森林智能測繪記算器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邱梓軒 馮仲科 蔣君志偉 范永祥

(北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

森林智能測繪記算器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邱梓軒 馮仲科 蔣君志偉 范永祥

(北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

森林調(diào)查主要包括單木胸徑、單木樹高、單木材積、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度、林分蓄積量等。以攝影測量學(xué)原理、圖像處理技術(shù)原理、測樹學(xué)原理為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了森林智能測繪記算器，由自主研發(fā)的PDA模塊、EDM模塊和云臺(tái)組成，測量時(shí)獲取傾角、方位角、距離及圖像信息等參數(shù)，通過在Android Studio 2.1開發(fā)環(huán)境下集成并利用Java語言進(jìn)行匯編的4個(gè)模塊化程序，能夠?qū)崿F(xiàn)樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測量、基本測量等5項(xiàng)功能。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，樹高測量精度達(dá)97.13%，胸徑測量精度達(dá)97.08%，材積測量精度達(dá)94.52%，林分平均高測量精度達(dá)98.09%，林分平均胸徑測量精度達(dá)98.05%，林分密度測量精度達(dá)96.59%，林分蓄積量測量精度達(dá)95.72%，符合國家森林資源連續(xù)清查的精度要求，可以在林業(yè)調(diào)查中推廣使用。

森林調(diào)查; 測繪記算器; 安卓系統(tǒng); 樹高; 胸徑; 林分參數(shù)

引言

樹木的直接測定因子及其派生因子統(tǒng)稱為基本測樹因子，例如：樹干直徑、樹高等，另外，在直接測定因子基礎(chǔ)上會(huì)派生一些測樹因子，例如：樹干橫截面積、樹干材積等[1]。森林觀測內(nèi)容主要包括單木胸徑、單木樹高、林分平均胸徑、林分平均高、林分蓄積量、林分密度等[2]。由于林中地形復(fù)雜多變且林分環(huán)境陰暗潮濕，森林資源調(diào)查面臨許多問題，為測量裝備的使用帶來了新的挑戰(zhàn)，因此研制一系列便于在森林中使用的地面測量儀器對林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐工作具有現(xiàn)實(shí)意義[3]。

隨著信息化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，利用更加集成化、智能化、精準(zhǔn)化的森林植被觀測裝備成為森林資源調(diào)查的主流[4]。各類測樹儀器的進(jìn)步都伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測樹原理的改進(jìn)及完善過程[5]。林業(yè)調(diào)查主要用皮尺測量水平距或者斜距，皮尺測量精度不高且效率低下，激光測距儀[6-13]很好地解決了這一難題，例如：紐康激光測距儀、尼康激光測距儀[14]。傳統(tǒng)的測樹儀器功能單一，只包含測高、測徑、測距等，國內(nèi)外逐步生產(chǎn)了一批多功能測樹儀器，例如：巴爾斯特勞測樹儀、光學(xué)測樹儀、電子角規(guī)測樹儀、森林羅盤儀[15]。北京林業(yè)大學(xué)利用全站儀結(jié)合PC-E500型電子手簿對樹冠進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，并利用三維激光掃描儀對單木進(jìn)行了精準(zhǔn)測量，進(jìn)而模擬冠形、提取樹冠體積和表面積，以精確計(jì)算單木的森林生物量[16]。馮仲科等研發(fā)了3D電子角規(guī)，利用測樹電子經(jīng)緯儀[17-21]、測樹全站儀[22-24]、測樹超站儀[25-26]進(jìn)行森林計(jì)測，并對其精度進(jìn)行了分析。黃曉東等[27]研制了可測量胸徑和樹高的多功能便攜式微型超站儀，實(shí)現(xiàn)樹高、胸徑自動(dòng)測量。徐偉恒等[28]研制了手持式數(shù)字化多功能電子測樹槍，實(shí)現(xiàn)了樹高測量、任意處直徑測量等。目前，國內(nèi)研制的儀器雖然解決了功能單一、便攜性差、操作復(fù)雜等問題，但是，仍然存在系統(tǒng)落后、成本昂貴、精度較差等問題。

