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森林智能测绘记算器的研制与试验_邱梓轩

网络出版时间：2017-02-20 09:03:15

网络出版地址：https://www.wendangku.net/doc/8d7213729.html,/kcms/detail/11.1964.s.20170220.0903.122.html

农业机械学报

森林智能测绘记算器的研制与试验

邱梓轩冯仲科蒋君志伟范永祥

（北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京100083）

摘要：森林调查主要包括单木胸径、单木树高、单木材积、林分平均胸径、林分平均高、林分密度、林分蓄积量

等，该文以摄影测量学原理、图像处理技术原理、测树学原理为理论基础，研制了森林智能测绘记算器，该设备

由自主研发的PDA模块、EDM模块和自主研发的云台组成，测量时获取倾角、方位角、距离及图像信息等参数，

通过在Android Studio 2.1开发环境下集成并利用Java语言进行汇编的4个模块化程序，实现树高测量、胸径测量、

三元材积解算、3D角规样地测量、基本测量等5项功能。通过试验验证，树高测量精度达97.13%，胸径测量精

度达97.08%，材积测量精度达94.52%，林分平均高测量精度达98.09%，林分平均胸径测量精度达98.05%，林分

密度测量精度达96.59%，林分蓄积量测量精度达95.72%，符合国家森林资源连续清查的精度要求，该装备可以

在林业调查中推广使用。

关键词：森林调查;林业装备;安卓开发;树高;胸径;林分参数

中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：××

Topic of Intended Thesis

QIUZixuanFENG ZhongkeJIANG JunzhiweiFANYongxiang

(Precision Forestry Key Laboratory of Beijing，Beijing Forestry University, Beijing 100083，China) Abstract: Forest resources inventory includes individual tree DBH（diameter at breast height）,

individual tree height, individual tree volume, stand average DBH, stand average height, stand density,

stand volume, etc. In this paper, the theoretical basis was based upon the principle of photogrammetry,

image-processing technology and forest measurement, and we developed the forest intelligent

dendrometer composed of our own R&D PDA module, EDM module and rotational station. There were

4 modular procedures compiled in the Java language and developed in Android Studio 2.1 systems

development environment, and 5 measure functions, such as tree height, DBH, three-element volume

calculation, 3D angle gauge plot and basic measurement, will be implemented by getting dip angle,

azimuth, distance, image information and other parameters. Validated by experiments, the measuring

accuracy of tree height was as high as 97.13%, DBH was 97.08%, volume was 94.52%, stand average

height was 98.09%, stand average DBH was 98.05%,stand density was 96.59%, and stand volume

measurement accuracy was 95.72%. So the equipment was in line with the accuracy requirement of

national forest inventory (NFI), which can be promoted to use in the forestry inventory.

Key words:forest resources inventory; forestry equipment; Android development; tree height;

diameter at breast height; stand parameters

收稿日期：2016-01-01 修回日期：2016-06-06

基金项目:国家自然科学基金项目（41371001）

作者简介：邱梓轩（1991-），男，博士生，主要从事林业装备信息化研究，E-mail：baronq@https://www.wendangku.net/doc/8d7213729.html,

通信作者：冯仲科（1962-），男，教授，博士生导师，主要从事林业装备信息化研究，E-mail：fengzhongke@https://www.wendangku.net/doc/8d7213729.html,

农业机械学报

引言

树木的直接测定因子及其派生因子统称为基本测树因子，例如：树干直径、树高等，另外，在直接测定因子基础上会派生一些测树因子，例如：树干横截面积、树干材积等[1]。森林观测内容主要包括单木胸径、单木树高、林分平均胸径、林分平均高、林分蓄积量、林分密

