Android智能手機樹高測量APP開發(fā)與試驗

李亞東 ，馮仲科 ，曹明蘭 ，鄭 帆

（1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學 精準林業(yè)北京市重點實驗室，北京 100083）

Android智能手機樹高測量APP開發(fā)與試驗

李亞東1，2，馮仲科2，曹明蘭1，鄭 帆2

（1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學 精準林業(yè)北京市重點實驗室，北京 100083）

Android手機系統(tǒng)憑借其開放性、靈活性等強大的優(yōu)勢成為手機系統(tǒng)應用開發(fā)的必要選擇。文章探討了基于Android手機傳感器的林木單株樹高測量程序的技術(shù)要點及實踐過程, 并通過實驗將測定結(jié)果與傳統(tǒng)布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)安卓手機測樹APP測量林木單株樹高方法的平均誤差為3.19；布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器法測量林木單株樹高的平均誤差值為3.70。安卓手機測樹高APP方法的平均誤差值精度比后者提高了62%。

林業(yè)；Android；傳感器；測量

隨著數(shù)字林業(yè)與精準林業(yè)的建設，林業(yè)調(diào)查中對單木數(shù)據(jù)的精度要求越來越高[1]。森林的精準計測是森林經(jīng)營中的重要環(huán)節(jié)[2]，森林調(diào)查的效率與精度取決于設備與方法。目前國內(nèi)主要使用的林木單株樹高計測設備有電子經(jīng)緯儀、電子角規(guī)[3-4]、全站儀[5]、森林羅盤儀、測樹型超站儀[6-7]、布魯萊斯測高器、測樹槍、PDA、阿布尼水準儀等。目前，森林調(diào)查的儀器設備都存在著體積和重量都比較大、操作繁雜、攜帶不便、成本高等問題，嚴重阻礙了數(shù)字化林業(yè)與精準林業(yè)的建設。信息科學與傳感器技術(shù)等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有效促進了森林調(diào)查設備向數(shù)字化、集成化方向發(fā)展[8]。Android手機操作系統(tǒng)以其開源便于創(chuàng)新的優(yōu)勢得到了廣大硬件廠商的支持，以其價格低廉、性能不差的特點得到了消費者的認可以超過蘋果成為了市場保有量最多的手機操作系統(tǒng)。

樹高是森林調(diào)查中的一個重要因子，具體指從地面到樹頂?shù)拇怪本嚯x[9]，可利用樹高估計測量森林材積量[10-11]、蓄積量和生物量。本文探討了利用谷歌安卓平臺內(nèi)置的加速度傳感器，基于三角函數(shù)原理、正玄定理，利用Android語言開發(fā)了測量林木單株樹高的APP，并利用安卓手機上安裝APP的測量結(jié)果與傳統(tǒng)布魯斯測高器測量結(jié)果進行了比較分析。

1 Android手機測量樹高原理與算法

1.1 Android手機測樹高原理

傳感器是一種非接觸性感知傳遞信息的裝置[12]，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。Android4.0系統(tǒng)內(nèi)置方向傳感器、加速度傳感器等13種傳感器。

Android手機測量樹高原理是通過視覺傳感器進行瞄準，借助加速度傳感器確定角度，在三維標準空間坐標系中，利用安卓平臺API（應用程序接口）提供的三角函數(shù)計算出單株立木的高度。

手機上的空間坐標系的定義是手機水平放置時，與屏幕垂直方向為Z軸、屏幕的向右水平方向為X軸、垂直于 Z 軸和 X 軸的垂直方向為Y軸。如圖1所示，將手機以X軸為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)Y軸即可得到Z軸方向上的加速度變換分量，再將加速量轉(zhuǎn)換成角度值即可得到手機在Z軸方向的旋轉(zhuǎn)角度。利用安卓API提供的三角函數(shù)接口，得到的角度值結(jié)合水平距或兩次儀器高之差，根據(jù)相關(guān)公式實現(xiàn)測樹高。

圖1 三維標準空間坐標系Fig.1 Standard 3D space coordinate system

1.2 算 法

林地地形條件復雜，不同地形對樹高測量結(jié)果具有不同影響，應采取不同的算法。本文將分平地、均勻斜坡地形和任意地形三種情況進行討論。

（1）平地與均勻斜坡地形測樹高

平地的測樹高算法如下圖2，公式如下：

圖2 平坦地區(qū)和均勻斜坡樹高測量原理圖Fig.2 Tree height measurement principle diagram of flat area and uniform slope

式中：H為樹高，h為手機攝像頭中心到樹頂平面的垂直距離，D為水平距，l為觀測時手機攝像頭距離地面的高度，α為通過加速傳感器測定加速度轉(zhuǎn)換得到的樹頂角度減90°，β為90°減加速傳感器測定加速度轉(zhuǎn)換得到的樹底角。

