電子條碼尺立木胸徑自動(dòng)測(cè)量研究

劉金成 馮仲科 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)

引言

胸高直徑(Diameter at breast height，DBH)，亦稱胸徑，是指樹干距離地面以上相當(dāng)于一般成年人胸高部位的直徑，我國胸高位置定義為地面以上1.3 m處，這一概念是從歐洲國家傳入我國的[1-2]。由于胸徑是評(píng)價(jià)立地質(zhì)量和林木生長(zhǎng)狀況以及進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)管理的重要依據(jù)，在立木條件下又容易測(cè)定，所以在森林調(diào)查中是一個(gè)非常重要的調(diào)查因子[3-4]。

傳統(tǒng)的胸徑測(cè)量設(shè)備種類很多，主要有卡尺(Calipers)、測(cè)徑圍尺(Diameter tapes)、鉤尺(Hook gauge)等[1,5]，其測(cè)量值往往被視為胸徑標(biāo)準(zhǔn)值[6]，但這些測(cè)量方式的測(cè)徑過程一般需要1或2人完成，效率低下，工作強(qiáng)度較大。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外新一代胸徑測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法層出不窮，主要表現(xiàn)在通過攝影測(cè)量方式卡尺原理的胸徑測(cè)量[7-10]、通過建立胸徑-冠徑模型進(jìn)行遙感反演的胸徑測(cè)量[11-14]、通過三維激光掃描建模原理的胸徑測(cè)量[15-17]等，這些測(cè)徑方式雖然在一定程度上提高了測(cè)量效率和測(cè)量水平，甚至可能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，但是由于林木生長(zhǎng)的不規(guī)則性、森林調(diào)查環(huán)境的復(fù)雜性、測(cè)量設(shè)備的可攜帶性以及測(cè)量成本的綜合考慮，很多先進(jìn)的胸徑測(cè)量設(shè)備和方法在實(shí)際林業(yè)調(diào)查中沒有得到推廣和應(yīng)用。

近些年，隨著計(jì)算機(jī)以及光電技術(shù)的不斷發(fā)展，在總結(jié)前人胸徑測(cè)量設(shè)備利弊的基礎(chǔ)上，借助光電掃描系統(tǒng)，嘗試?yán)闷胀ǖ腁ndroid智能手機(jī)平臺(tái)[18]，探索新型的立木胸徑測(cè)量方法。本文從傳統(tǒng)測(cè)徑圍尺測(cè)量胸徑的原理出發(fā)，考慮實(shí)際胸徑測(cè)量的精度問題、便攜性、經(jīng)濟(jì)因素以及推廣適用性，設(shè)計(jì)一種單人作業(yè)自動(dòng)測(cè)記胸徑的電子條碼圍尺。該條碼尺是根據(jù)EAN-13條形碼規(guī)則編碼[19]，利用手機(jī)掃描條形碼圖像，通過圖像的預(yù)處理、條形碼的定位與識(shí)別、胸徑的自動(dòng)測(cè)量與記錄、數(shù)據(jù)保存與導(dǎo)出等過程，實(shí)現(xiàn)森林調(diào)查林木胸徑的單人作業(yè)自動(dòng)測(cè)量。

1 原理與方法

1.1 EAN-13條形碼及編碼原理

條形碼是一種配合光電掃描系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和判讀的信息圖形標(biāo)識(shí)符，利用該標(biāo)識(shí)符特有的性質(zhì)進(jìn)行信息分析和處理的技術(shù)稱為條形碼技術(shù)。目前，條形碼技術(shù)綜合了光電技術(shù)、條碼編碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及印刷識(shí)別技術(shù)等多種信息化技術(shù)于一體，是一種快速高效、可靠性好、信息采集準(zhǔn)確、靈活便攜、可復(fù)印和不可隨意更改的信息記錄和傳輸介質(zhì)[20]。

EAN-13(European article number-13)作為一種最常用的標(biāo)準(zhǔn)一維條形碼，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)由左側(cè)空白區(qū)、起始符、左側(cè)數(shù)據(jù)符、中間分隔符、右側(cè)數(shù)據(jù)符、校驗(yàn)符、終止符、右側(cè)空白區(qū)和條碼下方供人識(shí)別字符組成[21]，如圖1所示。

圖1 EAN-13條形碼的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 EAN-13 bar code standard structure diagram1.供人識(shí)別字符 2.右側(cè)空白區(qū) 3.終止符 4.校驗(yàn)符 5.右側(cè)數(shù)據(jù)符 6.中間分隔符 7.左側(cè)數(shù)據(jù)符 8.起始符 9.左側(cè)空白區(qū) 10.前置碼

