拉绳式电子测径尺的研发及其测径效果分析

【目的】开发一种拉绳式电子测径尺，以解决围测类测径仪器因柔性尺面宽度而影响测量精度的问题，同时实现林木胸径外业数据的高效采集和内业高效记录。【方法】基于经典围测原理，以钢绳、卷盘、无刷直流电机和光电编码器为主要结构,研发了拉绳式电子测径尺。以钢尺测得的样木圆盘直径（8个方向测量）均值作为真值，利用拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径尺、围尺和卡尺（2个方向测量），分别测量了20个近似圆形胸高圆盘（规则圆盘）的直径和20个不规则胸高圆盘的直径，比较各仪器测径的方差、准确度和t检验结果；用4种仪器分别测量7号样木规则圆盘直径和27号样木不规则圆盘直径，连续测6次,比较各仪器测径的精密度；用4种仪器分别测定10个规则圆盘和10个不规则圆盘的直径，记录平均耗时，比较各仪器的测径效率。【结果】拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺测量规则圆盘直径的准确度分别为0.045，0.205，0.115和0.140 cm，精密度分别为0.017，0.067，0.067和0.200 cm，方差分别为33.267，33.401，33.532和33.443；测量不规则圆盘直径的准确度分别为0.120，0.295，0.205和0.280 cm，精密度分别为0.058，0.092，0.067和0.350 cm，方差分别为22.525，22.908，22.611和21.607；测径平均耗时分别为6.9，7.5，7.7和13.9 s。【结论】拉绳式电子测径尺的测量精度和测径效率均优于柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺，不仅可满足森林资源连续清查和森林资源规划设计调查的精度要求，还能大大缩减外业测量和内业录入的成本。     

基于数字图像处理技术的测树仪算法研究

针对支持新型测树仪立木非接触式胸径及树高测量的算法需要,从应用角度出发,基于摄像头和CMOS获取的立木树干数字图像结合数字图像处理技术,对预处理后的数字图像通过Roberts边缘检测算子进行边缘特征检测以及Hough变换对特征影像进行树干边缘直线提取,实现立木树干影像中树干像素宽度的自动获取;并依据激光测距传感器、倾角传感器等获取的距离、倾角参数,实现非接触条件下立木直径测量点离根颈高度测定、直径自动解算及树高测量。结果表明,以内蒙古旺业甸林场为试验区进行试验验证,胸径测量的平均绝对误差为-0.4cm,平均相对误差为-1.23%,相对误差标准偏差为0.049;在不同测量距离条件下的胸径测量平均相对误差基本在-1.00%~1.00%,不同坡度、坡向条件下胸径测量的平均相对误差6%。树高测量的平均绝对误差为0.493m,平均相对误差为4.82%,相对误差的标准偏差为0.072。     

森林信息化精准计测技术获国家发明专利

由北京林业大学测绘与3S技术中心冯仲科教授申请的“电子角规测树仪及自动测树方法”的发明专利已于2005年11月23日正式授权，获得发明专利权，专利号为：ZL200410006257．4，系北京林业大学近十年来首次获得发明专利权．本发明是关于森林资源抽样调查的仪器和方法，特别是关于森林资源不等概抽样调查的电子角规测树仪及其自动测树方法。此发明共有两项发明内容：①电子角规测树仪：将光学系统与电子系统结合起来，通过光电信号自动转换，把影像数字化，实现精准的自动量测、贮存与传输．②自动测树方法软件：本发明中的角规自动测树方法是在已知的形点法的基础上提出的“推动林分蓄积的形点法”，它能避开通视困难．将角规测树全过程与计算机技术结合起来，对电子角规测树仪传输来的信息进行处理，实现外业内业同步完成．     