度等[2]。

由于林中地形复杂多变且林分环境阴暗潮湿，森林资源调查面临着许多问题，为测量装备的使用带来了新的挑战，因此研发出一系列便于在森林中使用的地面测量仪器对林业生

产实践工作具有现实意义[3]。

随着信息智能化时代来临，利用更加集成化、智能化、精准化的森林植被观测装备成为

了森林资源调查的主流[4]。

各类测树仪器的进步都伴随着科学技术的发展和测树原理的改进及

完善过程[5]。

林业调查主要用皮尺测量水平距或者斜距，皮尺测量精度不高且效率低下，激光测距仪[6-13]很好的解决了这一难题，例如：纽康激光测距仪、尼康激光测距仪[14]。传统的测树仪器功能单一，只包含测高、测径、测距等，国内外逐步生产了一批多功能测树仪器，例如：巴尔斯特劳测树仪、光学测树仪、电子角规测树仪、森林罗盘仪[15]。北京林业大学利用全站仪结合电子手簿 PC- E500对树冠进行精准监测，并利用三维激光扫描仪对单木进行了精准测量，进而模拟冠形、提取树冠体积和表面积，以精确计算单木的森林生物量[16]。冯仲科等研发了3D 电子角规，利用测树电子经纬仪[17-21]、测树全站仪[22-24]、测树超站仪[25-26]进行森林计测，并对其精度进行了分析。黄晓东等[27]研制了可测量胸径和树高的多功能便携式微型超站仪，实现树高、胸径自动测量。徐伟恒等[28]研制了手持式数字化多功能电子测树枪，实现了树高测量、任意处直径测量等。目前，国内研制的仪器虽然解决了功能单一、便携性差、操作复杂等问题，但是，仍然存在系统落后、成本昂贵、精度较差等问题。

随着智能手机和平板电脑性能的提升，内置传感器功能的完善，结合图像处理技术和摄影测量学，为森林计测向智能化、精准化、便携化发展提供了方向。针对上述情况，本研究结合森林计测实际需求，利用激光测距传感器、倾角传感器、电子罗盘、CCD 镜头，基于测树学原理及摄影测量学原理，由安卓系统内嵌程序自动解算出树高、胸径、材积以及林分参数，

将各元器件精密集成，形成快速、便携、智能

的森林调查仪器—森林智能测绘记算器，能够实现树高测量、胸径测量、三元材积解算、遮挡条件下树高测量、角规样地测量等功能。

1 森林智能测绘记算器构成

1.1 硬件结构

森林智能测绘计算器的硬件组成包括PDA （Personal digital assistant ）模块（FAM 5-PDA 型，精准林业北京市重点实验室制造，中国）、EDM （Electronic distance measurement ）模块（PD510S 型，南方测绘仪器有限公司制造，中国）和自主研发云台，如图1所示。PDA 模块是将CPU （Central processing unit ）、RAM （Random access memory ）、ROM （Read only memory image ）、GPU （Graphics processing unit ）、触控显示屏、CCD 镜头、重力传感器、陀螺仪、GPS （Global positioning system ）芯片、蓝牙芯片、wifi 芯片、电源等高度集成并设计铝合金外壳，根据人体工程学设计，将两个部件高密度、高可靠集成于云台，并分别可拆卸、充电、更换，方便操作，如图2所示。

图1 森林智能测绘记算器示意图

Fig.1Schematic ofForest IntelligentDendrometer

图2 硬件总体框架

Fig.2Framework of hardware

PDA

模块中的CPU 选用联发科Helio P10处理器，频率1.8GHz （大四核），核心数8核，用于解释指令和处理数据；GPU 选用Mali-T860，处理位数64位，用于处理获取图像信息；RAM 选用LPDDR3内存架构，容量2GB ，最高频率2133MHz ；ROM 选用C8051F410 片内闪存设计，16GB ，最高持续速度80m/s ，速度级别Class 10；CCD 镜头选用定焦光学镜头，定焦4mm ，1300万像素，LED 补光灯，光圈f/2.2，用于获取图像信息；重力传感器采用三轴加速传感器LIS331DLH ，用于测量测绘记算器和测点间的倾斜角；陀螺仪采用集成电路芯片GY-26，用于测量测绘记算器到测点的磁方位角；GPS 芯片用于接收GPS 信号，蓝牙芯片用于接受EDM 模块所测得的数据，wifi 芯片用于传输图像信息及连接网络；电源采用集成电路TPS61020 ，用于向各器件供电。 1.2 软件设计

在Android Studio 2.1开发环境下集成，利用Java 语言进行汇编实现，将数据存储到轻型的SQLite 数据库中，PDA 使用基于Linux 核心的Android 安卓系统平台。软件部分采用模块化结构设计，对应相应功能，有树高测量模块、胸径测量模块、三元材积解算模块、3D 角规样地测量模块，最终汇总为森林调查软件。如图3a 所示，为森林调查软件主程序流程图，主程序主要包括初始化界面以及功能选择，用户可以通过选择进入不同功能模块。如图3b ～3e 所示，为4项功能模块的程序流程图，树高、胸径、材积、林分平均高、林分平均胸径、林分密度、林分蓄积量等主要测量参数以及图像信息、倾角、斜距、磁方位角、角规系数等辅助测量参数均能实时显示，获取的数据会以文件形式保存在内存中，可以用micro USB 导出。