EAN-13條形碼標(biāo)準(zhǔn)碼包含13個(gè)字符，對(duì)從右向左排序的12個(gè)字符依次進(jìn)行編碼，第13位不進(jìn)行編碼，它的值由左側(cè)數(shù)據(jù)符的奇偶排列決定，稱為前置碼。在13位字符中，從左向右，分布是有一定規(guī)則的，條碼前2位或3位表示對(duì)應(yīng)國家或地區(qū)代碼，即前綴碼；隨后的4位或5位表示商品生產(chǎn)企業(yè)的代碼；依次往后的5位表示商品代碼，用以表示具體的商品名稱；最后1位表示條碼的校驗(yàn)碼，用以提高編碼的可靠性和正確性。

EAN-13條形碼編碼采用模塊組合的方式進(jìn)行，每個(gè)條形碼字符由2個(gè)“條”和2個(gè)“空”組成，而每個(gè)字符的基本組成單位就是模塊。由于每個(gè)“條”或“空”都由1～4個(gè)模塊組成，每個(gè)字符的總模塊數(shù)為7，因此，EAN-13條形碼又是一種(7，2)碼，其中，“條”和“空”分別用“1”和“0”表示[22]。表1給出了A、B、C 3個(gè)條形碼字符集的二進(jìn)制表達(dá)形式。

表1 EAN-13條形碼字符集二進(jìn)制表達(dá)形式Tab.1 EAN-13 bar code character set binaryrepresentation

除此之外，表1中未包含的編碼字符模塊為：起始符的二進(jìn)制表達(dá)為“101”，中間分隔符的二進(jìn)制表示“01010”，終止符二進(jìn)制表達(dá)為“101”。

1.2 條形碼的判讀與識(shí)別

針對(duì)EAN-13條形碼的編碼原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)條形碼的準(zhǔn)確判讀與識(shí)別不僅需要編碼的正確性，也需要對(duì)條形碼的準(zhǔn)確識(shí)別。如圖2所示，條形碼的準(zhǔn)確識(shí)別需要依次進(jìn)行圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像提取與譯碼操作。

圖2 條形碼識(shí)別流程圖Fig.2 Flow chart of bar code identification

1.2.1圖像預(yù)處理

條形碼在進(jìn)行信息判讀之前，需要對(duì)其進(jìn)行圖像預(yù)處理，該過程是條形碼能夠識(shí)別的前提和條件。針對(duì)圖像掃描采集后獲取的條形碼信息，首先需要對(duì)其進(jìn)行去噪處理，目前常見的噪聲處理算法有形態(tài)學(xué)濾波算法、小波濾波算法、中值濾波算法及均值濾波算法等，可根據(jù)情況選取合適的去噪算法對(duì)采集圖像進(jìn)行去噪處理。

為了更簡(jiǎn)便地讀取去噪圖像的信息，需要對(duì)其進(jìn)行灰度二值化處理。閾值的選擇是進(jìn)行二值化的關(guān)鍵，而閾值的確定可表示為

R=F((i,j),g(i,j),S(i,j))

(1)

式中R——選定閾值 (i,j)——像素點(diǎn)坐標(biāo)

g(i,j)——像素點(diǎn)(i,j)的灰度

S(i,j)——像素點(diǎn)(i,j)鄰域內(nèi)的某種特性

確定閾值R之后，需要將圖像中像素點(diǎn)與閾值R進(jìn)行比較，所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為其灰度為255，否則灰度為0。因此，二值化灰度函數(shù)表示為

(2)

式中f(x,y)——像素點(diǎn)的灰度

隨后，需要對(duì)二值化后的圖像繼續(xù)進(jìn)行濾波去噪處理、邊緣干擾檢測(cè)以及條碼間噪聲處理，既確保了條形碼圖像鄰碼間的連通，又消除了包含在條碼之間的小顆粒噪聲，保證了條形碼識(shí)別前的清晰度，為圖像準(zhǔn)確識(shí)別做好條件準(zhǔn)備。

1.2.2圖像提取

圖像提取是指對(duì)經(jīng)過圖像預(yù)處理的條形碼進(jìn)行分割處理，在掃描確定的圖像大背景下準(zhǔn)確分割出有效條形碼區(qū)域。該過程需要對(duì)整體背景區(qū)域進(jìn)行上下分割和左右分割，上下分割中把沿條碼方向的部分條形碼分割出來，左右分割需把條形碼的編碼區(qū)全部包含在內(nèi)[19]。由于EAN-13條形碼屬于一維條形碼，是由一系列的并行長(zhǎng)條組成，每一條同高度位置合起來就包含了條形碼的所有信息，所以需要經(jīng)過圖像的上下分割和左右分割操作實(shí)現(xiàn)條形碼有效區(qū)域的精準(zhǔn)提取。

