自動(dòng)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析.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)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析 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：胸徑和樹高測量是評價(jià)立地質(zhì)量和林木生長狀況的重要依據(jù)，該文以圖像自動(dòng)識(shí)別原理、攝影測量原理、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、激光測距傳感器、中央處理器、存儲(chǔ)器、液晶顯示屏，測量時(shí)可獲取測站點(diǎn)到待測點(diǎn) 的傾角和距離 2 個(gè)參數(shù)值，并記錄存儲(chǔ)測量時(shí)的圖像信息，通過儀器的嵌入式操作程序，實(shí)現(xiàn)胸徑的自動(dòng)測量、樹高測 量、任意處直徑自動(dòng)測量、基本測量等 4 項(xiàng)基本功能。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，215 株立木的單次胸徑測量的平均絕對誤差為 0.369 cm，平均相對誤差為 2.08%。101 株立木的單次樹高測量的平均相對誤差為 1.44%。胸徑測量精度達(dá)到 97.92%，樹 高測量精度達(dá)到 98.56%，符合國家森林資源連續(xù)清查中的測量精度要求。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；測量；胸徑；樹高 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 中圖分類號：S758.7; S24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2015)-18-0092-08 黃曉東，馮仲科，解明星，陳金星，劉金成. 自動(dòng)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析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 立木的直接測定因子及其派生因子統(tǒng)稱為基本測樹 因子，而胸徑和樹高是立木直接測定因子1。胸徑和樹高 的測量是評價(jià)立地質(zhì)量與林木生長狀況的重要依據(jù)2。測 量胸徑的儀器主要有輪尺、卡尺、直徑卷尺等，測量樹高 的儀器3-4主要有布魯萊斯測高器、超聲波測高器等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 得測量人員無法到達(dá)或者無法人工測量，為了克服外界 因素的影響，非接觸式的胸徑測量方式受到重視。 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)樹高材積的測量，并對其精度進(jìn)行驗(yàn)證分析。對于 野外作業(yè)而言，電子經(jīng)緯儀、全站儀11等測量儀器體積 收稿日期：2015-06-05 修訂日期：2015-08-10 基金項(xiàng)目： 國家自然基金面上項(xiàng)目 “普通數(shù)碼相機(jī)攝影提取森林經(jīng)營信息與 建模研究” （41371001） ；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“傾斜攝影、地面 LiDAR 和野外測繪裝備國產(chǎn)化” （2012BAH34B01） 作者簡介：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、 攝影測量方向研究。北京 北京林業(yè)大學(xué)測繪與 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)、測繪與 3S 技術(shù)集成研究。北京 北京林業(yè)大學(xué)測繪與 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)架站觀測非常困難，測 量時(shí)有明顯的局限性，而且儀器價(jià)格昂貴。因而需便攜、 高精度測量儀器來高效的實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高的測量。 中國是世界上的林業(yè)大國，國內(nèi)應(yīng)用的大部分高精 度和便攜式的森林計(jì)測設(shè)備主要從國外進(jìn)口，這些產(chǎn)品 不僅價(jià)格昂貴而且功能單一。 測樹儀器主要有瑞典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)中國林業(yè)信息化和智能化的發(fā)展 要求，科研工作者也對觀測儀器進(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)字式測徑儀14、林業(yè)數(shù)字 式測高測距儀15，主要利用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高測量； 北京林業(yè)大學(xué)測繪與3S 技術(shù)中心研制了電子測樹槍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 的方法。