（2）均勻斜坡

均勻斜坡地形的算法與平地相同，只是在選擇觀測位置時需要選垂直于坡向的平坦位置進行觀測。

（3）任意地形測樹高

式中：a1為儀器高1處觀測樹頂?shù)慕嵌?，β為在儀器高1處觀測樹底的角度，a2為儀器高2處觀測的樹頂?shù)慕嵌?。B為兩次儀器高之差，一般取B=儀器高1-儀器高2＞1.0 m。

圖3 任意地形樹高測量原理圖Fig.3 Schematic diagram of tree height measurement

2 Android 手機測量樹高APP的實現(xiàn)及使用方法

Android傳感器提供了一系列操作傳感器的方法，通過這些方法可以動態(tài)實時獲取傳感器上的數(shù)據(jù)。

2.1 APP的實現(xiàn)

安卓手機測樹高的具體實現(xiàn)主要調(diào)用了getSystemService()方法并給它傳遞SENSOR_SERVICE參數(shù)，來創(chuàng)建了一個SensorManager類的實例，獲取加速度傳感器的服務。在利用View類的子類SurfaceView實現(xiàn)了測樹高程序的視圖框架。在此視圖框架內(nèi)，實時獲取攝像頭與加速度傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了瞄準與角度計算。具體實現(xiàn)的部分關(guān)鍵代碼如下：

2.2 使用方法

2.2.1 平坦地形測樹高操作方法與步驟

（1）選擇距離樹木0.5～1.0倍樹高的平坦位置作為觀測點。

（2）測定觀測時，觀測者眼睛距離地面的高度。

（3）設置攝像頭高度，測定時觀測者站直，攝像頭放在右眼前瞄準。

（4）瞄準并保持攝像頭高度，同時向下傾斜手機（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)Y軸），使攝像頭對準被測樹木底部位置，利用手機屏幕上瞄準器十字絲，微調(diào)手機旋轉(zhuǎn)度，精確瞄準樹底部，按下【記錄樹底角】按鈕。

（5）保持手機攝像頭高度同時向上傾斜手機（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)Y軸），使得攝像頭對準被測樹木頂部位置，利用手機屏幕上瞄準器十字絲，微調(diào)手機旋轉(zhuǎn)度，精確瞄準樹頂部，按下【記錄樹頂角】按鈕。

（6）按下【計算樹高】按鈕得到樹高、水平距離、樹頂角、樹底角度并記錄。

2.2.2 均勻斜坡地形測樹高操作方法與步驟：

（1）選擇距離樹木0.5～1.0倍樹高并且垂直坡向的平坦位置作為觀測點（見圖4）；均勻斜坡地形測樹高操作方法與步驟除第一步外其它步驟與平坦地形完全相同。

圖4 均勻斜坡觀測方法示意Fig.4 Observation method diagram of uniform slope

2.2.3 任意地形測樹高操作方法與步驟：

（1）選擇距離樹木0.5～1.0倍樹高的位置作為觀測點。

（2）測量自己站立時眼睛距離地面的高度（一般是身高×92%）和單膝跪地時眼睛距離地面的高度之差。也可使用專門的腳架固定手機來提供兩次觀測之間的儀器高差。

（3）單膝跪地保持手機攝像頭高度與眼睛高度一致的同時向上傾斜手機（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)Y軸），使得攝像頭對準被測樹木頂部位置，利用手機屏幕上瞄準器十字絲，微調(diào)手機旋轉(zhuǎn)度，精確瞄準樹頂部，按下【記錄樹頂角1】按鈕。

（4）站立保持手機攝像頭高度與眼睛高度一致的同時向上傾斜手機（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)Y軸），使得攝像頭對準被測樹木頂位置，利用手機屏幕上瞄準器十字絲，微調(diào)手機旋轉(zhuǎn)度，精確瞄準樹頂部，按下【記錄樹頂角2】按鈕。

（5）站立保持手機攝像頭高度與眼睛高度一致的同時向下傾斜手機（以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)Y軸），使得攝像頭對準被測樹木底位置，利用手機屏幕上瞄準器十字絲，微調(diào)手機旋轉(zhuǎn)度，精確瞄準樹底部，按下【記錄樹底角2】按鈕。

（6）按下【計算樹高】按鈕得到樹高、水平距離、樹頂角1、樹頂角2、樹底角2的角度并記錄。

3 手機測樹高試驗

3.1 方 法

為測試安卓手機測樹程序的功能與精度，本文在北京石景山區(qū)隆恩寺后山林地內(nèi)進行了試驗。試驗選取了不同設備和不同地形進行對比，具體選用南方測繪NTS-352L全站儀（測距精度為±3 mm+2×10-6×D，測角精度為±2″）、布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器和聯(lián)想A808T安卓手機上安裝測樹高APP（見圖5）。在便于觀測的測點上分別用全站儀、布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器和聯(lián)想A808T安卓手機上安裝的測樹高APP對每棵樣木進行10 次測量。以全站儀測量的樹高數(shù)據(jù)為真值，與布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器和聯(lián)想A808T安卓手機上安裝的測樹高APP的測量數(shù)據(jù)進行比較，相對誤差用式（8）進行計算。