圖像提取完成后，需要對(duì)其可讀性進(jìn)行判別，若是判讀正常，則繼續(xù)進(jìn)行條形碼的譯碼，否則，需要將提取圖像返回圖像預(yù)處理階段重新處理，直至提取圖像可正確判讀為止。

1.2.3譯碼

譯碼是指對(duì)處理完成的條形碼進(jìn)行判讀和識(shí)別的過程。由于一維條形碼是由不同寬度的條和空構(gòu)成，這里，假定條形碼一個(gè)掃描行的連續(xù)條空寬度分別為a1,a2,…,am-1，其中，m代表每個(gè)掃描行變化點(diǎn)的橫坐標(biāo)，每一行掃描記錄的坐標(biāo)點(diǎn)為(y1,x1),(y1,x2),…,(y1,xm)，則每行掃描的條空寬度分別為：a1=x2-x1，a2=x3-x2，…，am-1=xm-xm-1。

確定了每行掃描的條空寬度后，一般采用平均值法計(jì)算整個(gè)條形碼條空寬度。假定條形碼掃描行數(shù)為n，則連續(xù)各條空寬度表示為

(3)

式中A1,A2,…,Am-1——條形碼連續(xù)各條空寬度

由于每個(gè)字符都是由不同的條和空組成，不同寬度的條空模式代表不同的字符信息，所以需要根據(jù)計(jì)算的條空寬度對(duì)不同的條形碼字符進(jìn)行譯碼表達(dá)。

1.3 電子條碼尺胸徑測(cè)量原理

電子條碼尺是在傳統(tǒng)測(cè)徑圍尺的基礎(chǔ)上，根據(jù)EAN-13條形碼編碼與譯碼規(guī)則，在0刻度線前(A區(qū))毫米級(jí)刻度設(shè)置31.4 mm的10段條形碼，在(B區(qū))厘米級(jí)刻度設(shè)置65段20 mm的單段條形碼，對(duì)編碼長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)從而縮短條形碼的整體寬度，整尺長(zhǎng)度依然保證在2 000 mm，并重新設(shè)計(jì)了條形碼的終止符，以便在讀取的時(shí)候進(jìn)行識(shí)別。

因?yàn)闂l形碼重新進(jìn)行了編碼，電子條碼尺整尺分為整數(shù)部分與小數(shù)部分兩塊，如圖3所示，而且處理時(shí)需要同時(shí)識(shí)別小數(shù)及整數(shù)兩種編碼模式，所以無法利用現(xiàn)行的庫直接進(jìn)行識(shí)別。基于此，本文基于Android平臺(tái)開發(fā)了條形碼識(shí)別APP，為了更好地實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別效果，APP首先利用Open CV進(jìn)行圖像增強(qiáng)，然后進(jìn)行條形碼的判讀、識(shí)別。

圖3 電子條碼尺構(gòu)造Fig.3 Electronic bar code ruler structure

對(duì)于胸徑測(cè)量來說，在電子條碼尺的整數(shù)部分(B區(qū))及小數(shù)部分(A區(qū))都有相應(yīng)的條形碼編碼，用于設(shè)備直接讀取，而不采用人工計(jì)數(shù)的方法，利用手機(jī)掃碼功能進(jìn)行掃描，識(shí)別胸徑結(jié)果，自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

電子條碼尺胸徑測(cè)量的技術(shù)流程為：

(1)在測(cè)量立木胸徑時(shí)，手持電子條碼尺圍于胸徑1.3 m處，并保證碼尺環(huán)繞一周兩端對(duì)齊。

(2)此時(shí)，碼尺整數(shù)刻度線會(huì)與小數(shù)部分相交并與某一小數(shù)部分對(duì)齊，如圖4所示，此時(shí)整數(shù)部分刻度為當(dāng)前對(duì)應(yīng)的胸徑厘米位，小數(shù)部分為當(dāng)前胸徑下對(duì)應(yīng)的毫米位，按住保持不動(dòng)。

圖4 電子條碼尺測(cè)量原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring principle of electronic bar code

(3)打開手機(jī)識(shí)別APP，對(duì)準(zhǔn)碼尺整數(shù)部分與小數(shù)部分交接處掃描，確認(rèn)后會(huì)出現(xiàn)如圖5所示的胸徑識(shí)別結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)立木胸徑的自動(dòng)測(cè)量。

圖5 條形碼識(shí)別結(jié)果Fig.5 Bar code identification results

(4)最終測(cè)量結(jié)果會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并以Excel保存，數(shù)據(jù)可隨時(shí)導(dǎo)出。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了最新編制的電子條碼尺1套以及配套APP的智能手機(jī)1部，還準(zhǔn)備了2個(gè)傳統(tǒng)的測(cè)徑圍尺(測(cè)樹鋼圍尺，太平洋牌，北京)。以測(cè)徑圍尺的胸徑測(cè)量結(jié)果作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，并且測(cè)量之前電子條碼尺與手機(jī)APP均已檢校合格。

