多功能便携式微型超站仪的研制

多功能便携式微型超站仪的研制

0国外森林计测设备的发展木材的直接测定因子和初始因子的总称是基本树木测量的因子，dap和树高是直接测定树木高度的因子。杨华等中国是世界上的林业大国,国内应用的大部分高精度和便携式的森林计测设备主要从国外进口,这些产品不仅价格昂贵而且功能单一。测树仪器主要有瑞典Haglöf公司随着图像处理问题研究的深入发展,计算机视觉领域给森林计测仪器的发展带来了契机。针对上述情况,本研究利用CCD、倾角传感器等,获取测量时的图像、倾角和距离,基于图像自动识别、摄影测量1设备组成1.1mems传感技术自行研发的微型超站仪(PD-5SERIES,南方测绘仪器有限公司制造,中国)的硬件组成包括激光测距传感器、微机电系统MEMS(microelectro-mechanicalsystems)倾角传感器、电荷藕合器件图像传感器、中央处理器、存储器、液晶显示屏、电源、微型按钮等。如图1所示。通过对各部件进行集成组装,用于实现立木的直接测定因子胸径和树高精确自动测量。将其固定于支架之上可进行样地的观测。1.2测量精度和胸径微型超站仪的主要功能包括树高测量和胸径的自动测量。在此基础上可以实现林分平均高测量、树干任意处直径测量、材积测量、株数密度测量和基本测量等功能。仪器测量的距离范围为0.05~120m,有效反射距离为0.05~100m,最小显示数值0.001m,测量精度为±1.5mm。MEMS倾角传感器测量范围-90°~+90°,有效测量范围-75°~+75°,测量精度0.1°。电荷藕合器件图像传感器胸径计算存储的精度为1mm。操作环境温度-10°~+50℃。仪器尺寸136mm×52mm×28mm,连续测量时间5000s,正常工作时间5h。2dap测量2.1图像时测时测量点位置和距离的确定测量时需将激光测距仪的光点对准待测立木的胸径处,此时电荷藕合器件图像传感器会自动的将光线转变为电荷信号,并通过自身内部的模数转换器将电荷转化为数字信号,数字信号再通过数字信号处理器(digitalsignalprocessor,DSP)进行色彩校正、白平衡处理转换为可视的图像呈现在屏幕上。通过调整测量人员的位置使得整个待测区域(立木胸径)完整的呈现在屏幕内。在确定测量时仪器自动记录测量时屏幕内的图像,再以图像中心横线为基准线各向上向下移动30个像素,形成上下宽度为60像素的矩形处理识别区域。利用灰度值计算公式:式中:V为像素灰度值;R、G和B为像素的RGB数值。对识别区域内的所有像素进行灰度化处理,得到各个像素点的灰度值,然后对识别区域内的各个像素点进行遍历,计算出每列60个像素的灰度值的均值,并将均值存入数组之中。将数组中间两个值作为分界点,依次向前和后进行遍历,并判断分界点前后三部分的均值,遍历完成后,查找出三部分有明显变化时对应的分界点(此步骤可通过人工微调进行纠正,确保所识别区域为待测胸径的边缘)。根据分界点的像素坐标值,计算出待测胸径所对应的像素值N。测量时测量点位置距离待测胸径距离L可通过激光测距仪自动记录,CCD的焦距f是固定的,通过CCD成像原理(图2),待测胸径的图像解算值R式中:N为待测胸径像素值,pix;f为CCD定焦焦距值,pix;L为待测胸径处与测量点之间的距离,m;R2.2两切点连线图在单一位置对柱形物体进行观测时,光线所反射回来的柱形物体的直径是以观测点与圆柱体相切的两切点的连线,其示意图如图3所示。若S式中:D为胸径,cm。利用盛金公式求解一元三次方程,根据盛金公式的判别条件,利用程序求解式(3),得到D的计算值,根据D与R2.3自动判断胸径位置非接触测量的胸径测量方法和原理国内外许多文献都有提及。王建利等为了能够真正的在野外调查中实现非接触测量的功能,结合微型超站仪本身的优势,利用激光测距仪和MEMS倾角传感器的特点,实现自动判断胸径位置。假设被测立木的根颈处位于观测点所在水平面的上方(图4a),即在观测点将测距仪的光点对准立木根颈时倾角传感器的倾角读数α大于0。此时激光测距仪自动记录观测点到根颈的距离为L式中:L当被测立木的根颈位于观测点所在水平面的下方(图4b),此时倾角读数α小于0。H3树高测量3.1树高、倾角和根颈生长观测树高测量时主要利用的是激光测距仪的测距功能和MEMS倾角传感器的测角功能,在进行树高测量时,首先确定测量点的合适位置,确保整棵立木在视线范围内无遮挡。然后依次对准立木的树干处、根颈处、树顶处进行3次测量,分别记录下测量点到树干处的水平距离L假设待测立木的根颈处于观测点所在水平面的下方(图5a),此时倾角传感器的倾角读数α小于0,故树高的计算式为:式中:H为待测立木的高度,m;L当待测立木的根颈处于观测点所在水平面上方(图5b),倾角α的读数大于0,树高的计算公式仍为式(5)。利用激光测距仪进行3次测量时能同时记录下测量点到树干处的水平距离L式中:L3.2树高测量精度分析利用倾角传感器式(5)进行树高测量的精度分析,树高H测算的精度受到测量点到待测立木的水平距离L式中:m只利用激光测距仪式(6)进行树高测量的精度分析,树高H的测算精度受到测量点到待测立木的水平距离L则:式中:m4试验证实4.1树高、胸径和树高测量本研究主要利用微型超站仪实现胸径和树高的测量,试验操作过程如下:1)开机后按图像键,选择胸径测量或者树高测量;2)胸径测量(图6a),将激光点对准胸径(图6b),点击确定键后自动显示胸径(图6c)。