手杖式测树仪研制与试验

为了在森林资源调查中能够便捷、快速、精准、高效地获取立木胸径和树高,设计研发了一种手杖式测树仪,其以固定长度手杖为主体,搭载智能手机和测树软件。该设备在传统林业调查装备理论的基础上利用了测树学、摄影测量学、机械加工学、机器视觉、影像处理等技术,通过智能手机影像处理软件实现了胸径的自动识别、测量、记录,并通过手动截取完整立木与所得胸径值演算树高等功能,可以统一编辑、存储、导出最终所得胸径树高。分析结果表明,该手杖式测树仪所得胸径和树高的编差Bias分别为0.29、0.48 cm,相对误差Bias%为1.5%、4.2%,RMSE均为0.70 cm,相对RMSE%为3.6%、6.1%,基本满足二类调查A类精度要求,具有一定的应用价值和推广潜力。     

基于可拓数据挖掘的天然异龄林起测直径研究

从森林资源资产评估资产核查的角度出发,为准确表述林分质量、客观反映出材情况和有效降低外业工作量,运用可拓数据挖掘方法,选择林分蓄积量减幅、商品材出材量减幅以及株数减幅3个评价特征,计算不同起测直径水平下的关联函数值,分析提高起测直径带来的样地调查影响和变化规律,进而确定天然异龄林合理起测直径水平.结果表明,将天然异龄林起测直径从5 cm提高到9 cm,即将起测径阶从6径阶调整为10径阶,可以满足森林资源资产核查调查精度的要求.     

便携式森林资源调查仪研制与试验

以数字图像处理技术、摄影测量技术、测树学为理论基础,研制可用于森林资源调查的多功能调查仪。该仪器主要由Cortex-M3中央处理芯片、激光测距模块、倾角传感器、蓝牙模块、LED彩屏、CCD镜头等电子元件组成,测量时获取距离、倾角、图像等信息,并使用C语言在Keil uVision4开发平台下构建一套集单木测胸径、单木测树高、单木测材积、圆形样地观测4个主要功能模块于一体的软件系统嵌入到测树仪中。结果表明,单木测量功能的平均精度高达96.98%,方差为0.023 3,其中单木因子测量中的胸径测量精度高达97.85%,树高测量精度高达97.46%,材积测量精度高达95.64%;圆形样地观测功能林分参数获取,林分平均胸径测量精度高达97.92%,林分平均高测量精度高达97.97%,株数密度测量精度高达96.54%,蓄积量测量精度高达95.79%,符合国家森林资源二类调查中的精度要求,该仪器可在林业调查工作中进行推广和应用。     

基于超声测距的定高树径测量仪的研究

为了便于对树木直径生长特征的分析,介绍了一种可代替测径围尺的专用于测量树木直径的测量仪。仪器采用超声波测距技术、条码识别技术及光电技术,可实现单株立木测量高度的确定和直径信息的识别,以及测量数据的自动读取和记录,提高了统计效率,方便了对数据的查询与分析。通过实验验证,仪器与围尺测量的相对误差在±1%以内,达到了预期设计指标。     

RD 1000电子测树仪立木因子测定及适用性研究

传统的森林计测仪器均存在很大的不足,不能精准快速便捷地为科学研究和各有关部门提供真实可靠的立木基础数据。针对当前森林测量仪器的不足,引进美国激光技术公司的快特能RD 1000电子测树仪,以北京市奥林匹克森林公园和鹫峰国家森林公园为研究区,以误差理论为基础理论依据,对其精度和适用性进行验证分析。以传统工具卡尺和全站仪测量的数据为相对真值,对比分析RD 1000电子测树仪的测量结果,最终得出其适用性广,而且胸径测量的精度能达到毫米级别,树高测量的精度能达到厘米级别,足以满足精准林业的要求,能为我国林业的发展提供切实可行的技术支持。     

三维前方交会法测量树高及其精度分析

为了解决森林调查中因地形起伏不能通过皮尺或者视距法获得测站与目标树的水平距离,而导致不能通过一般三角测量的办法来测量树高的问题,该文将测量高程的前方交会法应用到测树上来获得树高数据.前方交会法的内容为两台仪器与目标树构成一个三角形,测量两台仪器中心的斜距和三个夹角,利用正弦定理推算目标树与一台仪器的水平距离,然后再测得树顶和树根两处的天顶距,利用三角测量获得树高.经纬仪和罗盘仪是森林调查中常用的工具,通过对该模型的精度分析和实验发现经纬仪采用此方法可以控制误差在5%以内,满足林业上的测量要求,而罗盘仪采用此方法误差范围超过5%,不能满足要求.此方法可以配合经纬仪进行树高测量.     

