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森林智能测绘记算器设计与试验
资料介绍
森林调查主要包括单木胸径、单木树高、单木材积、林分平均胸径、林分平均高、林分密度、林分蓄积量等。以摄影测量学原理、图像处理技术原理、测树学原理为理论基础,设计了森林智能测绘记算器,由自主研发的PDA模块、EDM模块和云台组成,测量时获取倾角、方位角、距离及图像信息等参数,通过在Android Studio 2.1开发环境下集成并利用Java语言进行汇编的4个模块化程序,能够实现树高测量、胸径测量、三元材积解算、3D角规样地测量、基本测量等5项功能。通过试验验证,树高测量精度达97.13%,胸径测量精度达97.08%,材积测量精度达94.52%,林分平均高测量精度达98.09%,林分平均胸径测量精度达98.05%,林分密度测量精度达96.59%,林分蓄积量测量精度达95.72%,符合国家森林资源连续清查的精度要求,可以在林业调查中推广使用。
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5
农 业 机 械 学 报
48
5
期
年
月
第
卷 第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2017． 05． 022
森林智能测绘记算器设计与试验
邱梓轩 冯仲科 蒋君志伟 范永祥
(
，
北京林业大学精准林业北京市重点实验室 北京
100083)
: 、 、 、 、 、 、
摘要 森林调查主要包括单木胸径 单木树高 单木材积 林分平均胸径 林分平均高 林分密度 林分蓄积量等
。
以
、
、
，
，
PDA
摄影测量学原理 图像处理技术原理 测树学原理为理论基础 设计了森林智能测绘记算器 由自主研发的
、EDM Android Studio 2. 1
开发环境下
模
，
、
、
，
块
模块和云台组成 测量时获取倾角 方位角 距离及图像信息等参数 通过在
Java
4 ， 、 、 、3D
语言进行汇编的 个模块化程序 能够实现树高测量 胸径测量 三元材积解算 角规样地测
集成并利用
、 5 。 ，
量 基本测量等 项功能 通过试验验证 树高测量精度达
97. 13% ，
胸径测量精度达
97. 08% ，
材积测量精度达
94. 52% ，
林分平均高测量精度达
98. 09% ，
林分平均胸径测量精度达
98. 05% ，
林分密度测量精度达
96. 59% ，
林分
95. 72% ， ， 。
符合国家森林资源连续清查的精度要求 可以在林业调查中推广使用
蓄积量测量精度达
: ; ; ; ; ;
关键词 森林调查 测绘记算器 安卓系统 树高 胸径 林分参数
: TP23 : A : 1000-1298( 2017) 05-0179-09
文献标识码 文章编号
中图分类号
Design and Experiment of Forest Intelligent Surveying and
Mapping Instrument
QIU Zixuan FENG Zhongke JIANG Junzhiwei FAN Yongxiang
( Precision Forestry Key Laboratory of Beijing，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)
Abstract: 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．
Key words: forest resources inventory; surveying and mapping instrument; Android system; tree height;
diameter at breast height; stand parameters
， :
定因子基础上会派生一些测树因子 例如 树干横截
引言
［1］
、
面积 树干材积等
。
森林观测内容主要包括单木
、 、 、 、
胸径 单木树高 林分平均胸径 林分平均高 林分蓄
树木的直接测定因子及其派生因子统称为基本
［2］
， : 、 ， ，
测树因子 例如 树干直径 树高等 另外 在直接测
、
积量 林分密度等
。
由于林中地形复杂多变且林
: 2016-08-08
: 2016-09-06
修回日期
收稿日期
:
基金项目 国家自然科学基金项目
( 41371001)
:
作者简介 邱梓轩
( 1991—) ， ， ， ，E-mail: baronq@ foxmail． com
男 博士生 主要从事林业装备信息化研究
:
通信作者 冯仲科
( 1962—) ， ， ， ， ，E-mail: fengzhongke@ 126． com
男 教授 博士生导师 主要从事林业装备信息化研究
180
2 0 1 7
年
农
业
机
械