a .主程序

b .树高测量程序

c .胸径测量程序

d .三元材积解算程序

e .3D 角规样地测量程序

图3主程序和4个功能模块流程图

Fig.3Flow chart of main programand4 flows of

function modules

1.3 功能参数

森林智能测绘记算器的功能包括树高测量、胸径测量、三元材积解算、3D 角规样地测量、基本测量5项功能。距离测量，在使用觇板条件下，测量距离为0.1 ～200 m ，测量精度为±1.5 mm ，最小显示单位为0.1mm ，激光等级为II 级，激光类型635 纳米，小于1 毫瓦；倾角测量范围为 75°～75°，测量精度为1°。方位角测量范围为0～360°，测量精度为1°。操作系统为Android 4.2.2，CPU 为1.8GHz 八核处理器，内存2G RAM ，储存16G ROM 。GNSS 指标，接收机为GPS L1、L2、GLONASS L1、

L2、BDS B1、B2，（B3可选），支持SBAS 、CORS 等多种差分改正，单点定位为2m ，SBAS 精度小于1米，外部源差分小于0.1米（CEP ），后精度差分2cm+10 。PDA 尺寸为153.6mm×75.5mm×8.2mm ，其电池连续工作时间为8h ，EDM 尺寸为137mm×52mm×28mm ，其电池连续工作时间为5h ，云台为160mm×78mm×150mm ，测绘记算器的工作环境温度为-20～50℃。

2 森林智能测绘记算器测量原理

2.1 树高测量

树高测量具体步骤如图4所示：1）确定测点合适位置A 点，保证测点和立木之间无遮挡且距离尽量等于树高H ；2）对准树木根径处点B ，点击测距键进行测量，点击屏幕左上角“0.000”进行距离更新，点击“确定”测得斜

距L 1和倾角α1；3）点击屏幕“下一步”

，对准树梢顶点C ，再点击“完成”，测得倾角α2后，根据式（1）计算出树高H ，树高H 能自动显示和储存，点击“结果”可以查看，图5为树高测量界面。

图4 树高测量原理图

Fig.4 Principlediagram of tree height measurement

图5 树高测量界面

Fig.5Interface of tree height measurement

图4中测站点A 在根径下方，测得的α1

为正值，若测站点A 在根径上方，测得的α1为负值，同理，测站点A 在树梢上方，测得的α2为负值，若测站点A 在树梢下方，测得的α

2为正值，

所以，无论哪种情况，均可用式（1）进行计算。

（1）

式中H —立木高度，m

L 1—测站点到树根的斜距，m α1—对准树根时的倾角，(°) α2—对准树梢时的倾角，(°)

其中，α1,

2.2 意图；2）胸径D 查看，如图

图6 胸径测量界面

Fig.6 Interface of DBH measurement

图7 胸径测量结果界面

Fig.7 Interface of DBH measuring result

胸径测量时，可以通过测绘记算器测出测

站点到胸径距离L ，测绘记算器的CCD 镜头定焦焦距为f ，如图8所示，通过CCD 镜头成像原理解算获得胸径D ，计算公式为

（2）式中N —测绘记算器屏幕内所测图像值，pix

选择视野良 . 1.3m ；

，H ，

图9 三元材积解算界面

Fig.9Interface of three-elementvolume calculation

三元材积解算具体过程如图10所示，为三元材积解算原理示意图。对地径处到胸径处树木材积这段树木视为圆柱体的计算为：

π . . 10 （3）

式中 —地径处到胸径处材积，m 3

图

π 式中对式中H （6）

式中 —测绘记算器计算得出的立木整体材积，m 3

2.4 3D 角规样地测量

3D 角规样地测量具体步骤是：1）在样地中选取样点、以此样点为角规点；2）利用测绘记算器（3D 角规样地观测功能），进行绕测，按照角规计数原则进行计数；3）测量并记录角规点到计数木距离，计数木方位角、计数木的树高，胸径、树种，如图11为3D 角规样地测量界面。

图11 3D 角规样地测量界面

进行角规样可以用 .