2.2 立木胸徑測(cè)量

為了更好地驗(yàn)證電子條碼尺的胸徑測(cè)量適用性與準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)按照1.3節(jié)的技術(shù)流程，分別在延慶松山國家自然保護(hù)區(qū)、西山試驗(yàn)林場(chǎng)、奧林匹克森林公園等地選取了205棵針葉樹和200棵闊葉樹進(jìn)行立木胸徑測(cè)量。

選取測(cè)試樣木胸徑徑階分布均勻，胸徑值基本分布在5～50 cm之間，且所有測(cè)量數(shù)據(jù)均為單次測(cè)量值，沒有重復(fù)測(cè)量，這樣既驗(yàn)證了電子條碼尺的適用范圍，又驗(yàn)證了其測(cè)量穩(wěn)定性。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過分別對(duì)205棵針葉樹和200棵闊葉樹的立木胸徑測(cè)量，并均以測(cè)徑圍尺測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可知電子條碼尺對(duì)于針葉樹和闊葉樹胸徑的測(cè)量結(jié)果均達(dá)到了較高的精度，雖略有差別，但基本一致。

圖6 針葉樹測(cè)徑結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of results of conifer diameter

對(duì)于針葉樹種，如圖6所示，其胸徑測(cè)量的相對(duì)誤差范圍為-1.50%～0.88%，平均相對(duì)誤差為-0.05%，R2為1。對(duì)于闊葉樹種，如圖7所示，測(cè)量相對(duì)誤差范圍為-1.78%～1.76%，平均相對(duì)誤差為0.02%，R2為0.999 9。

圖7 闊葉樹測(cè)徑結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of results of broadleaf trees diameter

分析后得出，電子條碼尺進(jìn)行針葉樹和闊葉樹胸徑測(cè)量的平均精度分別為99.95%和99.98%，其測(cè)量結(jié)果與測(cè)徑圍尺測(cè)量值基本一致。綜合分析，電子條碼尺立木胸徑測(cè)量的精度誤差分別為針葉樹±1.5%、闊葉樹±1.8%。

除了測(cè)量精度外，測(cè)徑需要的工作量也是需要重點(diǎn)考慮的問題。為此，本文選取西山試驗(yàn)林場(chǎng)一小塊樣地進(jìn)行了不同測(cè)徑方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)樣地內(nèi)的46棵樹分別以測(cè)徑圍尺、普通攝影測(cè)量和電子條碼尺測(cè)徑3種方式進(jìn)行立木胸徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其測(cè)量所需工作量如表2所示。

表2 不同測(cè)徑方式的工作量對(duì)比Tab.2 Comparison of workload of differentways of measuring diameter

由表2可以看出，對(duì)于由46棵樹組成的小樣地胸徑測(cè)量任務(wù)，傳統(tǒng)的測(cè)徑圍尺測(cè)量方式需要1或2人完成，共消耗19 min，平均每棵樹胸徑測(cè)量需要25 s；普通攝影測(cè)量方式一般需要1或2人完成，總共消耗17 min，平均每棵樹胸徑測(cè)量需要22 s；電子條碼尺測(cè)徑需要1人完成，總共消耗8 min，平均每棵樹胸徑測(cè)量需要11 s。對(duì)比可以看出，利用電子條碼尺進(jìn)行立木胸徑測(cè)量的測(cè)量效率高于其他2種方法。

3 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)測(cè)徑圍尺的基礎(chǔ)上，綜合了光電技術(shù)、條碼編碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及Android開發(fā)平臺(tái)，以EAN-13條形碼編碼規(guī)則為模版，提出了一種電子條碼尺胸徑自動(dòng)測(cè)量方法。即利用手機(jī)APP掃描條形碼圖像，通過圖像的預(yù)處理、條形碼的定位與識(shí)別、胸徑的自動(dòng)測(cè)量與記錄、數(shù)據(jù)保存與導(dǎo)出等過程，實(shí)現(xiàn)森林調(diào)查林木胸徑的單人作業(yè)自動(dòng)測(cè)量。

(2)經(jīng)驗(yàn)證，該方法進(jìn)行立木胸徑測(cè)量的測(cè)量精度達(dá)99.95%以上，滿足國家森林資源連續(xù)清查的精度要求，同時(shí)，其測(cè)量工作的效率也得到顯著提高。當(dāng)然該測(cè)量方式仍然為接觸式測(cè)量，對(duì)于不可到達(dá)樣木的胸徑測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，但總體而言，從測(cè)量精度和工作效率兩方面綜合考慮，該方法仍然是目前立木胸徑測(cè)量工作中較好的測(cè)量方式。

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