可穿戴式樹木測(cè)高帽的研制與試驗(yàn)

孔 雷，劉智軍，李陸勛，胡文洪，徐偉恒，朱麗艷，王海亮

（1. 國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216；2. 富民縣林業(yè)局森林病蟲害防治檢疫站，云南 富民 650400；3. 西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

傳統(tǒng)森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)存在內(nèi)外業(yè)工作量大、完成周期長、數(shù)據(jù)整理過程繁瑣、數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一管理存儲(chǔ)等困難[1-2]。隨著森林計(jì)測(cè)學(xué)的發(fā)展和精準(zhǔn)林業(yè)、數(shù)字林業(yè)等概念理論的提出和不斷完善，人們對(duì)森林資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)的要求也由手工、粗放化測(cè)量進(jìn)入精準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化測(cè)量時(shí)代，尤其在全球森林資源日益減少的今天，對(duì)單木和林分實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)無損自動(dòng)量測(cè)顯得尤為重要和迫切[3-4]。

在測(cè)樹學(xué)中，樹高是最基本的測(cè)量因子之一。目前，測(cè)高器的種類很多，光學(xué)儀器有布魯萊斯測(cè)高器、圓筒測(cè)高器和克里斯屯測(cè)高器等[5]，電子儀器有手持式數(shù)字化多功能電子測(cè)樹槍[6]、超聲波測(cè)高器（Vertex Ⅲ）和Hagl?f Laser Vertex L402 Laser Only Hypsometer等[7-8]?，F(xiàn)有技術(shù)的測(cè)高原理一般有相似三角形、三角函數(shù)和地面垂直比較等。利用相似三角形和三角函數(shù)原理的測(cè)量儀器必須要在通視的情況下，看到樹體的最頂端，才能測(cè)其樹高，一般都是手持式，在測(cè)量過程中無法固定儀器，手臂位移對(duì)測(cè)樹結(jié)構(gòu)影響非常大[9]。如果設(shè)置三腳架固定儀器，又會(huì)給野外測(cè)量人員增加負(fù)擔(dān)[10]。利用地面垂直比較原理的測(cè)量儀器必須能夠觸及樹體，才能完成測(cè)量多為桿式結(jié)構(gòu)的儀器。桿式測(cè)高儀等地面垂直比較測(cè)高的工具，雖然在郁閉度較大、通視較差的林分內(nèi)應(yīng)用較為方便，但是無法測(cè)量無法觸及的目標(biāo)林木，如孤島林地內(nèi)生長的林木等情況。由于桿式測(cè)高儀等測(cè)高工具伸縮長度有限，對(duì)于樹體高大的林木，特別是樹高20 m以上的林木無法準(zhǔn)確測(cè)量[11]。

另外，國內(nèi)外測(cè)量儀器功能單一，僅僅能夠滿足林業(yè)資源基本勘察工作，無法滿足林業(yè)科學(xué)深層次研究的需要，特別是對(duì)林木坐標(biāo)位置的調(diào)查；而且實(shí)現(xiàn)不了內(nèi)外作業(yè)一體化，無形中增加了工作和研究人員的負(fù)擔(dān)[12]。針對(duì)現(xiàn)有的林木測(cè)高理論和測(cè)量技術(shù)的局限性，本研究著力于解決上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種可穿戴式樹木測(cè)高帽，該測(cè)高帽帶有傾角傳感器、激光測(cè)距元件和電子羅盤，能夠?qū)崿F(xiàn)樹體高度、相對(duì)坐標(biāo)和冠幅的數(shù)字化精確測(cè)量。

1 主要結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

可穿戴式樹木測(cè)高帽的構(gòu)造如圖1所示。由圖1可知，控制器內(nèi)主要是以MCU為核心的電路，電路由電池供電（較佳為鋰電池），由操作按鈕控制某一條電路的接通，MCU與激光測(cè)距元件、方位感應(yīng)模塊、傾角傳感器相連，還與FLASH存儲(chǔ)器、wifi等相連。FLASH存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，使設(shè)備斷電后依然長久保存數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，wifi用于與外界設(shè)備進(jìn)行信息傳輸。