但國內(nèi)研制的儀器大部分存在精度較差、不易 攜帶、操作復(fù)雜等問題。在立木的直接測定因子的研究 上， 國內(nèi)主要針對胸徑的非接觸測量20-21和樹高22-23的精 確測量來開展的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。 隨著圖像處理問題研究的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng) 域給森林計(jì)測儀器的發(fā)展帶來了契機(jī)。針對上述情況， 本研究利用 CCD、傾角傳感器等，獲取測量時(shí)的圖像、 傾角和距離，基于圖像自動(dòng)識(shí)別、攝影測量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 直接測定因子，對各部件進(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)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析 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，南方測繪儀 器有限公司制造，中國）的硬件組成包括激光測距傳感 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。 通過對各部件進(jìn)行集成組裝，用于實(shí)現(xiàn)立木的直接測定 因子胸徑和樹高精確自動(dòng)測量。將其固定于支架之上可 進(jìn)行樣地的觀測。 1.顯示屏 2.中心點(diǎn) 3.傾角讀數(shù) 4.胸徑測量/樹高測量標(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量和胸徑的自動(dòng) 測量。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)林分平均高測量、樹干任意處 直徑測量、材積測量、株數(shù)密度測量和基本測量等功能。 儀器測量的距離范圍為 0.05120 m，有效反射距離 為 0.05100 m，最小顯示數(shù)值 0.001 m，測量精度為 1.5 mm。MEMS 傾角傳感器測量范圍90+90，有效 測量范圍75+75，測量精度 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 量時(shí)間 5 000 s，正常工作時(shí)間 5 h。 2 立木胸徑測量 2.1 測量原理 測量時(shí)需將激光測距儀的光點(diǎn)對準(zhǔn)待測立木的胸徑 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，并通過自身內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電荷轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號，數(shù)字信號再通過數(shù)字信號處理器（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。通過調(diào)整測量人員的位置使 得整個(gè)待測區(qū)域（立木胸徑）完整的呈現(xiàn)在屏幕內(nèi)。 在確定測量時(shí)儀器自動(dòng)記錄測量時(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)對應(yīng)的分界點(diǎn) （此步驟可通過人工微調(diào)進(jìn)行糾正，確保所識(shí)別區(qū)域?yàn)榇?測胸徑的邊緣）。根據(jù)分界點(diǎn)的像素坐標(biāo)值，計(jì)算出待 測胸徑所對應(yīng)的像素值 N。 測量時(shí)測量點(diǎn)位置距離待測胸徑距離 L 可通過激光 測距儀自動(dòng)記錄，CCD 的焦距 f 是固定的，通過 CCD 成 像原理（圖 2），待測胸徑的圖像解算值 RD的計(jì)算式為： / D RN Lf= （2） 式中：N 為待測胸徑像素值，pix；f 為 CCD 定焦焦距值， pix；L 為待測胸徑處與測量點(diǎn)之間的距離，m；RD為待 測胸徑的圖像值，m。 注：f 為 CCD 定焦焦距；D 為待測胸徑，cm；N 為待測胸徑對應(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 在單一位置對柱形物體進(jìn)行觀測時(shí)，光線所反射回 來的柱形物體的直徑是以觀測點(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為測量點(diǎn)，所測的 值 RD即為弦 AB 的長度。激光測距儀自動(dòng)讀取測量點(diǎn)與 待測胸徑處的距離 L。通過計(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為測量胸徑時(shí)的測量點(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 非接觸測量的胸徑測量方法和原理國內(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量的方法；曹忠 等30利用電子經(jīng)緯儀測量胸徑樹高及立木材積等。