（7）

林分密度、林分蓄积量。

（1）林分平均高（m ）利用格罗森堡公式

∑

（8）

式中Y —所调查林分的每公顷调查量 —第j 株计数木的调查量 —第j 株计数木的断面积 Z —计数木株数

根据以上理论可获得林分平均高度公式为

∑

（9）

式中 —第i 棵树的胸径，cm

—第i 棵树的树高，m k —计数木株数

（2）林分平均胸径（cm ）林分平均胸径计算公式为

∑ （10）

式中n —计数木株数

（3

式中 —第（4式中 . 2.5 倾角 3 3.1 精度，在北京西山鹫峰林场展开试验。在林区选取立地条件不同样地对测绘记算器的树高测量功能进行试验，树种包含栓皮栎、油松、槲栎、臭椿、侧柏、山杏等，选用南方测绘DT-02型电子经纬仪（标称测角精度 2 ）和测绘记算器进行树高测量试验，在两个方向不同观测点对每棵树进行2次观测。以电子经纬仪所测数据为真值和测绘记算器测量数据进行比较，利用相对误差公式（13）进行计算，如表1所示，为测绘记算器树高测量相对误差，在20组测量中，相对误差为1.11%~4.82%，符合森林一类调查要求。

(13)

式中

—测绘记算器测量数据的平均值，m —电子经纬仪或胸径尺测量数据的平均值，m

—相对误差，%

表1测绘记算器树高测量相对误差

Tab.1Relative error oftree height measurement

树种经纬仪测量的平均树高

测绘记算器测量的平均树高

相对误差/%

栓皮栎11.0 11.3 2.73 栓皮栎9.5 9.2 3.16 1.74 3.00 2.22 1.82 4.65 2.38 4.82 1.22 3.37 3.75 1.11 3.64 3.75 2.50 2.33 2.74 油松 5.0 4.8 4.00 油松 8.0 7.8 2.50 平均值

7.45 7.47 2.87

3.2 胸径测量试验

为验证测绘记算器的胸径测量功能及测量

精度，在北京西山鹫峰林场展开试验。在林区取立地条件不同样地对测绘记算器的胸径测量功能进行试验，树种包含栓皮栎、油松、槲栎、臭椿、侧柏、山杏等，利用胸径尺和测绘记算器进行胸径测量试验，在两个方向不同观测点对每棵树进行2次观测。以胸径尺每木检尺所

测数据为真值和测绘记算器测量数据进行比较，同理利用相对误差公式（13）进行计算，如表2所示，为测绘记算器胸径测量相对误差，在20组测量中，相对误差为0.82%~5.00%，符合森林一类调查要求。

表2测绘记算器胸径测量相对误差 Tab.2Relative error of DBHmeasurement

树种经纬仪测量的平均胸径/cm 测绘记算器测量的平均胸径/cm 相对误差/% 栓皮栎 19.5 20.1 3.08

栓皮栎 10.7 10.4 2.80 栓皮栎 17.9 18.3 2.23 栓皮栎 15.7 16.2 3.18 油松 12.5 13.1 4.80 油松 11.7 12.2 4.27 油松 6.0 6.3 5.00 油松 10.5 10.7 1.90 槲栎 20.7 21.0 1.45 臭椿 9.6 9.4 2.08 臭椿 14.3 14.6 2.10 臭椿 8.5 8.2 3.53 臭椿 14.0 14.3 2.14 侧柏 7.3 7.5 2.74 油松 24.5 24.7 0.82 油松 19 19.6 3.16 山杏 6.9 7.2 4.35 臭椿 7.2 6.9 4.17 油松 9.0 9.3 3.33 油松 15.7 15.9 1.27 平均值

13.06 13.30 2.92

3.3 三元材积解算试验

为验证测绘记算器三元材积解算功能及测

量精度，在北京西山鹫峰林场展开试验。在林区取立地条件不同样地对测绘记算器的三元材积解算功能进行试验，树种包含油松、栓皮栎、山桃、槲树等，利用南方测绘DT-02型电子经纬仪（标称测角精度 2 ）和测绘记算器进行三元材积解算试验，在2个方向不同观测点对每

棵树进行2次观测。以电子经纬仪所测的数据为真值与测绘记算器所测的数据进行比较，利用相对误差公式（13）进行计算，如表3所示，为测绘记算器三元材积解算相对误差，在20组测量中，相对误差为1.01%~9.27%，符合森林一类调查要求。

表3测绘记算器三元材积解算相对误差

Tab.3Relative error ofthree-element volume calculation

树种经纬仪测量的平均材积/m 3 测绘记算器测量的平均材积/

m 3 相对误差/%

油松

0.0674 0.0624 7.42 油松 0.1496 0.1526 2.01 油松 0.0924 0.0894 3.25 油松 0.1986 0.2006 1.01 油松 0.0953 0.0974 2.20 栓皮栎0.0195 0.0203 4.10 栓皮栎0.0107 0.0114 6.54 栓皮栎0.0176 0.0183 3.98 山桃 0.0284 0.0267 5.99 山桃 0.0199 0.0187 6.03 山桃 0.0239 0.0256 7.11 山桃 0.0130 0.0123 5.38 槲树 0.1151 0.1233 7.12 槲树 0.0645 0.0610 5.43 栓皮栎0.0271 0.0291 7.38 槲树 0.0448 0.0483 7.81 栓皮栎0.0229 0.0222 3.06 栓皮栎0.0550 0.0499 9.27 油松 0.0458 0.0488 6.55 栓皮栎

