多功能便攜式微型超站儀的研制

0國外森林計測設備的發展木材的直接測定因子和初始因子的總稱是基本樹木測量的因子，dap和樹高是直接測定樹木高度的因子。楊華等中國是世界上的林業大國,國內應用的大部分高精度和便攜式的森林計測設備主要從國外進口,這些產品不僅價格昂貴而且功能單一。測樹儀器主要有瑞典Hagl?f公司隨著圖像處理問題研究的深入發展,計算機視覺領域給森林計測儀器的發展帶來了契機。針對上述情況,本研究利用CCD、傾角傳感器等,獲取測量時的圖像、傾角和距離,基于圖像自動識別、攝影測量1設備組成1.1mems傳感技術自行研發的微型超站儀(PD-5SERIES,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、微機電系統MEMS(microelectro-mechanicalsystems)傾角傳感器、電荷藕合器件圖像傳感器、中央處理器、存儲器、液晶顯示屏、電源、微型按鈕等。如圖1所示。通過對各部件進行集成組裝,用于實現立木的直接測定因子胸徑和樹高精確自動測量。將其固定于支架之上可進行樣地的觀測。1.2測量精度和胸徑微型超站儀的主要功能包括樹高測量和胸徑的自動測量。在此基礎上可以實現林分平均高測量、樹干任意處直徑測量、材積測量、株數密度測量和基本測量等功能。儀器測量的距離范圍為0.05~120m,有效反射距離為0.05~100m,最小顯示數值0.001m,測量精度為±1.5mm。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算存儲的精度為1mm。操作環境溫度-10°~+50℃。儀器尺寸136mm×52mm×28mm,連續測量時間5000s,正常工作時間5h。2dap測量2.1圖像時測時測量點位置和距離的確定測量時需將激光測距儀的光點對準待測立木的胸徑處,此時電荷藕合器件圖像傳感器會自動的將光線轉變為電荷信號,并通過自身內部的模數轉換器將電荷轉化為數字信號,數字信號再通過數字信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)進行色彩校正、白平衡處理轉換為可視的圖像呈現在屏幕上。通過調整測量人員的位置使得整個待測區域(立木胸徑)完整的呈現在屏幕內。在確定測量時儀器自動記錄測量時屏幕內的圖像,再以圖像中心橫線為基準線各向上向下移動30個像素,形成上下寬度為60像素的矩形處理識別區域。利用灰度值計算公式:式中:V為像素灰度值;R、G和B為像素的RGB數值。對識別區域內的所有像素進行灰度化處理,得到各個像素點的灰度值,然后對識別區域內的各個像素點進行遍歷,計算出每列60個像素的灰度值的均值,并將均值存入數組之中。將數組中間兩個值作為分界點,依次向前和后進行遍歷,并判斷分界點前后三部分的均值,遍歷完成后,查找出三部分有明顯變化時對應的分界點(此步驟可通過人工微調進行糾正,確保所識別區域為待測胸徑的邊緣)。根據分界點的像素坐標值,計算出待測胸徑所對應的像素值N。測量時測量點位置距離待測胸徑距離L可通過激光測距儀自動記錄,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R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之間的距離,m;R2.2兩切點連線圖在單一位置對柱形物體進行觀測時,光線所反射回來的柱形物體的直徑是以觀測點與圓柱體相切的兩切點的連線,其示意圖如圖3所示。若S式中:D為胸徑,cm。利用盛金公式求解一元三次方程,根據盛金公式的判別條件,利用程序求解式(3),得到D的計算值,根據D與R2.3自動判斷胸徑位置非接觸測量的胸徑測量方法和原理國內外許多文獻都有提及。王建利等為了能夠真正的在野外調查中實現非接觸測量的功能,結合微型超站儀本身的優勢,利用激光測距儀和MEMS傾角傳感器的特點,實現自動判斷胸徑位置。假設被測立木的根頸處位于觀測點所在水平面的上方(圖4a),即在觀測點將測距儀的光點對準立木根頸時傾角傳感器的傾角讀數α大于0。此時激光測距儀自動記錄觀測點到根頸的距離為L式中:L當被測立木的根頸位于觀測點所在水平面的下方(圖4b),此時傾角讀數α小于0。H3樹高測量3.1樹高、傾角和根頸生長觀測樹高測量時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,在進行樹高測量時,首先確定測量點的合適位置,確保整棵立木在視線范圍內無遮擋。然后依次對準立木的樹干處、根頸處、樹頂處進行3次測量,分別記錄下測量點到樹干處的水平距離L假設待測立木的根頸處于觀測點所在水平面的下方(圖5a),此時傾角傳感器的傾角讀數α小于0,故樹高的計算式為:式中:H為待測立木的高度,m;L當待測立木的根頸處于觀測點所在水平面上方(圖5b),傾角α的讀數大于0,樹高的計算公式仍為式(5)。利用激光測距儀進行3次測量時能同時記錄下測量點到樹干處的水平距離L式中:L3.2樹高測量精度分析利用傾角傳感器式(5)進行樹高測量的精度分析,樹高H測算的精度受到測量點到待測立木的水平距離L式中:m只利用激光測距儀式(6)進行樹高測量的精度分析,樹高H的測算精度受到測量點到待測立木的水平距離L則:式中:m4試驗證實4.1樹高、胸徑和樹高測量本研究主要利用微型超站儀實現胸徑和樹高的測量,試驗操作過程如下:1)開機后按圖像鍵,選擇胸徑測量或者樹高測量;2)胸徑測量(圖6a),將激光點對準胸徑(圖6b),點擊確定鍵后自動顯示胸徑(圖6c)。