但絕 大多數(shù)并沒有提及胸徑位置是如何確定的，以及如何判 斷被觀測點(diǎn)就是距根頸 1.3 m 處的胸徑位置， 只是提出了 一種非接觸測量的方式，并沒有真正的在實(shí)際的調(diào)查工 作中實(shí)現(xiàn)非接觸測量。 為了能夠真正的在野外調(diào)查中實(shí)現(xiàn)非接觸測量的功 能，結(jié)合微型超站儀本身的優(yōu)勢，利用激光測距儀和 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)被測立木的根頸處位于觀測點(diǎn)所在水平面的上 方（圖 4a），即在觀測點(diǎn)將測距儀的光點(diǎn)對準(zhǔn)立木根頸 時(shí)傾角傳感器的傾角讀數(shù) 大于 0。 注：LS、L0分別為觀測點(diǎn)到待測立木的水平距離和到根頸處的距離，m； 和 分別為測量點(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)激光測距儀自動(dòng)記錄觀測點(diǎn)到根頸的距離為 L0，根頸點(diǎn)距離觀測點(diǎn)所在水平面的高程記為 H0，觀測 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)行測量自動(dòng)計(jì)算得出的數(shù)值即為胸徑，傾角 所對應(yīng)的值的計(jì)算公式為： 0 0 sin1.3 arctan cos L L + = （4） 式中：L0為觀測點(diǎn)到根頸處的距離，m； 為測量點(diǎn)到待 測立木根頸處的傾角，()； 為激光點(diǎn)對準(zhǔn)胸徑處時(shí)的傾 角讀數(shù)，()。 當(dāng)被測立木的根頸位于觀測點(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 徑處位于觀測點(diǎn)所在平面的上方和下方?jīng)Q定 的正負(fù)性， 但對求解公式無影響。 通過分析計(jì)算， 傾角 的計(jì)算式仍 為式（4）。 3 立木樹高測量 3.1 測量原理 樹高測量時(shí)主要利用的是激光測距儀的測距功能和 MEMS 傾角傳感器的測角功能，在進(jìn)行樹高測量時(shí)，首 先確定測量點(diǎn)的合適位置，確保整棵立木在視線范圍內(nèi) 無遮擋。然后依次對準(zhǔn)立木的樹干處、根頸處、樹頂處 進(jìn)行 3 次測量，分別記錄下測量點(diǎn)到樹干處的水平距離 LS，測量點(diǎn)到根頸處所形成的傾角 ，測量點(diǎn)到樹頂處所 形成的傾角 。 假設(shè)待測立木的根頸處于觀測點(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 為待測立木的高度，m；LS為測量點(diǎn)到待測立木 的水平距離， m； 為測量點(diǎn)到待測立木頂端的傾角， ()。 當(dāng)待測立木的根頸處于觀測點(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分別為觀測點(diǎn)到樹頂處的距離和到根頸處的距離，m； 為測量 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 樹高測量示意圖 Fig.5 Sketch map of measuring tree height 利用激光測距儀進(jìn)行 3 次測量時(shí)能同時(shí)記錄下測量 點(diǎn)到樹干處的水平距離 LS，測量點(diǎn)到立木的根頸處、樹 頂處兩點(diǎn)的距離 LG和 LD。 僅通過 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)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析 95 tan arccostan arccos SS S DG LL HL LL = （6） 式中：LD為測量點(diǎn)到待測立木頂端的距離，m；LG為測 量點(diǎn)到待測立木根頸處的距離， 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)行樹高測量的精度分析， 樹高 H 測算的精度受到測量點(diǎn)到待測立木的水平距離 LS 的測量誤差、測量點(diǎn)到待測立木頂端的傾角 的誤差和測 量點(diǎn)到待測立木根頸處的傾角 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。 只利用激光測距儀式 （6） 進(jìn)行樹高測量的精度分析， 樹高 H 的測算精度受到測量點(diǎn)到待測立木的水平距離 LS 的測量誤差、測量點(diǎn)到待測立木頂端的距離 LD的測量誤 差和測量點(diǎn)到待測立木根頸處的距離 LG的測量誤差的影 響，根據(jù)誤差傳播定律推導(dǎo)公式，對式（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)過程 本研究主要利用微型超站儀實(shí)現(xiàn)胸徑和樹高的測 量，試驗(yàn)操作過程如下：1）開機(jī)后按圖像鍵，選擇胸徑 測量或者樹高測量；2）胸徑測量（圖 6a），將激光點(diǎn)對 準(zhǔn)胸徑（圖 6b），點(diǎn)擊確定鍵后自動(dòng)顯示胸徑（圖 6c）。 3）樹高測量。