望遠攝影測樹儀設(shè)計與試驗

邱梓軒 馮仲科 盧 婧 孫仁杰

(北京林業(yè)大學(xué)精準林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083)

引言

隨著森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的精準化要求越來越高[1]，對單木和林分的量化信息需求日益增長[2]，由此，形成了更多的林業(yè)數(shù)據(jù)獲取和分析的方法，產(chǎn)生了更多的森林精準經(jīng)營相關(guān)的儀器[3]。

3S技術(shù)作為林業(yè)監(jiān)測手段和方法，主要優(yōu)勢在其多元性、信息時效性以及成果共享性[4]；遙感和無人機等技術(shù)作為林業(yè)影像數(shù)據(jù)獲取方式，主要優(yōu)勢在其對森林資源影響數(shù)據(jù)實時動態(tài)獲取[5-7]；“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)新和應(yīng)用，促進了全球森林資源監(jiān)測技術(shù)水平的提高。但是，目前森林資源調(diào)查依然面臨著以下幾方面問題：①儀器設(shè)備和技術(shù)手段相對落后，市場上儀器價格昂貴且功能單一，遙感和無人機等技術(shù)僅能為小班區(qū)劃提供輔助信息[8-9]。②部分山區(qū)，由于調(diào)查難度大且不可到達的原因，森林資源信息未能進行調(diào)查數(shù)據(jù)及時更新[10-11]。③森林資源調(diào)查過程中，外業(yè)調(diào)查勞動強度大且效率低下，內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)多且費時費力[12]。

樊仲謀等[13]利用全站儀結(jié)合電子手薄測量樹冠面積，結(jié)合三維激光掃描儀對單木進行量測及模擬，獲得單木的材積；文獻[14-17]研發(fā)了3D電子角規(guī)，進行林分調(diào)查，利用測樹經(jīng)緯儀、測樹全站儀、測樹超站儀進行單木量測，并對精度進行分析。黃曉東等[18]研制可量測胸徑和樹高的多功能便攜式微型超站儀，實現(xiàn)樹高、胸徑的自動測量。徐偉恒等[19]研制了手持式數(shù)字化多功能電子測樹槍，實現(xiàn)了樹高測量、林分調(diào)查、樣地標定等功能。邱梓軒等[20]研制了便攜式智能森林測繪記算器，利用PDA、EDM、云臺以及安卓系統(tǒng)，具有樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測量、基本測量等5項功能，實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化。近些年，隨著便攜式測樹產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新，已經(jīng)基本解決了上述問題，但是，仍然面臨著溝壑、峭壁、陡坡等地勢險峻而難以調(diào)查、看得見而測不著等問題。

本文對森林調(diào)查進行需求分析，將遠程激光測距傳感器、傾角傳感器、電子羅盤、長焦CCD鏡頭精密集成，基于測樹學(xué)原理、圖像處理技術(shù)[21]及攝影測量學(xué)原理，由安卓系統(tǒng)內(nèi)嵌程序自動結(jié)算出單木樹高、胸徑及林分參數(shù)，形成便攜智能、非接觸測量的森林調(diào)查儀器——望遠攝影測樹儀，以期能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離(2 000 m內(nèi))遠程樹高測量、遠程胸徑測量、微樣地(6～9棵樹)林分測量等功能。

1 望遠攝影測樹儀構(gòu)成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

望遠攝影測樹儀的硬件包括PDA模塊(FAM5-PDA型，精準林業(yè)北京市重點實驗室制造，中國)、遠程EDM模塊(FAM5-EDM型，精準林業(yè)北京市重點實驗室制造，中國)、長焦鏡頭(焦距126 mm)和自主研發(fā)云臺，如圖1所示。PDA模塊是將CPU、RAM、ROM、GPU、觸控顯示屏、重力傳感器、陀螺儀、GPS芯片、藍牙芯片、WiFi芯片、電源等高度集成并設(shè)計鋁合金外殼，將3個部件高精度集成于云臺，并分別可拆卸、充電、更換，方便操作，如圖2所示。

圖1 望遠攝影測樹儀Fig.1 Forest telescope intelligent dendrometer1.望遠鏡部件 2.激光測距部件 3.望遠鏡調(diào)節(jié)鍵 4.激光測距調(diào)節(jié)鍵 5.1/4英制螺紋孔 6.鏡頭連接件 7.自主研發(fā)平板 8.平板緊固件

圖2 硬件總體框架Fig.2 Framework of hardware

PDA模塊中的CPU選用聯(lián)發(fā)科 Helio P10處理器，頻率1.8 GHz(大四核)，核心數(shù)8核，用于解釋指令和處理數(shù)據(jù)；GPU選用Mali-T860，處理位數(shù)64位，用于處理獲取圖像信息；RAM選用LPDDR3內(nèi)存架構(gòu)，容量2 GB，最高頻率2 133 MHz；ROM選用C8051F410 片內(nèi)閃存設(shè)計，16 GB，最高持續(xù)速度80 m/s，速度級別Class 10；CCD鏡頭選用長焦定焦光學(xué)鏡頭，定焦126 mm，1 300萬像素，用于獲取圖像信息；重力傳感器采用三軸加速傳感器LIS331DLH ，用于測量望遠攝影測樹儀和測點間的傾斜角；陀螺儀采用集成電路芯片GY-26，用于測量望遠攝影測樹儀到測點的磁方位角；GPS芯片用于接收GPS信號，藍牙芯片用于接受遠程EDM模塊所測得的數(shù)據(jù)，WiFi芯片用于傳輸圖像信息及連接網(wǎng)絡(luò)；電源采用集成電路TPS61020 ，用于向各器件供電。