3)樹高測量。先將激光點對準立木,自動記錄測點到待測立木的水平距離(圖7a),然后將光點對準待測立木根頸處,記錄測點到被測點的傾角和距離(圖7b),最后將光點對準待測立木梢頂處,記錄測點到被測點的傾角和距離(圖7c)。此時,儀器自動解算樹高(圖7d)。4.2測試數據4.2.1胸徑測量誤差試驗過程中針對3株胸徑為7.5、12.3和14.5cm的立木按照不同的測量距離分別進行了10、25、25次測量,測量時的距離范圍為2~42m。測量結果如圖8所示。經試驗結果分析,60次胸徑測量的絕對誤差范圍-0.5~0.5cm,平均絕對誤差0.147cm。相對誤差范圍-4.07%~6.67%,平均相對誤差1.26%。如圖8所示,當測量距離達到20m之后,曲線波動較大,誤差相對越大。剔除測量距離超過20m的14次測量數據之后,平均絕對誤差0.107cm,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,經過試驗驗證,測量距離滿足:式中:int()為數值求整。經胸徑測量試驗分析,針對胸徑測量功能得到以下結論:1)單次胸徑測量時,為提高測量精度,盡量使得測量距離不超過20m。為能使得整個胸徑顯示在顯示屏內,胸徑小于20cm時,最短測量距離大于2.6m;胸徑小于40cm時,最短測量距離大于5m。對于立木胸徑測量功能,最優的測量距離應介于5~20m范圍之內。2)為提高測量精度可對胸徑進行多次測量,胸徑越大,相對誤差越低,測量精度越高(表1)。3)試驗過程中,圖像解算時間0.5~3s,測量距離越近,解算時間越快。4.2.2樹高測量原理試驗針對3株樹高為2.18、3.6和12.89m的立木按照不同的測量距離分別進行了20次測量,測量時張角(到頂梢的傾角減到根頸處的傾角)范圍在10°~90°,測量結果如圖9所示。試驗中,高為2.18和3.6m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12.89m的立木通過全站儀多次測量測得的平均值作為真值。從試驗結果中分析得到,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0.05~120m,有效反射距離為0.05~100m,故樹高測量時,測量距離不能超過100m。基于樹高測量的原理分析,適用的樹高測量范圍滿足:式中:h為測量點相對地面高度,m。經樹高測量試驗分析,針對樹高測量功能得到以下結論:1)野外作業中,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30m,故利用微型超站儀測量時的測量距離不宜超過30m。在林地中,測量的樹高理論適用范圍為0~95m。2)測量時張角介于30°~60°時測量精度高且穩定,故測量的樹高的實際適用范圍0~52m。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,立木越高,相對誤差越低,測量精度越高(表2)。4.3野外作業分析4.3.1質量試驗區域為延慶松山國家森林自然保護區生態系統監測項目大樣地范圍之內,地理坐標東經115°43′44″~115°50′22″,北緯40°29′9″~40°33′35″。試驗過程為驗證設備在外業中的可行性和穩定性,所有測量數據均為單次測量,試驗隨機選取了215株立木進行胸徑測量和101株立木進行樹高測量。4.3.2方法的誤差及測量結果的方差分析胸徑測量中的真值通過測徑尺(測樹鋼圍尺,太平洋牌,北京)和游標卡尺進行多次測量求取平均值獲得(圖10)。通過試驗結果分析,215株立木胸徑的測量結果的絕對誤差范圍為-1.7~1.2cm,相對誤差范圍為-9.1%~6.5%,平均相對誤差為2.08%。為驗證胸徑測量的適用性和準確性,對所測的215組數據進行徑階劃分。徑階劃分的起測胸徑為1.0cm,以2cm為一徑階,將所測數據劃分為A、B、C、D、E共計5個徑階組。5個徑階的誤差分析如表3所示。4.3.3全站儀測量立木的測量樹高測量中的真值通過利用全站儀(NTS340,南方測繪儀器有限公司,中國)進行多次測量求平均值獲得。試驗過程之中,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,故試驗過程之中所用的101組數據均為可用全站儀測量樹高真值的數據(圖11)。經實地測量,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。通過試驗結果分析,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測量精度分析經過野外作業試驗,對215株立木的胸徑和101株立木的樹高進行分析,胸徑和樹高的單次測量精度分別為97.92%和98.56%,這與測試數據分析得到的98.74%和98.87%的測量精度較為吻合,同時,由于所有數據均為單次測量,未對絕對誤差較大數據進行重新測量,而使得野外作業數據的精度低于測試數據的測量精度。但野外作業單次測量的精度也滿足國家森林資源連續清查中對胸徑和樹高測量精度的要