基于UWB传感器的树木定位研究

树木位置是森林样地调查中重要的调查因子,由于林下环境复杂,树木定位的技术方法面临很大的挑战。针对当前树木位置测量技术方法存在的效率低、携带不便、成本高、不适用于非视距测量等问题,提出了一种基于UWB传感器并结合海拔计来获取树木位置信息的方法,并自行设计了树木位置采集装置。选取8个树种多样、坡度不一的样地进行试验。首先,在每个样地中布置四个UWB基站;然后,携带内置UWB定位标签的装置采集每棵树木与各个基站之间的距离;最后,将所采集的数据进行MATLAB仿真,研究不同大小权重值对定位精度的影响。结果表明:存在一个最优权重值,可使平均定位误差下降3.31cm;相较其它四边形定位算法复杂度降低,更适用于枝叶茂密、地形复杂等非视距情况下的树木定位。     

树木年轮信息解析系统研制与试验

树木年轮信息在树木年代学、气候学、生态学、灾害学和环境学等领域研究中有重要的作用。为准确、快速地获取树木年轮信息，降低工作强度和操作复杂度，该研究设计了一种树木年轮信息解析系统。该系统在硬件上进行了机电一体化设计，主要包含滑台模组、旋转编码器、步进电机、置物台、手轮、工业相机、控制箱、光学显微镜、电脑等组件，基于C#语言和OpenCvSharp工具包设计上位机，所设计的上位机软件通过与工业相机、采集器和控制器通信来实现对年轮信息采集、处理和存储，实现位置计算、电机控制和图像识别。系统设计了2种方法进行年轮信息解析：1）电子显微定位法。在常规显微定位法的基础上，基于旋转编码器和螺旋测距法感知滑台线性位移进而实现年轮宽度测量，并使用工业相机和显示器代替传统显微镜来判读年轮线，最后可生成年轮解析图表；2）图机辅助法。在电子显微法的基础上，结合图像识别与电机控制算法进行改进。为验证系统的年轮宽度测量精度、年轮线识别准确率和解析效率，以传统显微镜和光学标定板作为参照工具，采集油松、落叶松、杨树、白桦4个树种的木芯样品进行试验。试验结果表明：在年轮宽度测量精度上，电子显微定位法和图机辅助法的平均绝...     

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。     

树干液流监测系统的研制

树干液流速率是判断根系水分吸收和蒸腾作用强弱的关键指标,被普遍应用于树木蒸腾耗水研究,常用的植物液流仪普遍是价格高昂、采样数据类型单一的进口设备,因此亟待研发集多因素于一体的树干液流监测系统。基于树干液流及气象和土壤因子建立树干液流监测系统,其采用基于热扩散技术的TDP液流计监测枝干液流,采用多类型传感器实现气象和土壤因素数据的收集,系统平台采用PHP+HTML+MySQL作为开发语言和设计工具。与对照植物液流仪对比,二者电压差、液流速率相关系数分别为0.834 3、0.876 5。选取环境因子对全天、日间、黑夜时段的白玉兰液流速率进行相关性分析,发现不同时段环境因子对液流速率的影响程度不同。此外,建立液流速率与环境因子的多元线性回归模型,其中全天时段的回归模型拟合程度较好,R²为0.674。该系统具有性价比高、监测指标多、各指标数据可视化等特点,可用于研究林木液流速率和环境因子的时空变化规律。     

便携式树木胸径测量系统的研制

目的树木胸径为距根茎1.3m处的树木直径,是森林调查最基本的因子之一。简便、快速、准确的测量与入库是森林调查追求的目标。为解决传统测量方法效率低、难以数字化及新产品成本高、便携性差、数据分析难以扩展等问题,急需研制集低成本、高精度、操作简便、耗时短等优点的便携式树木胸径测量系统。方法本文设计的便携式树木胸径测量系统,由嵌入式装置和上位机软件平台组成。嵌入式装置主要包含了绝对式编码器、无线通信模块、显示屏、按键和超声波传感器等元件;上位机软件平台由上位机、数据库、数据管理分析软件组成。测量时,首先在上位机设置好测量参数,按下开关1,启动超声波传感器测定离地的高度,当屏幕显示1.3米高度时,用编码器的拉绳绕树一周,按下开关2,测得胸径数据通过上位机上传到数据库。结果实验表明:系统胸径测量精度达99.97%, 平均单株树耗时5.3s,无需人工读取数据、手工录入数据和数据勘误,工作效率显著提升。结论本文的便携式树木胸径测量系统,在保证测量精度和效率的情况下,集测量、数据传输、存储、分析等功能于一体,实现了嵌入式、移动端、数据库、Web端的多平台联动,同时为胸径渐变生长持续感知与分析研究奠定了良好的基础。      

便携式高精度立木胸径测量装置研制与试验

立木胸径是森林资源调查中最重要的测量指标。为了实现高效、精准、简便地测量立木胸径,适应复杂树形和不同径级的树木,节省内外业勘测成本,该研究研制了一款新型立木胸径测量装置。基于隧道磁阻旋转编码器构建适合低成本、轻小型机电结构和高分辨力处理算法的方法,同时开发了由嵌入式软件、Android端应用和Web端应用构成的系统软件,通过多功能按键组合设计了特殊树形和大径级树木的作业流程。在单木勘查作业过程中,装置的机电结构会将立木胸径由机械量先转换为磁信号再转换成电信号,之后由嵌入式软件中集成的处理算法把电信号换算成胸径测量数据。完成所有单木勘查作业后,装置内的蓝牙将数据传输至Android端应用进行存储再上传到Web端的数据库中。为验证装置的测量精度和作业效率,选取包含多个树种的196株立木和一块包含42株立木的小样地进行试验。试验结果表明：该装置对不同径级的立木都具有较高的测量精准度（总平均绝对误差为0.08 cm、平均绝对百分比误差为0.37%、均方根误差为0.12 cm和相对均方根误差为0.54%）;人均每株立木测量耗时为9.3 s（约为传统围尺方法的1/3）,作业效率高。该装置解决了传统围尺在数据量测、记录和入库上的短板,降低了人力成本,比非接触式、卡测类、电子拉绳类仪器的制造成本低几百到上万元,造价仅为260元,且携带方便（仅重230 g）,符合国家森林资源连续清查技术规定的精度要求,在森林资源调查中具有宽广的应用前景。