圖1 控制器電路框圖以及與外部的終端設(shè)備連接關(guān)系圖Figure 1 Controller circuit block and connection diagram with external terminal device

圖2 可穿戴式樹木測(cè)高帽右側(cè)視結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Right view of Wearable Tree-Height structure Dendrometer structure

1.2 帽體

可穿戴式樹木測(cè)高帽帽體主要包括帽帶、支架和卡槽（圖 2）。帽體選用抗摔耐磨材質(zhì)，既可滿足各測(cè)量模塊的銜接，又可保護(hù)調(diào)查員頭部。帽體內(nèi)有夾層，材質(zhì)為塑料泡沫。帽帶可以拉緊或者放松以調(diào)節(jié)穿戴。

帽體正前方位置設(shè)有卡槽，通過卡位式將支架安裝在卡槽內(nèi)。支架共有3個(gè)部分可以旋動(dòng)，模塊座可呈水平方位移動(dòng)測(cè)量模塊，以調(diào)節(jié)水平目距，當(dāng)目距調(diào)節(jié)合適后，可通過模塊座制動(dòng)螺絲制動(dòng)；中樞轉(zhuǎn)軸可呈垂直

腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，減少器件與MCU的電平匹配（圖6）。

2 測(cè)量原理

可穿戴式樹木測(cè)高帽的基本功能是實(shí)現(xiàn)樹高和位置的測(cè)量。測(cè)量時(shí)，先用水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)儀器水平校準(zhǔn)；然后啟動(dòng)激光測(cè)距元件，激光測(cè)距元件向目標(biāo)林木射出一束激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間發(fā)送給MCU，從而計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)林木的距離；傾角傳感器測(cè)量儀器的俯仰角度發(fā)送給MCU。

2.1 林木高度的測(cè)量原理

可穿戴式樹木測(cè)高帽對(duì)平地、高坡或洼地樹木都可測(cè)量，如圖 7。林木高度的測(cè)量原理為利用傾角傳感器的測(cè)角功能和激光測(cè)距元件的距離測(cè)量功能，進(jìn)行2次觀測(cè)即可得到樹高。首先傾角傳感器水平瞄準(zhǔn)樹干作為測(cè)量角度的初始值，然后仰頭測(cè)得儀器到樹頂部的傾斜角度α，再俯視測(cè)量儀器到樹根部的傾斜角度β；同時(shí)根據(jù)激光測(cè)距元件測(cè)得儀器到樹干的水平距離S，觀測(cè)點(diǎn)到地面高度L，觀測(cè)點(diǎn)到樹梢高度h，就可分平地、高坡或洼地三種情況計(jì)算樹高：

圖7 可穿戴式樹木測(cè)高帽測(cè)量平地、高坡和洼地樹高原理圖Figure 7 Schematic diagram for tree height by Wearable Tree-Height Dendrometer at flat ground, slope and depression

2.2 林木的相對(duì)坐標(biāo)測(cè)量原理

借助該儀器還可以實(shí)現(xiàn)林木的相對(duì)坐標(biāo)測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)樣地閉合和標(biāo)定，利用電子羅盤的磁方位角測(cè)量功能和激光測(cè)距元件的距離測(cè)量功能。如圖 8所示，首先，從第一個(gè)角樁（0，0）開始，依次以Si為長度，在 0°，90°，180°和 270°四個(gè)角度各測(cè)量 1次，共測(cè)量 4次，可得到實(shí)際閉合導(dǎo)線坐標(biāo)增量Δxi,i+1和Δyi,i+1的閉合差，分別是fx和fy。最后，計(jì)算測(cè)量導(dǎo)線全長fs，導(dǎo)線總長∑s和導(dǎo)線全長相對(duì)閉合差K，K值不低于1/200。

圖8 方形樣地標(biāo)定以及樹木相對(duì)位置測(cè)量圖Figure 8 Square plot calibration and relative position of trees measurement