先將激光點(diǎn)對準(zhǔn)立木，自動(dòng)記錄測點(diǎn) 到待測立木的水平距離（圖 7a），然后將光點(diǎn)對準(zhǔn)待測 立木根頸處，記錄測點(diǎn)到被測點(diǎn)的傾角和距離（圖 7b）， 最后將光點(diǎn)對準(zhǔn)待測立木梢頂處，記錄測點(diǎn)到被測點(diǎn)的 傾角和距離 （圖 7c） 。 此時(shí)， 儀器自動(dòng)解算樹高 （圖 7d） 。 a. 對準(zhǔn)立木 a. Alignment tree b. 對準(zhǔn)胸徑 b. Alignment diameter at breast height c. 自動(dòng)解算 c. Auto-calculation 圖 6 胸徑測量時(shí)儀器界面 Fig.6 Instrument interface of diameter at breast height measurement a. 測量平距 a. Measuring horizontal distance b. 測量根頸 b. Measuring root collar c. 測量梢頂 c. Measuring top of tree d. 自動(dòng)解算 d. Auto-calculation 圖 7 樹高測量時(shí)儀器界面 Fig.7 Instrument interface of tree height measurement 4.2 測試數(shù)據(jù) 4.2.1 胸徑測量功能 試驗(yàn)過程中針對 3 株胸徑為 7.5、12.3 和 14.5 cm 的 立木按照不同的測量距離分別進(jìn)行了 10、 25、 25 次測量， 測量時(shí)的距離范圍為 242 m。測量結(jié)果如圖 8 所示。 圖 8 不同測量距離下胸徑的測量值與真實(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 次胸徑測量的絕對誤差范圍 0.50.5 cm，平均絕對誤差 0.147 cm。相對誤差范圍 4.07%6.67%，平均相對誤差 1.26%。如圖 8 所示，當(dāng) 測量距離達(dá)到 20 m 之后， 曲線波動(dòng)較大， 誤差相對越大。 剔除測量距離超過 20 m 的 14 次測量數(shù)據(jù)之后，平均絕 對誤差 0.107 cm，平均相對誤差 0.9%。 由于 CCD 鏡頭視角的原因，測量不同胸徑的最短距 離也有要求，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，測量距離滿足： 0.125 int()1LD +（） （11） 式中：int( )為數(shù)值求整。 經(jīng)胸徑測量試驗(yàn)分析，針對胸徑測量功能得到以下 結(jié)論： 1）單次胸徑測量時(shí)，為提高測量精度，盡量使得測 量距離不超過 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)，最短測量距離大于 2.6 m；胸徑小于 40 cm 時(shí)，最短測量距離大于 5 m。對于立木胸徑測量功 能，最優(yōu)的測量距離應(yīng)介于 520 m 范圍之內(nèi)。 2）為提高測量精度可對胸徑進(jìn)行多次測量，胸徑越 大，相對誤差越低，測量精度越高（表 1）。 3）試驗(yàn)過程中，圖像解算時(shí)間 0.53 s，測量距離 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 Number 次數(shù) Times 真實(shí)值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值絕 對誤差 Averages absolute error/cm 平均值相 對誤差 Averages relative error/% 平均絕對 誤差 Mean absolute error/cm 平均相對 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 樹高測量功能 試驗(yàn)針對 3 株樹高為 2.18、3.6 和 12.89 m 的立木按 照不同的測量距離分別進(jìn)行了 20 次測量， 測量時(shí)張角 （到 頂梢的傾角減到根頸處的傾角）范圍在 1090，測量 結(jié)果如圖 9 所示。試驗(yàn)中，高為 2.18 和 3.6 m 的立木通 過用長直桿多次測量測得的平均值作為真值，高為 12.89 m 的立木通過全站儀多次測量測得的平均值作為 真值。 從試驗(yàn)結(jié)果中分析得到，60 次樹高測量的相對誤差 范圍2.57%3.58%，平均相對誤差 1.13%。 基于微型超站儀中激光測距傳感器的測量距離范圍 為 0.05120 m，有效反射距離為 0.05100 m，故樹高 測量時(shí)，測量距離不能超過 100 m?；跇涓邷y量的原理 分析，適用的樹高測量范圍滿足： 22 100 S HLh+ （12） 式中：h 為測量點(diǎn)相對地面高度，m。 經(jīng)樹高測量試驗(yàn)分析，針對樹高測量功能得到以下 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 30 m，故利用微型 超站儀測量時(shí)的測量距離不宜超過 30 m。在林地中，測 量的樹高理論適用范圍為 095 m。 2）測量時(shí)張角介于 3060時(shí)測量精度高且穩(wěn)定， 故測量的樹高的實(shí)際適用范圍 052 m。為提高測量精 度，測量人員距離立木與樹高的高度接近為宜。 3）多次測量可提高樹高測量精度。在可測范圍內(nèi)， 立木越高，相對誤差越低，測量精度越高（表 2） 。 