0.0279 0.0301 7.89 平均值

0.0569 0.0574 5.48

3.4 3D 角规样地测量试验

为验证测绘记算器的3D 角规样地测量功能及测量精度，在北京西山鹫峰林场及周边选取15块样地，根据要求从中筛选出10块样地做研究使用，样地间距保证在0.5公里以上，样地主要树种为刺槐和油松，分布均匀，生长状况良好。在样地内，让不同观测人员进行3D 角

规样地测量试验，根据林分疏密度、林木分布状况、林分平均直径以及通视条件，调整选取角规系数。

表43D 角规样地测量林分平均高度相对误差 Tab.4Relative error ofstandaverage high of3D angle

gauge plot measurement

样地序号树木数

量

测绘记算器的林分平均高度/m 每木检尺的林分平均高度/m 相对

误差

/% 1 10 9.17 9.40 2.45 2

8.77

8.83

0.69

7 19 15.6 15.3 1.87

8 19 15.8 15.4 2.67

10 13 14.1 14.3 1.43

11 15 16.5 16.4 0.93 12 10 15.2 15.2 0.15 14 15

13.8

13.2

4.77

平均值

15 14.2 14.0 1.95

表63D 角规样地测量林分密度相对误差

Tab.6Relative error of standdensity of3D angle gauge

plot measurement

样地序

号树木数量测绘记算器的林分密度

/棵

标准样地的林分密度/棵相对误差/% 1 10 2154 2058 4.662

1801

1718

4.83

4 18 1801 1859 3.12

5 19 1380 1331 3.687 19 3150 3021 4.278

19 2419 2331 3.7812 10 62.83 60.11 4.53

14 15 105.1698.66 6.59

平均值

15 106.41106.74 4.28

3D 角规样地测量试验是将测绘记算器测量的林分平均高度、林分平均胸径、林分密度、林分蓄积量与标准样地（20mx20m ）每木检尺测量林分参数作比较，以标准样地每木检尺测量值作为真实值。从表4-7可以看出，在10组样地测量中，林分平均高度相对误差为0.31%~5.70%，林分平均胸径相对误差为0.15%~4.77%，林分密度相对误差为

3.12%~5.01%，林分蓄积量相对误差为0.79%~9.51%，均符合森林一类调查要求。

3.5基本测量试验

在距离测量方面，在距离测站点1m处设置1个测点以后，按距离上一个测点每隔2m处设置1个测点，做好标记，先用全站仪测量距离，再用测绘记算器测量距离，经过多次测量，将两组数据进行比较，测量偏差为 5~4mm，平均为 2.34mm；在倾角测量方面，倾角测量范围为 75°～75°，以10°为间隔，做好标记，分别用全站仪和测绘记算器进行测量，测量偏差在 1°之间，平均偏差为49′23″；在方位角测量方面，将测绘记算器固定在水平度盘上，从0°开始，每隔10°旋转测绘记算器，记录测绘记算器方位角度数，测量偏差在 1°之间，平均偏差为43′35″。在倾角测量和方位角测量方面，受到仪器内部空间限制，并没有达到理想精度，但相对目前林业调查装备来说，精度较高，智能且数字化，方便携带，可以达到森林调查要求。4结束语

本文研制了一种森林智能测绘记算器。森林智能测绘记算器由PDA模块、EDM模块和云台高密度集成于一体，基于摄影测量学原理、图像处理技术原理、测树学原理，由内嵌树高测量模块、胸径测量模块、三元材积解算模块、

3D角规样地测量模块等大模块化程序，实现树高测量、胸径测量、三元材积解算、3D角规样地测量、基本测量5大功能。详细阐述了树高测量、胸径测量、三元材积解算、3D角规样地测量、基本测量等功能的原理和作业方式，并通过实际野外试验验证，得到树高测量精度达97.13%，胸径测量精度达97.08%，材积测量精度达94.52%，林分平均高度测量精度达98.09%，林分平均胸径测量精度达98.05%，林分密度测量精度达96.59%，林分蓄积量测量精度达95.72%，符合国家森林资源连续清查中的精度要求，该装备可以在林业调查中推广使用。

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