隨著智能手機(jī)和平板電腦性能的提升，以及其內(nèi)置傳感器功能的完善，結(jié)合圖像處理技術(shù)和攝影測量學(xué)，為森林計(jì)測向智能化、精準(zhǔn)化、便攜化發(fā)展提供了新方向。針對上述情況，本研究結(jié)合森林計(jì)測實(shí)際需求，利用激光測距傳感器、傾角傳感器、電子羅盤、CCD鏡頭，基于測樹學(xué)原理及攝影測量學(xué)原理，由安卓系統(tǒng)內(nèi)嵌程序自動(dòng)解算出樹高、胸徑、材積以及林分參數(shù)，將各元器件精密集成，形成快速、便攜、智能的森林調(diào)查儀器——森林智能測繪記算器，實(shí)現(xiàn)樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、遮擋條件下樹高測量、角規(guī)樣地測量等功能。

1 森林智能測繪記算器構(gòu)成

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

森林智能測繪記算器的硬件組成包括PDA(Personal digital assistant)模塊(FAM5-PDA型，精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國)、EDM(Electronic distance measurement)模塊(PD510S型，南方測繪儀器有限公司，中國)和自主研發(fā)云臺(tái)，如圖1所示。PDA模塊是將CPU(Central processing unit)、RAM(Random access memory)、ROM(Read only memory image)、GPU(Graphics processing unit)、觸控顯示屏、CCD鏡頭、重力傳感器、陀螺儀、GPS(Global positioning system)芯片、藍(lán)牙芯片、WiFi芯片、電源等高度集成，并根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)鋁合金外殼，將2個(gè)部件高密度、高可靠地集成于云臺(tái)，并分別可拆卸、充電、更換，方便操作，如圖2所示。

圖1 森林智能測繪記算器Fig.1 Schematic of forest intelligent dendrometer

圖2 硬件總體框架 Fig.2 Framework of hardware

PDA模塊中的CPU選用聯(lián)發(fā)科 Helio P10型處理器，頻率1.8 GHz(大四核)，核心數(shù)8核，用于解釋指令和處理數(shù)據(jù)；GPU選用Mali-T860型，處理位數(shù)64位，用于處理獲取圖像信息；RAM選用LPDDR3內(nèi)存架構(gòu)，容量2 GB，最高頻率2 133 MHz；ROM選用C8051F410 片內(nèi)閃存設(shè)計(jì)，16 GB，最高持續(xù)速度80 m/s，速度級(jí)別Class 10；CCD鏡頭選用定焦光學(xué)鏡頭，定焦4 mm，1 300萬像素，LED補(bǔ)光燈，光圈f/2.2，用于獲取圖像信息；重力傳感器采用三軸加速傳感器LIS331DLH，用于測量測繪記算器和測點(diǎn)間的傾斜角；陀螺儀采用集成電路芯片GY-26，用于測量測繪記算器到測點(diǎn)的磁方位角；GPS芯片用于接收GPS信號(hào)，藍(lán)牙芯片用于接收EDM模塊所測得的數(shù)據(jù)，WiFi芯片用于傳輸圖像信息及連接網(wǎng)絡(luò)；電源采用集成電路TPS61020，用于向各器件供電。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在Android Studio 2.1開發(fā)環(huán)境下集成，利用Java語言進(jìn)行匯編實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到輕型SQLite數(shù)據(jù)庫中，PDA使用基于Linux核心的安卓系統(tǒng)平臺(tái)。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有樹高測量模塊、胸徑測量模塊、三元材積解算模塊、3D角規(guī)樣地測量模塊，最終匯總為森林調(diào)查軟件。圖3a為森林調(diào)查軟件主程序流程圖，主程序主要包括初始化界面以及功能選擇界面，用戶可以通過選擇進(jìn)入不同功能模塊。圖3b～3e為4項(xiàng)功能模塊的程序流程圖，樹高、胸徑、材積、林分平均高、林分平均胸徑、林分密度、林分蓄積量等主要測量參數(shù)以及圖像信息、傾角、斜距、磁方位角、角規(guī)系數(shù)等輔助測量參數(shù)均能實(shí)時(shí)顯示，獲取的數(shù)據(jù)會(huì)以文件形式保存在內(nèi)存中，可通過micro USB導(dǎo)出。

圖3 主程序和4個(gè)功能模塊流程圖Fig.3 Flow chart of main program and 4 function modules

1.3 功能參數(shù)