圖 9 不同張角下樹高測量的真實(shí)值和測量值 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 Number 次數(shù) Times 真實(shí)值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值絕 對誤差 Averages absolute error/cm 平均值相 對誤差 Averages relative error/% 平均絕對 誤差 Mean absolute error/cm 平均相對 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松山國家森林自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng) 監(jiān)測項(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，所有測量數(shù)據(jù)均為單 次測量， 試驗(yàn)隨機(jī)選取了 215 株立木進(jìn)行胸徑測量和 101 株立木進(jìn)行樹高測量。 4.3.2 胸徑測量 胸徑測量中的真值通過測徑尺（測樹鋼圍尺，太平 洋牌，北京）和游標(biāo)卡尺進(jìn)行多次測量求取平均值獲得 （圖 10）。 通過試驗(yàn)結(jié)果分析， 215 株立木胸徑的測量結(jié)果的絕 對誤差范圍為1.71.2 cm，相對誤差范圍為9.1% 6.5%，平均相對誤差為 2.08%。 為驗(yàn)證胸徑測量的適用性和準(zhǔn)確性，對所測的 215 組數(shù)據(jù)進(jìn)行徑階劃分。徑階劃分的起測胸徑為 1.0 cm， 第 18 期 黃曉東等：自動(dòng)測量胸徑和樹高便攜設(shè)備的研制與測量精度分析 97 以 2 cm 為一徑階，將所測數(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 平均絕對誤差 Mean absolute error/cm 平均相對誤差 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 樹高測量 樹高測量中的真值通過利用全站儀（NTS 340，南方 測繪儀器有限公司，中國）進(jìn)行多次測量求平均值獲得。 試驗(yàn)過程之中，由于部分可用微型超站儀測量的立木因 無法通過全站儀測算獲取真值，故試驗(yàn)過程之中所用的 101 組數(shù)據(jù)均為可用全站儀測量樹高真值的數(shù)據(jù) （圖 11） 。 圖 11 野外作業(yè)樹高測量結(jié)果 Fig.11 Result of tree height from field measuring 經(jīng)實(shí)地測量，利用布魯萊斯測高器、全站儀等儀器 所能測量樹高的立木，微型超站儀均可進(jìn)行測量。但對 于樹冠將樹頂處完全遮擋并且無法估測其大致位置的樹 高測量則無法通過直接樹高測量的功能測量獲得。 通過試驗(yàn)結(jié)果分析， 101 株立木的樹高的相對誤差范 圍為9.3%7.1%，平均相對誤差為 1.44%。 4.3.4 野外作業(yè)分析結(jié)論 經(jīng)過野外作業(yè)試驗(yàn)，對 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量精度分別 為 97.92%和 98.56%，這與測試數(shù)據(jù)分析得到的 98.74% 和 98.87%的測量精度較為吻合，同時(shí)，由于所有數(shù)據(jù)均 為單次測量，未對絕對誤差較大數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測量，而 使得野外作業(yè)數(shù)據(jù)的精度低于測試數(shù)據(jù)的測量精度。但 野外作業(yè)單次測量的精度也滿足國家森林資源連續(xù)清查 中對胸徑和樹高測量精度的要求。 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) 行胸徑測量和樹高測量的條件和作業(yè)方式，并通過實(shí)際 的野外作業(yè)驗(yàn)證， 胸徑單次測量的測量精度達(dá)到 97.92%， 樹高單次測量的測量精度達(dá)到 98.56%，符合國家森林資 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. 測樹學(xué)M. 北京：中國林業(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 林業(yè)出版社，2002：1030. 3 Marshall D D, Iles K, Bell J F. Using a large-angle gauge to select trees for measurement in variable plot samplingJ. Canadian Journal of Forest Research, 2004, 34(4): 840845. 4 Alparslan A, Anthonie V L. Forest MensurationM. Netherlands: Springer, 2007: 78243. 5 閆飛. 森林資源調(diào)查技術(shù)與方法研究D. 