式（8）中：I為樹高測量的相對誤差；H為樹高觀測平均值；Ht為樹高真值；樹高真值為全站儀測量樹高的平均值。

圖5 Android手機樹高測量APP界面Fig.5 Android phone tree height measurement APP interface

3.2 結(jié)果分析

本文在人工成熟林內(nèi)隨機選取了30株落葉松進行觀測，以全站儀10次重復觀測的算數(shù)平均值為樹高真值，將布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器與聯(lián)想A808T安卓手機上安裝測樹高APP進行樹高測量數(shù)據(jù)對比如下表1。

4 結(jié)論與討論

本文利用安卓傳感器，設計并實現(xiàn)了基于Android手機平臺的林木單株測樹高的APP，可快速便捷的測量立木樹高，且精度達到布魯斯測高器的精度，操作簡單、攜帶方便，不用單獨購買測高儀器設備，使用調(diào)查員自己使用的智能手機就可測量。程序易于與其他程序結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)自動統(tǒng)計匯總功能，減少了調(diào)查員攜帶紙筆夾子等額外負擔。對比分析布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器與聯(lián)想A808T安卓手機測樹高APP的樹高測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，安卓手機測樹APP測量林木單株樹高方法的平均誤差為3.19；布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器法測量林木單株樹高的平均誤差值為3.70。安卓手機測樹高APP方法比布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器法測量林木單株樹高的平均誤差值精度提高了62%。

表1 安卓手機樹高測量APP與布魯萊斯（Blume-Leiss）測高器方法相對誤差比較Table 1 Relative error comparison of android phone tree height measurement APP andBlume-Leiss height finder

[1]張慧春,鄭加強,周宏平.精確林業(yè)GPS信標差分定位精度分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(7):210-214.

[2]賈振軒,馮仲科,焦有權(quán),等.無伐倒活立木材積精準計測原理與試驗[J].中南林業(yè)科技大學學報,2014,34(5):32-36.

[3]馮仲科,梁長秀,隋宏大,等.內(nèi)置程序式電子經(jīng)緯儀角規(guī)自動立體測樹技術(shù)[P].中國專利:101158576,2008-04-09.

[4]馮仲科,徐禎祥,杰林德·羅斯納爾.電子角規(guī)測樹儀及自動測樹方法[P].中國專利: 1570557,2005-01-26.

[5]馮仲科,姚 山.全站儀量測樹高方法[P].中國專利: 101021416,2007-08-22.

[6]馮仲科,馬 超,趙保衛(wèi),等.視頻超站儀及森林計測方法[P].中國專利:1670474,2005-09-21.

[7]馮仲科,王 佳.一種測樹型超站儀及其使用方法[P].中國專利:102466476A,2012-5-23.

[8]趙茂程,鄭加強.樹形識別與精確對靶施藥的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2003,19(6):150-153.

[9]張巍巍,馮仲科,汪笑安, 等.基于 TM 影像的林木參數(shù)提取和樹高估測[J].中南林業(yè)科技大學學報,2013,33(9):27-31.

[10]曹 忠,馮仲科,徐偉恒,等.電子經(jīng)緯儀無損立木材積測量方法及精度分析研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2015, 35(4):7-13.

[11]焦有權(quán),馮仲科,高原,等.用光電經(jīng)緯儀對無伐倒活立木材積精準計測[J].中南林業(yè)科技大學學報,2013,33(10):25-29.

[12]楊豐盛.Android應用開發(fā)揭秘[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

Development and test of android smartphone tree height measurement APP

LI Ya-dong1,2, FENG Zhong-ke2, CAO Ming-lan1, ZHENG Fan2
(1.Beijing Polytechnic College, Beijing 100042,China; 2.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry of Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

With its strong advantages of openness and flexibility, Android mobile phone system becomes the necessary choice of mobile phone system application development. The article discusses technical points and the practice process of developing individual tree height measurement program based on Android mobile phone system sensor and through experiment, compares and analyzes measurement results and traditional Blume-Leiss height finder. Results show that Android tree height measurement APP has the average error of 3.19; Blume-Leiss height finder has the average error of 3.70. Average error precision of Android phone tree height measurement APP method increases by 62% than that of the latter.

forestry; android; sensor; measurements

S758.5

A

1673-923X(2016)10-0078-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.014

2015-06-19

國家自然科學基金資助項目（41371001）

李亞東，講師，博士研究生

馮仲科，教授，博士研究生導師；E-mail：fengzhongke@126.com

李亞東，馮仲科，曹明蘭，等. Android智能手機樹高測量APP開發(fā)與試驗[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(10):78-82.

[本文編校：吳 彬]