3)树高测量。先将激光点对准立木,自动记录测点到待测立木的水平距离(图7a),然后将光点对准待测立木根颈处,记录测点到被测点的倾角和距离(图7b),最后将光点对准待测立木梢顶处,记录测点到被测点的倾角和距离(图7c)。此时,仪器自动解算树高(图7d)。4.2测试数据4.2.1胸径测量误差试验过程中针对3株胸径为7.5、12.3和14.5cm的立木按照不同的测量距离分别进行了10、25、25次测量,测量时的距离范围为2~42m。测量结果如图8所示。经试验结果分析,60次胸径测量的绝对误差范围-0.5~0.5cm,平均绝对误差0.147cm。相对误差范围-4.07%~6.67%,平均相对误差1.26%。如图8所示,当测量距离达到20m之后,曲线波动较大,误差相对越大。剔除测量距离超过20m的14次测量数据之后,平均绝对误差0.107cm,平均相对误差0.9%。由于CCD镜头视角的原因,测量不同胸径的最短距离也有要求,经过试验验证,测量距离满足:式中:int()为数值求整。经胸径测量试验分析,针对胸径测量功能得到以下结论:1)单次胸径测量时,为提高测量精度,尽量使得测量距离不超过20m。为能使得整个胸径显示在显示屏内,胸径小于20cm时,最短测量距离大于2.6m;胸径小于40cm时,最短测量距离大于5m。对于立木胸径测量功能,最优的测量距离应介于5~20m范围之内。2)为提高测量精度可对胸径进行多次测量,胸径越大,相对误差越低,测量精度越高(表1)。3)试验过程中,图像解算时间0.5~3s,测量距离越近,解算时间越快。4.2.2树高测量原理试验针对3株树高为2.18、3.6和12.89m的立木按照不同的测量距离分别进行了20次测量,测量时张角(到顶梢的倾角减到根颈处的倾角)范围在10°~90°,测量结果如图9所示。试验中,高为2.18和3.6m的立木通过用长直杆多次测量测得的平均值作为真值,高为12.89m的立木通过全站仪多次测量测得的平均值作为真值。从试验结果中分析得到,60次树高测量的相对误差范围-2.57%~3.58%,平均相对误差1.13%。基于微型超站仪中激光测距传感器的测量距离范围为0.05~120m,有效反射距离为0.05~100m,故树高测量时,测量距离不能超过100m。基于树高测量的原理分析,适用的树高测量范围满足:式中:h为测量点相对地面高度,m。经树高测量试验分析,针对树高测量功能得到以下结论:1)野外作业中,由于林地中树木的相互遮挡情况,森林资源清查中通视距离一般不超过30m,故利用微型超站仪测量时的测量距离不宜超过30m。在林地中,测量的树高理论适用范围为0~95m。2)测量时张角介于30°~60°时测量精度高且稳定,故测量的树高的实际适用范围0~52m。为提高测量精度,测量人员距离立木与树高的高度接近为宜。3)多次测量可提高树高测量精度。在可测范围内,立木越高,相对误差越低,测量精度越高(表2)。4.3野外作业分析4.3.1质量试验区域为延庆松山国家森林自然保护区生态系统监测项目大样地范围之内,地理坐标东经115°43′44″~115°50′22″,北纬40°29′9″~40°33′35″。试验过程为验证设备在外业中的可行性和稳定性,所有测量数据均为单次测量,试验随机选取了215株立木进行胸径测量和101株立木进行树高测量。4.3.2方法的误差及测量结果的方差分析胸径测量中的真值通过测径尺(测树钢围尺,太平洋牌,北京)和游标卡尺进行多次测量求取平均值获得(图10)。通过试验结果分析,215株立木胸径的测量结果的绝对误差范围为-1.7~1.2cm,相对误差范围为-9.1%~6.5%,平均相对误差为2.08%。为验证胸径测量的适用性和准确性,对所测的215组数据进行径阶划分。径阶划分的起测胸径为1.0cm,以2cm为一径阶,将所测数据划分为A、B、C、D、E共计5个径阶组。5个径阶的误差分析如表3所示。4.3.3全站仪测量立木的测量树高测量中的真值通过利用全站仪(NTS340,南方测绘仪器有限公司,中国)进行多次测量求平均值获得。试验过程之中,由于部分可用微型超站仪测量的立木因无法通过全站仪测算获取真值,故试验过程之中所用的101组数据均为可用全站仪测量树高真值的数据(图11)。经实地测量,利用布鲁莱斯测高器、全站仪等仪器所能测量树高的立木,微型超站仪均可进行测量。但对于树冠将树顶处完全遮挡并且无法估测其大致位置的树高测量则无法通过直接树高测量的功能测量获得。通过试验结果分析,101株立木的树高的相对误差范围为-9.3%~7.1%,平均相对误差为1.44%。4.3.4测量精度分析经过野外作业试验,对215株立木的胸径和101株立木的树高进行分析,胸径和树高的单次测量精度分别为97.92%和98.56%,这与测试数据分析得到的98.74%和98.87%的测量精度较为吻合,同时,由于所有数据均为单次测量,未对绝对误差较大数据进行重新测量,而使得野外作业数据的精度低于测试数据的测量精度。但野外作业单次测量的精度也满足国家森林资源连续清查中对胸径和树高测量精度的要