1.2 軟件設(shè)計

在Android Studio 2.1開發(fā)環(huán)境下集成，利用Java語言進行匯編實現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲到輕型的SQLite數(shù)據(jù)庫中，PDA使用基于Linux核心的Android安卓系統(tǒng)平臺。軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對應(yīng)相應(yīng)功能，有樹高測量模塊、胸徑測量模塊、微樣地林分測量模塊、基本測量模塊，最終匯總為森林調(diào)查軟件。如圖3a所示，為森林調(diào)查軟件主程序流程圖，主程序主要包括初始化界面以及功能選擇，用戶可以通過選擇進入不同功能模塊。如圖3b～3d所示，為3項功能模塊的程序流程圖，樹高、胸徑、林分平均高、林分平均胸徑、林分密度、林分蓄積量等主要測量參數(shù)以及圖像信息、傾角、斜距、磁方位角等輔助測量參數(shù)均能實時顯示，獲取的數(shù)據(jù)會以文件形式保存在內(nèi)存中，可以用micro USB導(dǎo)出。

圖3 主程序和3個功能模塊流程圖Fig.3 Flow charts of main program and three function modules

1.3 功能參數(shù)

望遠攝影測樹儀功能包括遠程樹高測量、遠程胸徑測量、微樣地林分測量、基本測量4項功能。距離測量，在使用覘板條件下，測量距離范圍為5～2 000 m，測量精度為±0.3 m(400 m以內(nèi))/±1 m(400 m以上)，最小顯示單位為0.1 mm；傾角測量范圍為-55°～55°，測量精度為2°。方位角測量范圍為0～360°，測量精度為2°。操作系統(tǒng)為Android 4.2.2，CPU為1.8 GHz八核處理器，內(nèi)存2 G RAM，儲存16 G ROM。GNSS指標，接收機為GPS L1、L2，GLONASS L1、L2，BDS B1、B2(B3可選)，支持SBAS、CORS等多種差分改正，單點定位為4 m，SBAS精度小于2 m，外部源差分小于0.1 m(CEP)。PDA尺寸為153.6 mm×75.5 mm×8.2 mm，其電池連續(xù)工作時間為12 h，EDM尺寸為125 mm×77 mm×45 mm，其電池連續(xù)工作時間為5 h，望遠攝影測樹儀的工作環(huán)境溫度為-20～50℃。

2 測量原理

2.1 遠程樹高測量

樹高測量原理比較簡單，主要為相似三角形和三角函數(shù)2種[1]。本儀器利用三角函數(shù)原理，樹高測量方法如圖4所示。調(diào)整測點位置A，確保測點和目標木之間無明顯遮擋，將儀器對準樹木根徑處點B，測得斜距L1和天頂距α1；瞄準樹梢頂點C，測得天頂距α2，計算樹高為

(1)

式中H——立木高度，m

L1——測站點到樹根的斜距，m

α1——對準樹根時的天頂距，(°)

α2——對準樹梢時的天頂距，(°)

樹高能實時顯示并自動存儲。

圖4 遠程樹高測量原理圖Fig.4 Principle diagram of tree height telemetering

2.2 遠程胸徑測量

胸徑測量工具種類繁多，常用的有輪尺、直徑卷尺、鉤尺等[1]。本儀器屬于非接觸式測量，測量結(jié)果為輪尺測量結(jié)果，胸徑測量方法如圖5所示。將儀器屏幕中十字絲瞄準樹干根徑處點B，測得斜距L1和天頂距α1；不斷調(diào)整儀器傾角，當樹高為1.3 m左右時，即確定此處為胸徑，測得站點到胸徑距離L；已檢校CCD定焦鏡頭焦距為f，將屏幕中十字絲瞄準樹干中心，獲取樹干影像信息，根據(jù)CCD鏡頭成像原理為

(2)

式中N——屏幕內(nèi)所測圖像像素數(shù)

測得胸徑D，胸徑能自動顯示和儲存。

圖5 CCD鏡頭成像原理示意圖Fig.5 Principle sketch of CCD-based imaging

2.3 微樣地林分測量

微樣地調(diào)查方法同角規(guī)樣地調(diào)查一樣屬于點抽樣方法，充分考慮林木生長發(fā)育過程中對營養(yǎng)利用和生態(tài)空間分布的特點，將林分模擬成中心木及鄰近木構(gòu)成的微圓樣地，它比正方形、長方形樣地更接近于實際情況。