森林智能測繪記算器的功能包括樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測量、基本測量5項(xiàng)功能。距離測量，在使用覘板條件下，測量距離范圍為0.1～200 m，測量精度為±1.5 mm，最小顯示單位為0.1 mm，激光等級(jí)為II級(jí)，激光類型為635 nm，功率小于1 mW；傾角測量范圍為-75°～75°，測量精度為1°。方位角測量范圍為0°～360°，測量精度為1°。操作系統(tǒng)為Android 4.2.2，CPU為1.8 GHz八核處理器，內(nèi)存2 G RAM，儲(chǔ)存16 G ROM。GNSS指標(biāo)，接收機(jī)為GPS L1、L2，GLONASS L1、L2，BDS B1、B2(B3可選)，支持SBAS、CORS等多種差分改正，單點(diǎn)定位為2 m，SBAS精度小于1 m，外部源差分小于0.1 m(CEP)，后精度差分2 cm+1×10-4cm。PDA尺寸為153.6 mm×75.5 mm×8.2 mm，其電池連續(xù)工作時(shí)間為8 h，EDM尺寸為137 mm×52 mm×28 mm，其電池連續(xù)工作時(shí)間為5 h，云臺(tái)尺寸為160 mm×78 mm×150 mm，測繪記算器的工作環(huán)境溫度為-20～50℃。

2 森林智能測繪記算器測量原理

2.1 樹高測量

樹高測量具體步驟為：①確定合適測點(diǎn)位置A點(diǎn)，保證測點(diǎn)和立木之間無遮擋且距離盡量等于樹高H(圖4)。②對準(zhǔn)樹木根徑處點(diǎn)B，點(diǎn)擊測距鍵進(jìn)行測量，點(diǎn)擊屏幕左上角“0.000”進(jìn)行距離更新，點(diǎn)擊“確定”測得斜距L1和傾角α1。③點(diǎn)擊屏幕“下一步”，對準(zhǔn)樹梢頂點(diǎn)C，再點(diǎn)擊“完成”，測得傾角α2后，計(jì)算出樹高

(1)

式中L1——測站點(diǎn)到樹根的斜距，mα1——對準(zhǔn)樹根時(shí)的傾角，(°)α2——對準(zhǔn)樹梢時(shí)的傾角，(°)

樹高H能自動(dòng)顯示和儲(chǔ)存，點(diǎn)擊“結(jié)果”可以查看，圖5為樹高測量界面。

圖4 樹高測量原理圖Fig.4 Principle diagram of tree height measurement

圖5 樹高測量界面Fig.5 Interface of tree height measurement

圖4中測站點(diǎn)A在根徑下方，測得的α1為正值，若測站點(diǎn)A在根徑上方，測得的α1為負(fù)值，同理，測站點(diǎn)A在樹梢上方，測得的α2為負(fù)值，若測站點(diǎn)A在樹梢下方，測得的α2為正值，所以，無論哪種情況，均可用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 胸徑測量

胸徑測量的具體步驟為：①將屏幕中十字絲對準(zhǔn)立木樹干中心，點(diǎn)擊測距鍵進(jìn)行測量，點(diǎn)擊屏幕左上角“0.000”進(jìn)行距離L更新，再點(diǎn)擊紅色按鈕確認(rèn)，圖6為胸徑測量界面示意圖。②調(diào)整“+”“-”使邊界線卡在待測立木樹干兩側(cè)，計(jì)算出胸徑D，胸徑D能自動(dòng)顯示和儲(chǔ)存，點(diǎn)擊“結(jié)果”可以查看，圖7為胸徑測量結(jié)果界面。

圖6 胸徑測量界面Fig.6 Interface of DBH measurement

圖7 胸徑測量結(jié)果界面Fig.7 Interface of DBH measuring result

胸徑測量時(shí)，可以通過測繪記算器測出測站點(diǎn)到胸徑距離L，測繪記算器的CCD鏡頭定焦焦距為f，如圖8所示，通過CCD鏡頭成像原理解算獲得胸徑D。

(2)

式中N——測繪記算器屏幕內(nèi)所測圖像像素值，像素

圖8 CCD鏡頭成像原理示意圖Fig.8 Principle of CCD-based imaging

2.3 三元材積解算

三元材積解算具體步驟為：①選擇視野良好的測點(diǎn)A，架設(shè)測繪記算器，然后對胸徑處作標(biāo)記，觀測胸徑記為d1，樹高h(yuǎn)1=1.3 m。②目測選擇樹高約2/3處，觀測此處直徑記為d2，此處樹高記為h2。③觀測整棵樹樹高記為H，如圖9所示，為胸徑測量界面。