利用九軸傳感模塊的磁方位角測(cè)量功能和激光測(cè)距模塊的距離測(cè)量功能，該儀器還可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣地內(nèi)樹木的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

第i株樹到i+1 株樹形成的邊的坐標(biāo)增量改正數(shù)為,+和,+，經(jīng)過閉合差改正后的位置坐標(biāo)為（xi+1，yi+1）計(jì)算公式如下：

3 研究方法

3.1 樹高、方位角和水平距離測(cè)量方法

試驗(yàn)樣地設(shè)在云南省昆明市西南林業(yè)大學(xué)樹木園。對(duì)分布于坡上、平地和坡下不同地形位置因素的32株四蕊樸Celtis tetrandra進(jìn)行測(cè)量，分別以不同距離（3 ～ 17 m）和樹干不同高度（10 m距離，5.01 ～ 0.90 m）為測(cè)量對(duì)象，以魚竿為樹高測(cè)量理論真值，與測(cè)高帽、手持激光測(cè)距儀（D510，LEICA）和羅盤儀（DQL-16Z，哈爾濱光學(xué)儀器廠）分別比較測(cè)量。以32株四蕊樸干為測(cè)量對(duì)象，以羅盤儀為方位角測(cè)量理論真值，與測(cè)高帽比較測(cè)量。以同一株滇樸為測(cè)量樹種，分別以不同距離（0.94 ～ 20.74 m）為測(cè)量對(duì)象，以皮尺為水平距離測(cè)量理論真值，分別以測(cè)高帽和手持激光測(cè)距儀比較測(cè)量。

3.2 測(cè)量精度分析

3.2.1 準(zhǔn)確度分析 準(zhǔn)確度是指所測(cè)量值與真值的復(fù)合程度，反映系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差合成大小的程度。

式中，Es是儀器的準(zhǔn)確度；h是儀器測(cè)量實(shí)際真值；μ是理論真值；hi是每株樹每次測(cè)量值；n是觀測(cè)次數(shù)。

3.2.2 精密度分析 精密度是指在測(cè)量中所測(cè)數(shù)值重復(fù)性的大小程度，反映隨機(jī)誤差的大小程度。

式中，Er是儀器的精密度；ˉh是每株樣木多次測(cè)量的平均值；hi是每株樹每次測(cè)量值；n是觀測(cè)次數(shù)。

4 研究結(jié)果與誤差分析

4.1 樹高測(cè)量結(jié)果與分析

表1表明，從準(zhǔn)確度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽的準(zhǔn)確度為0.02，中誤差為0.02，精度最高；其次是羅盤儀，準(zhǔn)確度和中誤差分別為0.03和0.04；手持激光測(cè)距儀精度最低，準(zhǔn)確度和中誤差分別為0.04和0.06。從精準(zhǔn)度的角度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽、手持激光測(cè)距儀和羅盤儀3者基本持平，標(biāo)準(zhǔn)差都是1.12。在可信度α=0.25，t值檢驗(yàn)結(jié)果都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于t0值0.683，表明所有測(cè)量結(jié)果可信。

表1 測(cè)高帽、手持激光測(cè)距儀和羅盤儀樹高測(cè)量結(jié)果和精度Table 1 Tree height measured by Wearable Tree-Height Dendrometer, portable laser range finder and compass and their precision

4.2 方位角測(cè)量結(jié)果與分析

由表2結(jié)果表明，從準(zhǔn)確度的角度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽的準(zhǔn)確度為0.959，中誤差為1.336。從精準(zhǔn)度的角度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽標(biāo)準(zhǔn)差是109.343。測(cè)高帽測(cè)得的值可信度較高，其t值為0.016，小于t0= 0.682（α=0.25），表明測(cè)量結(jié)果可信。

表2 測(cè)高帽方位角測(cè)量結(jié)果和精度Table 2 The azimuth measuring results by Wearable Tree-Height Dendrometer and precision