基于超声波测距的激光角度初始化系统研究

为实现双激光源定位系统中激光发射角的自动测量,建立了基于超声波测距的激光角度初始化系统。系统采用主站和从站的工作方式,利用三角定位原理,通过激光牵引超声波测量基线和双边距离,根据角度解算程序,完成系统初始化角度的自动测量。同时,通过加入延时补偿、温度补偿及高度补偿等相关算法,使得在20 m的测量范围内,超声波测距的误差不超过2 cm,激光角度初始化误差小于0.05°。     

不同优势度胖大海林分林木直径分布特征

以越南同奈天然文化自然保护区天然次生林为研究对象,采用偏度、峰度和变动系数3个指标研究了3个不同优势度等级的胖大海林分的林木直径分布特征,运用Weibull分布、指数分布和Distance分布对其直径分布进行拟合,并利用χ2检验法来检验3种概率密度函数的拟合效果.结果表明:不同优势度等级的胖大海林分平均胸径结构呈现差异.优势度三级林分中林木平均胸径为35.7 cm,在13.1~86.5 cm之间变动,径阶分布范围较大,林分直径分布曲线为左偏,中小径阶林木占多数,林木直径主要分布在22~46 cm径阶,株数累积百分比高达80.10%.优势度二级林分和一级林分平均胸径结构相似,平均胸径依次为22.31、20.63 cm,在7~70 cm之间变动,径阶分布范围不大,林分直径分布曲线为左偏递减状态,小径阶林木占多数,中大径阶林木株数较少,林木直径主要分布在10~22 cm径阶,株数累积百分比高达67.63%.利用3种概率分布函数拟合并经χ2检验,指数分布函数模拟不同优势度等级的胖大海林分的直径分布的效果最佳,可用于天然次生林的直径分布和生长预测,为不同优势度等级的胖大海林分的科学经营、可持续利用与保护工作提供理论依据.     

Comparison of two 2D laser scanners for sensing object distances, shapes, and surface patterns

Laser scanners are increasingly used in automation and robotic applications as a sensing device for navigation and safety. They have agricultural applications in measuring plant growth rate, tree volume, tree count, 3D imaging, and pattern recognition. Laser scanners are commercially available, but there is very little published information on characteristics and performance of these laser scanners. This study compared two laser scanners, the Sick LMS200 and the Hokuyo URG-04LX, for measurement drift over time, the effect of material and color on measurement accuracy, and the ability to map different surface patterns.Measurement drift over time was studied by determining the distance between the laser scanner sensor and a stationary object at different fixed distances and angles. Distance measurements over time fluctuated with a peak-to-peak value of 10–20 mm. The settling time, which is the time required for the averaged distance data to reach a stable level, increased when measurement distance increased but for a given distance, the settling time remained constant for different angles. At the measurement angle of 90°, the settling times for the LMS200 and the URG-04LX for 50% of the maximum scanner measurement distances were 53 min and 70 min, respectively. Therefore, to obtain accurate distance measurements, the laser scanners should be warmed up for the duration of the settling time before recording measurement data.The measured distance for soft material objects, such as a styrofoam plate and a sheet of dry sponge, was longer than the actual distance. For shiny objects, such as orange tree leaves, transparency film, and a stainless steel plate, the measurement distance was shorter than actual distance. At the measurement angle of 90°, the difference between the longest and shortest measured distance (90% of the maximum scanner measurement distance) was 21.3 mm for the LMS200 and 29.7 mm for the URG-04LX. At the measurement angle of 45°, this difference increased to 73.2 mm for the LMS200; the URG-04LX was not able to detect any objects at 45°.The surface shapes of a cylindrical pipe, a folded cardboard plate with a square-shaped valley, and a folded cardboard plate with a V-shaped valley were well-depicted by the laser scanner. For the object with a V-shaped valley with a true depth of 6.1 cm, the averaged depths measured by the LMS200 and URG-04LX were 6.8 cm and 3.6 cm, respectively. The larger discrepancy in the URG-04LX depth measurement may be caused by the relatively lower angular resolution of the URG scanner, compared to that of the LMS scanner.     

