價格均在幾千元不等;電子經(jīng)緯儀市場價格均在三千到五千不等;傳感器中以激光測距的市場價格均處于一千元左右。所以該類儀器成本相對較高第一，用CCD相機拍照工作量小，但后期對相片的處理工作操作復(fù)雜;第二，當(dāng)樹木胸徑的橫截面是不規(guī)則圓形和CCD相機非線性畸變時會造成較大誤差第一，做工復(fù)雜、操作復(fù)雜和不便于攜帶;第二如果瞄測點和待測林木之間的距離較遠或者是待測物是非通直的林木時人眼無法瞄準(zhǔn)林木進行測量，這將大大影響測量誤差和效率圍測儀器其做工簡單、操作方便、成本低和便于攜帶等優(yōu)點，使其具有廣泛的應(yīng)用。從測量方法與精度的角度來說，圍測類儀器有兩個缺點，第一，是柔性尺面的寬度的大小影響測量的系統(tǒng)誤差，柔性尺面的寬度越大，測量的系統(tǒng)誤差越大；反之系統(tǒng)誤差越小。第二，是圍尺測量的長度的大小影響測量的系統(tǒng)誤差，圍尺測量的長度越大，測量的系統(tǒng)誤差越大；反之系統(tǒng)誤差越小。卡測儀器和圍測類儀器類似，都具有做工簡單、操作方便、成本低和便于攜帶等優(yōu)點。卡測儀器需要在同一位置進行多次測量取平均值的方法得出測量值?？y儀器的缺點在于它需要經(jīng)過多次測量同一待測點后取平均值得出結(jié)果，一定程度上影響了效率，同時也造成了誤差增大。瞄測儀器在實際工作應(yīng)用不多，其做工復(fù)雜、操作復(fù)雜、成本相對較高和不便于攜帶的缺點是重要原因之一。同時，所有瞄測類儀器都有一個不可避免的缺點，就是瞄測時是通過人眼瞄準(zhǔn)林木，如果瞄測點和待測林木之間的距離較遠或者是待測物是非通直的林木時，人眼無法瞄準(zhǔn)林木進行測量，這將大大影響測量誤差和效率。當(dāng)然，如果待測林木屬于孤島林木的話，瞄測類儀器可以在不接近林木本身的情況下進行測量，這是卡測和圍測類儀器無法做到的。綜上分析比較，接觸式測徑類儀器在進行林木直徑測量時所產(chǎn)生的誤差是很小的，在實際測量中是可以忽略不計的；非接觸式測徑儀器，在受到橫截面不規(guī)則林木或者不通視因素的影響時，測量精度大大降低；通過比較儀器的測量誤差，圍測類儀器精度最高，其次是卡測類，精度最低的瞄測類。5小結(jié)通過對林木直徑在森林調(diào)查和森林計測中的應(yīng)用和意義以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行充分探討后，綜合考慮林木直徑測量方法所代表的測量儀器的原理、結(jié)構(gòu)和精確度等幾個方面因素，對現(xiàn)有林木直徑測量儀器進行比較。就測量方法而言，接觸性測量儀器具有做工簡單、便于攜帶、測量方法簡化和精度高等幾方面的優(yōu)點。但是這類產(chǎn)品同樣也存在比如像卡尺測量效率低、測量時可受到不規(guī)則林木的影響等一些問題；再者，如圍尺會受到自身尺身材質(zhì)的彈性、測量時尺身疊加后導(dǎo)致實際測量距離為長方形對角線等一系列問題的影響。針對這些不足和缺點，在今后的現(xiàn)代化林業(yè)工作中，在智能林業(yè)測量儀器生產(chǎn)中來改進的地方。比如，以現(xiàn)有的一些電子卷尺為例，在生產(chǎn)過程中可以盡量縮小其尺身寬度，使之測量時圍繞樹干后疊加范圍大大減小，從而提高圍測類測量儀器的精度。所以，在未來新型林業(yè)調(diào)查測量儀器的研究和研制中，要考慮和融入接觸類儀器的原理、方法和結(jié)構(gòu)，從而降低儀器的系統(tǒng)誤差，進而提高林業(yè)工作效率。就測量精度而言，接觸性儀器在實際操作過程中受到待測林木是否通直的影響小，精度也相對非接觸類儀器要高得多；以非接觸性為原理的一類儀器，做工復(fù)雜、測量方法繁瑣，在精度上較接觸性的儀器低很多，這主要體現(xiàn)在比如超站儀等瞄測類儀器存在人工瞄準(zhǔn)或者是待測林木為不規(guī)則林木時所會出現(xiàn)的較大誤差。所以，接觸類型的測量儀器才是能在林業(yè)調(diào)查中廣泛運用的儀器，同時也是可以在以后的林業(yè)調(diào)查儀器生產(chǎn)中融入的因素。參考文獻：孟憲宇.測樹學(xué)(3版)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2006.邙立剛.電子測經(jīng)儀的研制[J].林業(yè)資源管理,1997,(6):32~34.侯鑫新，譚月勝,錢樺,程朋樂.一種基于單CCD與經(jīng)緯儀的林木胸徑測量方法[J].計算機應(yīng)用研究,2014,31(4):1225~1228.張原琳，馮仲科,曹愛松,黃曉東.電子測樹一用于單木測量誤差分析研究[J].測繪通報,2015,(8):46~50.關(guān)炳福.關(guān)于森林資源連續(xù)清查工作中提高樣木胸徑測量精度的探討[J].內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查,2010,33(5):63~64.何美成.關(guān)于樹干削度方程[J].林業(yè)資源管理,1993,(5):42~50.馮仲科,徐偉恒,楊立巖.利用手持式超站測樹儀測量林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(6):213~217.鄢前飛.林業(yè)數(shù)字式測徑儀的研制[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2008,28(2):95~99.李曉慧,路元昌,袁彩霞，雷相東.六盤山林區(qū)林分直徑分布模型研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,27(4):68~72.于東海,馮仲科，曹忠,蔣君志偉.全站儀測量立木胸徑樹高及材積的誤差分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(17):160~167.馮仲科，景海濤,周科亮，吳鴻華.全站儀測算材積的原理及精度分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,25(3):60~62.陳金星,岳德鵬,馮仲科，丁家巍.手持式樹徑自動識別測樹儀的研制與應(yīng)用[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報,2016,33(4):589~598.鐘運寧.樹高胸徑關(guān)系的初探[J].熱帶林業(yè)科技,1987,(3):33~37.蘇乙奇.林木削度方程研究概述[J].林業(yè)科技情報,2008,40(2):22~23.[15]陶錫崗，矯德勝.利用角規(guī)測量立木上部直徑[J].山東林業(yè)科技,1973,(5):30-31.劉文欽.圍尺和輪尺間測量偏差的研究[J].吉林林業(yè)科技,1985,(2):17-21.陳金星，張茂震,趙平安,金雨菲.一種基于拉繩傳感器的林木直徑記錄儀[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2013,28(4):188-1