圖9 三元材積解算界面Fig.9 Interface of three-element volume calculation

圖10 三元材積解算原理示意圖Fig.10 Principle of three-element volume calculation

三元材積解算原理示意圖如圖10所示。對地徑處到胸徑處樹木材積視為圓柱體，這段樹木材積的計(jì)算式為

(3)

式中V1——地徑處到胸徑處材積，m3

胸徑處到d2處樹木材積，可根據(jù)臺(tái)柱體體積的計(jì)算方法獲得

(4)

式中d2——測繪記算器所測樹高約2/3處胸徑，cmh2——測繪記算器所測樹的2/3處樹高，mV2——胸徑處到d2處樹木材積，m3

對d2到樹梢處樹木材積，可根據(jù)圓錐體計(jì)算方法獲得

(5)

式中H——測繪記算器所測立木整體樹高，mV3——d2到樹梢處樹木材積，m3

而立木的整體材積，由3段材積相加得到

V=V1+V2+V3

(6)

式中V——測繪記算器計(jì)算得出的立木整體材積，m3

2.4 3D角規(guī)樣地測量

3D角規(guī)樣地測量具體步驟是：①在樣地中選取樣點(diǎn)，以此樣點(diǎn)為角規(guī)放置點(diǎn)。②利用測繪記算器(3D角規(guī)樣地觀測功能)進(jìn)行繞測，按照角規(guī)計(jì)數(shù)原則進(jìn)行計(jì)數(shù)。③測量并記錄角規(guī)點(diǎn)到計(jì)數(shù)木距離Li、計(jì)數(shù)木方位角T0i、計(jì)數(shù)木樹高Hi、胸徑Di、樹種，圖11為3D角規(guī)樣地測量界面。

圖11 3D角規(guī)樣地測量界面Fig.11 Interface of 3D angle gauge plot measurement

3D角規(guī)具體使用步驟為：①進(jìn)行角規(guī)樣地觀測時(shí)，點(diǎn)擊屏幕“-”或“+”，可以選擇3種角規(guī)系數(shù),即0.5、1、2，屏幕右上角顯示所選角規(guī)系數(shù)。②每當(dāng)觀測到符合角規(guī)計(jì)數(shù)原則的立木，點(diǎn)擊“查看”，使用胸徑測量功能和樹高測量功能，進(jìn)行數(shù)木胸徑和樹高測量，分別點(diǎn)擊“距離”和“方位角”，獲得此時(shí)立木的距離和方位角。

測繪記算器中3D角規(guī)的主要工作原理，可以表示為

(7)

式中Fg——角規(guī)系數(shù)M——測繪記算器屏幕內(nèi)兩條豎線(電子角規(guī)片)長度，像素

利用測繪記算器的3D角規(guī)樣地測量功能，可獲取林分平均高度、林分平均胸徑、林分密度、林分蓄積量。

利用格羅森堡公式

(8)

式中Y——所調(diào)查林分的每公頃調(diào)查量yj——第j株計(jì)數(shù)木的調(diào)查量gj——第j株計(jì)數(shù)木的斷面積，m2Z——計(jì)數(shù)木株數(shù)

可獲得林分平均高度為

(9)

式中Di——第i株樹的胸徑，cmHi——第i株樹的樹高，mk——計(jì)數(shù)木株數(shù)

林分平均胸徑計(jì)算公式為

(10)

式中n——計(jì)數(shù)木株數(shù)

(3)林分密度Ng(株/hm2)

林分密度計(jì)算公式為

(11)

式中g(shù)i——第i徑階的斷面積，m2ni——第i徑階計(jì)數(shù)木株數(shù)

(4)林分蓄積量T(m3/hm2)

林分蓄積量計(jì)算公式為

(12)

式中f1——導(dǎo)出形數(shù)(按六大區(qū)域分類，其中又分為針葉樹種、闊葉樹種、混交林3類)

2.5 基本測量

放置測繪記算器且架設(shè)云臺(tái)后，對準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，可以測量測站點(diǎn)A到目標(biāo)點(diǎn)C的距離L、傾角、方位角。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹高測量試驗(yàn)