一种全站仪精准量测立木直径的方法

立木直径是森林资源调查的重要参数。本文提出了一种基于免棱镜全站仪对边测量原理的立木树干直径精 准量测方法,并以南方全站仪NTS-3401 为例,对该方法的理论精度进行了论证,结合量测数据对实际精度进行了 分析。结果表明:免棱镜全站仪对边测量原理的立木树干直径精准量测方法的理论精度中误差在0.4 mm 以内;使 用胸径尺量测立木直径3 次取平均值作为真值,用来检验全站仪量测立木树干直径的精度,数据表明真误差控制 在1 mm 以内,而林业测量中要求测量结果精确至1 mm。本文提出的全站仪精准量测立木直径的方法达到了林业 测量中量测立木直径毫米级的精度要求,可以解决非接触式量测立木上部(2 m 以上)直径的难题。      

基于三维激光点云的树木胸径自动提取方法

胸径是评价林木生长状况的重要参数之一。针对接触式人工测量自动化程度低和基于点云的现有算法提取树木胸径精度不高的问题,提出一种基于点云数据的自动准确获取树木胸径的新方法。该方法以树木点云数据为基础,运用蚁群算法和B样条曲线拟合技术,实现树木胸径的自动准确提取。对实验区树木测量计算,结果表明,利用该方法提取树木胸径的均方根误差为±0.19 cm,平均绝对误差为0.15 cm,相对于基于点云的传统算法提取精度分别提高了50%和60.7%。该方法基于高精度点云数据,实现了树木胸径的无损自动提取,在精准林业领域具有推广价值。     

Evaluation of ultrasonic sensor for variable-rate spray applications

Automatic variable-rate sprayers require accurate measurement of canopy size. An estimate of canopy size is made by measuring the distance to the canopy at several elevations above the ground; an ultrasonic sensor was used to determine canopy distance in this study. It is sometimes necessary to conduct spray operations during harsh operating conditions. In this study ultrasonic sensors were subjected to simulated environmental and operating conditions to determine their durability and accuracy. Conditions tested included exposure to extended cold, outdoor temperatures, cross winds, temperature change, dust clouds, travel speeds and spray cloud effects. The root mean square (RMS) error in a series of measurements of the distance to a simulated plant canopy was used to test for significant difference among treatments. After exposure to outdoor cold conditions for 4 months, the RMS error in distance measured by the ultrasonic sensor increased from 3.31 to 3.55 cm, which was not statistically significant. Neither the presence of dust cloud nor the changes in cross-wind speeds over a range from 1.5-7.5 m/s had significant effects on the mean RMS errors. Varying sensor travel speed from 0.8 to 3.0 m/s had no significant influence on sensor detection distances. Increasing ambient temperature from 16.7 to 41.6 °C reduced the detection distance by 5.0 cm. The physical location of the spray nozzle with respect to the ultrasonic sensor had a significant effect on mean RMS errors. The mean RMS errors of sensor distance measurements ranged from 2.3 to 83.0 cm. The RMS errors could be reduced to acceptable values by proper controlling the sensor/spray nozzles spacing on a sprayer. In addition, multiple-synchronized sensors were tested for their measurement stability and accuracy (due to possible cross-talk errors) when mounted on a prototype sprayer. It was found that isolating the pathway of the ultrasonic wave of each sensor reduced detecting interference between sensors during multiple sensor operation. Test methods presented herein may be useful in the design of standardized testing protocols for field use distance sensors.     