北京：北京林業(yè) 大學(xué)，2014：1516. Yan Fei. Research of Technology and Method of Forest Resource InventoryD. Beijing: Beijing Forestry University, 2014: 1516. (in Chinese with English abstract) 6 關(guān)強(qiáng)，尹麗麗，李志鵬，等. 基于超聲測距的定高樹徑測 量儀的研究J. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(4)：2730. Guan Qiang, Yin Lili, Li Zhipeng, et al. Research of measuring instrument for tree diameter based on ultrasonic distance measurementJ. Journal of Northeast Forestry University, 2006, 34(4): 2730. (in Chinese with English abstract) 7 楊華，孟憲宇，劉燕，等. 單株立木圖像信息的提取與解 算J. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(1)：5154. Yang Hua, Meng Xianyu, Liu Yan, et al. Measurement and calculation methods of stem image informationJ. Journal of Beijing Forestry University, 2005, 27(1): 5154. (in Chinese with English abstract) 8 侯鑫新，譚月勝，錢樺，等. 一種基于單 CCD 與經(jīng)緯儀 的樹木胸徑測量方法J. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31(4)： 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（） 2015 年 98 12251228. Hou Xinxin, Tan Yuesheng, Qian Hua, et al. DBH measurement method based on tree images taken by single-CCD camera mounted on theodoliteJ. Application Research of Computers, 2014, 31(4): 1225 1228. (in Chinese with English abstract) 9 趙芳，馮仲科，高祥，等. 樹冠遮擋條件下全站儀測量樹 高及材積方法J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(2)：182190. Zhao Fang, Feng Zhongke, Gao Xiang, et al. Measure method of tree height and volume using total station under canopy cover conditionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(2): 182190. (in Chinese with English abstract) 10 李立存，張淑芬，邢艷秋. 全站儀和測高儀在樹高測定上 的比較分析J. 森林工程，2011(4)：3841. Li Licun, Zhang Shufen, Xin Yanqiu. Comparative analysis on tree height measured by total station and vertex IV altimeterJ. Forest Engineering, 2011(4): 38 41. (in Chinese with English abstract) 11 徐文兵， 湯孟平. 全站儀雙邊交會(huì)法測定樹木三維坐標(biāo)J. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27(6)：815820. Xu Wenbing, Tang Mengping. Trees 3D coordinates positioned by two-side intersection with total stationJ. Journal of Zhejiang Forestry College, 2010, 27(6): 815820. (in Chinese with English abstract) 12 Haglof S A B，Helgum S E. Electronic measuring tapeP. United States Patent:7451552B2, 2008-11-18. 13 Ltd. Nikon vision Co. forestry 550EB/OL. 2015-06-05. http:/WW W 14 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(bào)，2008，28(2)：9599. Yan Qianfei. Development of forestry digital measurer of diameterJ. Journal of Central Sounth University of Forestry 2. 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