為驗(yàn)證測繪記算器的樹高測量功能及測量精度，在北京西山鷲峰林場展開試驗(yàn)。在林區(qū)選取立地條件不同樣地對測繪記算器的樹高測量功能進(jìn)行試驗(yàn)，樹種包含栓皮櫟、油松、槲櫟、臭椿、側(cè)柏、山杏等，選用南方測繪DT-02型電子經(jīng)緯儀(標(biāo)稱測角精度±2″)和測繪記算器進(jìn)行樹高測量試驗(yàn)，在2個(gè)方向不同觀測點(diǎn)對每棵樹進(jìn)行2次觀測。以DT-02型電子經(jīng)緯儀所測數(shù)據(jù)為真值與測繪記算器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相對誤差為

(13)

表1所示為測繪記算器樹高測量相對誤差，在20組測量中，相對誤差范圍為1.11%～4.82%，符合森林一類調(diào)查要求。

表1 測繪記算器樹高測量相對誤差Tab.1 Relative error of tree height measurement

3.2 胸徑測量試驗(yàn)

為驗(yàn)證測繪記算器的胸徑測量功能及測量精度，在北京西山鷲峰林場展開試驗(yàn)。在林區(qū)取立地條件不同樣地對測繪記算器的胸徑測量功能進(jìn)行試驗(yàn)，樹種包含栓皮櫟、油松、槲櫟、臭椿、側(cè)柏、山杏等，利用胸徑尺和測繪記算器進(jìn)行胸徑測量試驗(yàn)，在2個(gè)方向不同觀測點(diǎn)對每棵樹進(jìn)行2次觀測。以胸徑尺每木檢尺所測數(shù)據(jù)為真值和測繪記算器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同理利用式(13)進(jìn)行計(jì)算，表2所示為測繪記算器胸徑測量相對誤差，在20組測量中，相對誤差范圍為0.82%～5.00%，符合森林一類調(diào)查要求。

表2 測繪記算器胸徑測量相對誤差Tab.2 Relative error of DBH measurement

3.3 三元材積解算試驗(yàn)

為驗(yàn)證測繪記算器三元材積解算功能及測量精度，在北京西山鷲峰林場展開試驗(yàn)。在林區(qū)取立地條件不同樣地對測繪記算器的三元材積解算功能進(jìn)行試驗(yàn)，樹種包含油松、栓皮櫟、山桃、槲樹等，利用南方測繪DT-02型電子經(jīng)緯儀(標(biāo)稱測角精度±2″)和測繪記算器進(jìn)行三元材積解算試驗(yàn)，在2個(gè)方向不同觀測點(diǎn)對每棵樹進(jìn)行2次觀測。以DT-02型電子經(jīng)緯儀所測的數(shù)據(jù)為真值與測繪記算器所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用式(13)進(jìn)行計(jì)算，表3所示為測繪記算器三元材積解算相對誤差，在20組測量中，相對誤差范圍為1.01%～9.27%，符合森林一類調(diào)查要求。

3.4 3D角規(guī)樣地測量試驗(yàn)

為驗(yàn)證測繪記算器的3D角規(guī)樣地測量功能及測量精度，在北京西山鷲峰林場及周邊選取15塊樣地，根據(jù)要求從中篩選出10塊樣地做研究使用，樣地間距保證在0.5 km以上，樣地主要樹種為刺槐和油松，分布均勻，生長狀況良好。在樣地內(nèi)，讓不同觀測人員進(jìn)行3D角規(guī)樣地測量試驗(yàn)，根據(jù)林分疏密度、林木分布狀況、林分平均直徑以及通視條件，調(diào)整選取角規(guī)系數(shù)。

表3 測繪記算器三元材積解算相對誤差Tab.3 Relative error of three-element volume calculation

3D角規(guī)樣地測量試驗(yàn)是將測繪記算器測量的林分平均高度、林分平均胸徑、林分密度、林分蓄積量與標(biāo)準(zhǔn)樣地(20 m×20 m)每木檢尺測量林分參數(shù)作比較，以標(biāo)準(zhǔn)樣地每木檢尺測量值作為真實(shí)值。從表4～7可以看出，在10組樣地測量中，林分平均高度相對誤差范圍為0.31%～5.70%，林分平均胸徑相對誤差范圍為0.15%～4.77%，林分密度相對誤差范圍為3.12%～5.01%，林分蓄積量相對誤差范圍為0.79%～9.51%，均符合森林一類調(diào)查要求。