圖6 微樣地林分測量界面Fig.6 Interface of micro-sample plot measurement

微樣地林分測量樣本數(shù)量為6～9棵，在不可到達區(qū)域內(nèi)確定一棵中心木，再在有利地勢確定和中心木之間保持通視的2個觀測點，要盡量保證能夠觀測到中心木及鄰近木信息。利用本儀器測量并記錄立木樹種、立木距離Li、立木方位角αi、立木的樹高Hi、胸徑Di，自動解算林分平均胸徑、林分平均高、林分密度、林分蓄積量等信息，并隨著測量信息在屏幕上實時更新，測量結(jié)束可儲存并導(dǎo)出，如圖6為微樣地林分測量界面，其主要原理如下：

(3)

式中Hi——第i棵樹的樹高，m

n——立木株數(shù)，棵

(4)

式中Di——第i棵樹的胸徑，cm

k——距中心木最遠的立木編號

Dk——距中心木最遠立木的胸徑，cm

(3)林分密度測量由株數(shù)和樣圓面積之比計算，總株數(shù)由位置權(quán)重計算，樣圓以中心木到最遠鄰近木距離為半徑，因此，林分密度Nd(株/公頃)的計算公式為

(5)

式中Lk——中心木到第k棵立木的距離，m

(4)林分蓄積量以改進后的平均實驗形數(shù)法計算，胸高斷面積以位置權(quán)重計算，因此，林分蓄積量M(m3/hm2)的計算公式為

(6)

式中fj——導(dǎo)出形數(shù)[21](按六大區(qū)域分類，又分為針葉樹種、闊葉樹種、混交林3類)

Rk——中心木到最遠立木的距離，m

3 結(jié)果與分析

3.1 遠程樹高和胸徑測量試驗

為驗證望遠攝影測樹儀的樹高和胸徑測量功能及測量精度，在試驗基地林地展開試驗。在林區(qū)選取立地條件不同樣地對望遠攝影測樹儀的樹高測量功能和胸徑測量功能進行試驗，選用南方測繪NTS-382R6型全站儀進行樹高測量試驗，在兩個方向不同觀測點對每棵樹進行2次觀測，選用胸徑尺進行胸徑測量試驗。以NTS-382R6型全站儀和胸徑尺所測數(shù)據(jù)為基準值與望遠攝影測樹儀測量數(shù)據(jù)進行比較，計算相對誤差為

(7)

如表1所示，為樹高和胸徑測量相對誤差，在50組測量試驗數(shù)據(jù)中，樹高相對誤差范圍集中在1.50%～9.13%之間，胸徑相對誤差范圍集中在1.59%～6.61%之間，基本符合林業(yè)調(diào)查精度要求。

表1 樹高和胸徑測量相對誤差Tab.1 Relative error of tree height and DBH measurements

3.2 微樣地林分測量試驗

為驗證望遠攝影測樹儀的微樣地林分測量功能及測量精度，在試驗基地林地選取10塊樣地，樣地間距保持0.5 km距離，樣地主要樹種為槐樹和楊樹，分布均勻，生長狀況良好。其中，1053樣地測量株數(shù)為6棵，1081、1048、1079、1093樣地測量株數(shù)為7棵，1149、1062、1046樣地測量株數(shù)為8棵，1032、253樣地測量株數(shù)為9棵。

微樣地測量試驗是將望遠攝影測樹儀測量的林分平均高度、林分平均胸徑、林分密度、林分蓄積量與標準圓形樣地每木檢尺測量林分參數(shù)作比較，以標準樣地每木檢尺測量值作為基準值。從表2可以看出，在10組樣地測量中，林分平均高度平均相對誤差為5.53%，林分平均胸徑平均相對誤差為8.32%，林分密度平均相對誤差為13.96%，林分蓄積量平均相對誤差為17.36%，微樣地林分測量每塊樣地僅包含6～9棵樹，因此，相對角規(guī)樣地測量來說精度偏低，但是，屬于非接觸式測量方式，解決了不可到達點觀測難度高、看得見測不到等問題。

表2 微樣地林分測量相對誤差Tab.2 Relative error of micro-sample ground measurement

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種望遠攝影測樹儀。望遠攝影測樹儀由PDA模塊、遠程EDM模塊、長焦CCD鏡頭模塊和云臺高密度集成于一體，基于攝影測量學(xué)原理、圖像處理技術(shù)原理、測樹學(xué)原理，由內(nèi)嵌遠程樹高測量模塊、遠程胸徑測量模塊、微樣地林分測量模塊、基本測量模塊模塊化程序，實現(xiàn)樹高測量、胸徑測量、微樣地林分測量等功能。詳細闡述了樹高測量、胸徑測量、微樣地林分測量等基本功能的原理和作業(yè)方式，并通過實際外業(yè)試驗驗證，得到樹高測量精度達93.32%，胸徑測量精度達96.49%，林分平均高度測量精度達94.47%，林分平均胸徑測量精度達91.68%，林分密度測量精度達86.04%，林分蓄積量測量精度達82.64%，解決了不可到達點觀測難度高、看得見測不到等問題。

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