盤點用便攜式苗木胸徑測量系統的開發研究

龔萍 張強

[摘 要] 本文設計一款基于Android系統開發的苗木胸徑測量系統。該系統以圖像處理、比目云后臺數據處理、MATLAB曲線擬合為核心，打破傳統測量原理，實現攝影測量。設備由手機支架和手機APP組成，設備輕巧，操作簡便。經實際檢驗，胸徑測量的相對誤差平均值為-2%～+2%，滿足綠色林業發展的要求。

[關鍵詞] 苗木胸徑；測量系統；圖像處理；數據處理；曲線擬合

[中圖分類號] S758.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2018）07-119-2

隨著“綠色經濟”概念的提出與落實，林木資源對于人類社會發展所起的作用越來越重要。實現苗木的精確統計與高效利用已成為我國的重點研究領域之一。苗木胸徑作為評價林木生長狀況的重要依據，可以有效判別苗木的生長情況[1]，因此，如何快速準確測量苗木胸徑已成為國內一大熱點問題。

傳統的苗木胸徑測量工具有卡尺、圍尺和鉤尺等，雖然被大部分苗圃所采用，但是，這些傳統工具在使用過程中一般需要兩人協作完成，耗費大量人力，而且測量過程中的讀數不準和登記失誤導致測量誤差較大?，F代化胸徑測量產品主要有芬蘭拋物線腕輪尺、畢特摩爾測杖、數字式測徑儀、測算立木直徑的數碼相機、融合激光和機器視覺的立木胸徑檢測方法、激光攝影測樹儀等[2-4]，但這些產品均需要精密昂貴的相機設備、適宜的溫度等諸多苛刻條件才能完成測量。

本文設計了便攜式苗木胸徑測量系統，旨在改善傳統林木測量技術，以減輕林業人員的工作強度，實現苗圃資源的智能化和便攜化，最終實現“智慧林業”與“精準林業”的宏偉藍圖。

1 設備介紹

本設備分為硬件和軟件部分。硬件主要有手機支架、激光和遮光筒，軟件由基于Java語言的手機APP組成[5]。設備輕巧簡便，便于林間行走。

1.1 硬件構造

手機支架用于固定手機，遮光筒內安置激光，使用時將激光打開，遮光筒有助于避開外界光線的干擾，減小測量誤差。筒長20 cm，用于標定距離，固定像素比例，使所采集的圖像的像素統一化、標準化。設備硬件結構如圖1所示。

1.2 軟件設計

軟件部分為名為“木測”的手機APP，其是對苗木盤點現狀進行測量設備的改進。首先從原理出發，改變傳統的直接測量，轉為攝影測量，用激光所射在樹干上的痕跡作為對象，經手機相機采集圖像后，由APP進行一鍵處理，最終將得到的苗木胸徑值上傳云平臺，完成測量和數據記錄。APP測量界面如圖2所示。

2 測量原理

2.1 原理分析

遮光筒抵住樹干，標定值固定20 cm。打開激光，提取激光打在樹干上的紅色通道，將圖片進行二值化處理，把大于某個臨界灰度值的像素灰度設為灰度極大值，把小于這個值的像素灰度設為灰度極小值，從而實現二值化。再計算二值化后的紅色通道像素點的橫坐標（以照片的長為縱軸，寬為橫軸），最左和最右端的像素點坐標x1、x2可以代替苗木胸徑的大小x。通過測量發現，變量b與實際苗木胸徑y存在函數關系，由MATLAB曲線擬合得到確定的函數關系式，從而得到胸徑值，擬合過程如圖3所示[6]。

2.2 誤差分析

目前得到的測量值的相對誤差為-2%～+2%，絕對誤差為-5～+5 mm。出現誤差的主要原因在于曲線擬合時的苗木胸徑采集。在采集數據時，采用傳統的尺子工具進行測量，雖然使用了科學讀數法，但不能避免測量工具所帶來的精度問題。本設計采用高精度儀器再進行曲線擬合數據采集，以提高精度、減小誤差。

參考文獻

[1]吳富楨.測樹學[M].北京：中國林業出版社，1992.

[2]曹孟磊.普通數碼相機獲取測樹信息研究[D].北京：北京林業大學，2013.

[3]Juujarvi J，Heikkonen J，Brandt S，et al. Digital-image-based tree measurement for forest inventory[C]//Proceedings of SPIE. The International Society for Optics and Photonics，1998：114-123.

[4]程朋樂，劉晉浩，王典.融合激光和機器視覺的立木胸徑檢測方法[J].農業機械學報，2013（11）：271-275.

[5]馮仲科，徐禎祥，杰林德·羅斯納爾.電子角規測樹儀及自動測樹方法：1570557[P].2005-01-26.

[6]樊仲謀，馮仲科，李亞東，等.基于雙目相機的森林樣地調查方法研究[J].農業機械學報，2015（5）：293-299.