3.5 基本測量試驗(yàn)

在距離測量方面，在距離測站點(diǎn)1 m處設(shè)置1個(gè)測點(diǎn)以后，按距離上一個(gè)測點(diǎn)每隔2 m處設(shè)置1個(gè)測點(diǎn)，做好標(biāo)記，先用全站儀測量距離，再用測繪記算器測量距離，經(jīng)過多次測量，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測量偏差范圍為-5～4 mm，平均偏差為2.34 mm；在傾角測量方面，傾角測量范圍為-75°～75°，以10°為間隔，做好標(biāo)記，分別用全站儀和測繪記算器進(jìn)行測量，測量偏差在-1°～1°之間，平均偏差為49′23″；在方位角測量方面，將測繪記算器固定在水平度盤上，從0°開始，每隔10°旋轉(zhuǎn)測繪記算器，記錄測繪記算器方位角度數(shù)，測量偏差在-1°～1°之間，平均偏差為43′35″。在傾角測量和方位角測量方面，受到儀器內(nèi)部空間限制，并沒有達(dá)到理想精度，但相對目前林業(yè)調(diào)查裝備來說，精度較高，智能且數(shù)字化，方便攜帶，可以達(dá)到森林調(diào)查要求。

表4 3D角規(guī)樣地測量林分平均高度相對誤差Tab.4 Relative error of stand average high of 3D angle gauge plot measurement

表5 3D角規(guī)樣地測量林分平均胸徑相對誤差Tab.5 Relative error of stand average DBH of 3D angle gauge plot measurement

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的森林智能測繪記算器由PDA模塊、EDM模塊和云臺(tái)高密度集成于一體，基于攝影測量學(xué)原理、圖像處理技術(shù)原理、測樹學(xué)原理，由內(nèi)嵌樹高測量模塊、胸徑測量模塊、三元材積解算模塊、3D角規(guī)樣地測量模塊等模塊化程序，實(shí)現(xiàn)樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測量、基本測量5大功能。詳細(xì)闡述了樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測量、基本測量等功能的原理和作業(yè)方式，并通過實(shí)際野外試驗(yàn)驗(yàn)證，得到樹高測量精度達(dá)97.13%，胸徑測量精度達(dá)97.08%，材積測量精度達(dá)94.52%，林分平均高度測量精度達(dá)98.09%，林分平均胸徑測量精度達(dá)98.05%，林分密度測量精度達(dá)96.59%，林分蓄積量測量精度達(dá)95.72%，符合國家森林資源連續(xù)清查中的精度要求，該裝備可以在林業(yè)調(diào)查中推廣使用。

表6 3D角規(guī)樣地測量林分密度相對誤差Tab.6 Relative error of stand density of 3D angle gauge plot measurement

表7 3D角規(guī)樣地測量林分蓄積量相對誤差Tab.7 Relative error of stand volume of 3D angle gauge plot measurement

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Design and Experiment of Forest Intelligent Surveying and Mapping Instrument

QIU Zixuan FENG Zhongke JIANG Junzhiwei FAN Yongxiang
(PrecisionForestryKeyLaboratoryofBeijing，BeijingForestryUniversity,Beijing100083，China)

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 and stand volume. The theoretical basis was based upon the principle of photogrammetry, image-processing technology and forest measurement, and the forest intelligent dendrometer was developed which was composed of the self-developed R&D PDA module, EDM module and rotational station. There were four modular procedures which were compiled in the Java language and developed in Android Studio 2.1 systems development environment, and five measuring functions, such as tree height, DBH, three-element volume calculation, 3D angle gauge plot and basic measurement, and they were 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%. Thus the equipment was in line with the accuracy requirement of national forest inventory (NFI), which can be promoted to be used in the forestry inventory.

forest resources inventory; surveying and mapping instrument; Android system; tree height; diameter at breast height; stand parameters

2016-08-08

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371001)

邱梓軒(1991—)，男，博士生，主要從事林業(yè)裝備信息化研究，E-mail: baronq@foxmail.com

馮仲科(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林業(yè)裝備信息化研究，E-mail: fengzhongke@126.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.022

TP23

A

1000-1298(2017)05-0179-09