4.3 水平距離測(cè)量結(jié)果與分析

從表3結(jié)果表明，從準(zhǔn)確度的角度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽的準(zhǔn)確度為0.03，中誤差為0.04；手持激光測(cè)距儀的準(zhǔn)確度和中誤差分別為0.16和0.17；測(cè)高帽的準(zhǔn)確度和中誤差都要優(yōu)于手持激光測(cè)距儀。從精準(zhǔn)度的角度來比較儀器之間精度，測(cè)高帽也要優(yōu)于手持激光測(cè)距儀，標(biāo)準(zhǔn)差分別是6.089和6.101。

表3 測(cè)高帽和手持激光測(cè)距儀水平距離測(cè)量結(jié)果和精度Table 3 Tree height measured by Wearable Tree-Height Dendrometer and portable laser range finder and their precision

5 結(jié)論與討論

從實(shí)證可穿戴式樹木測(cè)高帽、手持激光測(cè)距儀和羅盤儀樹高測(cè)定分析結(jié)果可以看出，與其他2種方法相比，可穿戴式樹木測(cè)高帽無論是在準(zhǔn)確度方面還是在精準(zhǔn)度方面都要高于現(xiàn)有林業(yè)常用測(cè)量儀器。隨著樣本量的增加這樣的結(jié)果會(huì)越來越明顯，t值檢驗(yàn)結(jié)果也會(huì)越來越可信?？纱┐魇綐淠緶y(cè)高帽選用JY901高精度慣性導(dǎo)航模塊，集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，且利用動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而獲取穩(wěn)定的俯仰角和方位角。LRB6048紅外測(cè)距模塊使用的激光波長不受日常野外調(diào)查強(qiáng)陽光影響，而且對(duì)人體沒有傷害。

隨著PDA等電子設(shè)備在森林計(jì)測(cè)中的廣泛應(yīng)用[13]，外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)逐漸向數(shù)字化、自動(dòng)化方向發(fā)展[14]。但是，我國森林計(jì)測(cè)內(nèi)、外業(yè)一體化的程度較低，內(nèi)業(yè)部分還需要大量的重復(fù)勞動(dòng)，工作效率低下[15]。本研究將面向森林調(diào)查的內(nèi)業(yè)工作需要，開發(fā)森林計(jì)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，形成技術(shù)規(guī)范。本儀器便攜，同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸功能，自動(dòng)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外作業(yè)一體化。本儀器測(cè)量功能強(qiáng)大，既可測(cè)量普通樹高，也可測(cè)量超標(biāo)樹高。自主研發(fā)的樹木測(cè)高帽，解決了目前森林調(diào)查測(cè)量設(shè)備落后，測(cè)量精度不高，效率低下等問題[16]，開發(fā)此精準(zhǔn)、便攜、易用、高效的測(cè)量儀器，實(shí)現(xiàn)了林木計(jì)測(cè)儀器的低成本、微型化、智能化、一體化、實(shí)時(shí)性、高可靠性的完美集成[17]。除此之外，在可穿戴式樹木測(cè)高帽測(cè)量林木坐標(biāo)位置功能的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一些林木空間結(jié)構(gòu)關(guān)系因子的計(jì)量和分析，比如：角尺度、大小比和混交度等[18-20]。

總而言之，可穿戴式樹木測(cè)高帽是針對(duì)目前進(jìn)口儀器功能單一，價(jià)格昂貴，國產(chǎn)儀器主要是仿制國外產(chǎn)品的現(xiàn)狀，在已有研究積累的基礎(chǔ)上，開展森林計(jì)測(cè)儀器的研制。同時(shí)，可穿戴式樹木測(cè)高帽旨在形成從森林計(jì)測(cè)的外業(yè)裝備到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的一整套符合我國國情的森林計(jì)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)?？纱┐魇綐淠緶y(cè)高帽的研制是基于現(xiàn)有的森林計(jì)測(cè)的理論、技術(shù)和方法，開展對(duì)新儀器的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其功能、工效和精度，旨在使其能成為傳統(tǒng)測(cè)量儀器的替代性產(chǎn)品，力爭在森林資源連續(xù)清查和森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查等領(lǐng)域，取得一些應(yīng)用性成果，為我國實(shí)際森林計(jì)測(cè)工作提供科學(xué)支持。

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