杨树人工林立木生长量空间相关规律研究

为了使立木胸径测量装置得以用于全林蓄积变化量的动态监测,针对林地内树木代表性样点抽样方法问题,本文提出运用林地立木空间变异函数结合克里格插值的方法进行目标样点抽选.通过对林地实测数据进行分析验证,结果表明该方法有效;通过对立木空间变异函数分析,得出海拔方向是影响立木生长的主要因子,沿海拔方向胸径空间变程是240m,树高变程为360m,说明立木生长量个体间有很好的空间相关性;同时,经过对小于变程的不同参考样点距离进行克里格插值效果验证,得出0.3倍变程为最佳参考样点距离,能使树高预测误差小于2m,胸径预测误差小于1个径级.     

庐山常绿阔叶林不同生长阶段林木空间结构特征及其评价

  目的  分析林木不同生长阶段的空间结构特征有利于认识林分更新及其稳定性,为优化林分空间结构及自然植被恢复等提供参考依据。  方法  以庐山常绿阔叶林为研究对象,将林木生长划分为幼树（1 cm ≤ DBH < 5 cm）、小树（5 cm ≤ DBH < 10 cm）、中树（10 cm ≤ DBH < 20 cm）和大树（DBH ≥ 20 cm）4个阶段,选用混交度、大小比数、密集度、角尺度4种空间结构参数构建空间结构综合指数,采用熵权法进行权重赋值。  结果  （1）幼树、小树、中树、大树的株数占林分总株数的比例分别为72.7%、16.8%、6.5%和4.0%,林分径级结构整体上呈倒“J”型。（2）幼树、小树、中树、大树的平均混交度分别为0.609、0.746、0.815和0.822,平均大小比数分别为0.545、0.268、0.132和0.089,平均密集度分别为0.852、0.895、0.871和0.842,平均角尺度分别为0.576、0.563、0.553和0.507;随着径级的增大,林木的混交、生长优势程度不断增大,密集程度先增大后减小,分布格局逐渐由聚集分布转变为随机分布。（3）小树、中树、大树的大小比数的权重均超过75.0%,优化其空间结构主要应调控其林木分化程度;幼树混交度和大小比数的权重分别为0.364和0.388,优化其空间结构则主要调控林木混交程度及分化程度。空间结构综合指数为大树（0.054） < 中树（0.082） < 小树（0.117） < 幼树（0.265）。  结论  庐山常绿阔叶林中林木随着径级的增大其空间结构逐步得到改善,大树的空间结构最好,幼树的空间结构最差;针对不同生长阶段林木空间结构特征,可以采取不同的经营措施以优化其空间结构。      

全站仪双边交会法测定树木三维坐标

林业调查中,林木遮挡不仅影响定位精度和工作效率,还会导致测量工作难以开展。全站仪自由设站法能有效解决林中通视条件差的制约。自由设站法有多种形式,由于林业调查精度要求相对较低,为了便于野外计算,双边交会法较为适宜。观测交会边长时,采用对边测量,能及时检测已测边长精度。直接解算仪器中心的三维坐标,无需对中和量测仪器高。实践表明,调查单元边长误差可小于5 cm,相对误差一般小于1/200,样地闭合差小于树木平均间距的1/2。图2表3参12     

立木胸径近真值测量与计算模型的研究

立木胸径测量精准度直接影响胸高断面积、蓄积量的估算以及林地质量分析。现有测量方法都是将树干截面当作标准圆曲线来估测胸径；一些研究表明椭圆曲线或超椭圆曲线更能精准地反映树干和年轮的外形和生长情况。本研究利用自制的电子卡尺、传统围尺2种测量工具，选取8个树种，分别测量各树木的东西向、南北向、近似最大、近似最小胸径及胸高断面处的周长，并分析之间的差异性；研究了计算模型，将胸高断面分别当作标准圆、椭圆、超椭圆时与围尺测量值的接近程度以及对胸高断面积估算的影响。结果表明:1）超椭圆模型相比于标准圆、椭圆模型估算胸高断面积更加准确；2）东西向胸径比南北向胸径生长快的概率更高；3）对于卡尺，单株单次测量时选择东西方向的胸径，估算的胸高断面积更准确。