学
报
， ，
分环境阴暗潮湿 森林资源调查面临许多问题 为测
， ) ， 1
器有限公司 中国 和自主研发云台 如图 所示
。
，
量装备的使用带来了新的挑战 因此研制一系列便
PDA CPU( Central processing unit) 、RAM
模块是将
( Random access memory) 、ROM( Read only memory
于在森林中使用的地面测量仪器对林业生产实践工
［3］
。
image) 、GPU ( Graphics processing unit) 、
触 控 显示
作具有现实意义
、 ，
随着信息化 智能化技术的快速发展 利用更加
、CCD
、
、
、GPS ( Global
屏
镜 头 重 力 传 感 器 陀 螺 仪
positioning system) 、WiFi 、
芯片 电源
、 、
集成化 智能化 精准化的森林植被观测装备成为森
、
芯片 蓝牙芯片
［4］
。
， ，
等高度集成 并根据人体工程学设计铝合金外壳 将
林资源调查的主流
各类测树仪器的进步都伴
2
、 ，
个部件高密度 高可靠地集成于云台 并分别可拆
随着科学技术的发展和测树原理的改进及完善过
［5］
。
，
、 、 ， ， 2
卸 充电 更换 方便操作 如图 所示
。
程
林业调查主要用皮尺测量水平距或者斜距
［6 － 13］
，
皮尺测量精度不高且效率低下 激光测距仪
很
， : 、
好地解决了这一难题 例如 纽康激光测距仪 尼康
［14］
。
，
传统的测树仪器功能单一 只包含
激光测距仪
、 、 ，
测高 测径 测距等 国内外逐步生产了一批多功能
， : 、 、
测树仪器 例如 巴尔斯特劳测树仪 光学测树仪 电
［15］
、
。
子角规测树仪 森林罗盘仪
北京林业大学利用
型电子手簿对树冠进行精准
监测 并利用三维激光扫描仪对单木进行了精准测
PC-E500
全站仪结合
，
， 、 ，
量 进而模拟冠形 提取树冠体积和表面积 以精确
1
图
森林智能测绘记算器
［16］
。
3D
电
计算单木的森林生物量
冯仲科等研发了
Fig． 1 Schematic of forest intelligent dendrometer
［17 － 21］
，
子角 规 利 用 测 树 电 子 经 纬 仪
、
测 树 全 站
［22 － 24］
［25 － 26］
、
，
进行森林计测 并对其精
仪
测树超站仪
［27］
。
度进行了分析 黄晓东等 研制了可测量胸径和
， 、
树高的多功能便携式微型超站仪 实现树高 胸径自
［28］
。
动测量 徐伟恒等 研制了手持式数字化多功能
， 、
电子测树枪 实现了树高测量 任意处直径测量等
。
， 、
目前 国内研制的仪器虽然解决了功能单一 便携性
、 ， ， 、
差 操作复杂等问题 但是 仍然存在系统落后 成本
、
昂贵 精度较差等问题
。
，
随着智能手机和平板电脑性能的提升 以及其
，
内置传感器功能的完善 结合图像处理技术和摄影
2
图
硬件总体框架
， 、 、
测量学 为森林计测向智能化 精准化 便携化发展
Fig． 2 Framework of hardware
。 ，
提供了新方向 针对上述情况 本研究结合森林计
PDA
CPU
Helio P10
选用联发科 型处
模块中的
， 、 、
测实际需求 利用激光测距传感器 倾角传感器 电
，
1. 8 GHz(
) ， 8 ，
大四核 核心数 核 用于解
理器 频率
释指令和处理数据
64
、CCD
，
镜头 基于测树学原理及摄影测量学
子罗盘
; GPU
Mali-T860
，
型 处理位
选用
， 、
原理 由安卓系统内嵌程序自动解算出树高 胸径
、
，
; RAM
数
位 用 于 处 理 获 取 图 像 信 息
选 用
2 133 MHz;
， ，
材积以及林分参数 将各元器件精密集成 形成快
LPDDR3
，
内存架构 容量
2 GB，
最高频率
、 、
速 便携 智能的森林调查仪器
———
森林智能测绘记
ROM
C8051F410
，16 GB，
片内闪存设计 最高持
选用
， 、 、 、
算器 实现树高测量 胸径测量 三元材积解算 遮挡
80 m/s，
速度级别
Class 10; CCD
续速度
镜头选用定
，LED ，
补光灯
、
条件下树高测量 角规样地测量等功能
。
，
焦光学镜头 定焦
4 mm，1 300
万像素
1
森林智能测绘记算器构成
f/2. 2， ;
用于获取图像信息 重力传感器采用三
光圈
LIS331DLH，
用于测量测绘记算器和
轴加速传感器
1. 1
硬件结构
;
GY-26，
测点间的倾斜角 陀螺仪采用集成电路芯片
; GPS
芯片
PDA
森林智能测 绘 记 算 器 的 硬 件 组 成 包括
5
( Personal digital assistant)
( FAM -PDA
，
型 精准
用于测量测绘记算器到测点的磁方位角
模块
GPS
用于接收
所测得的数据
，
信号 蓝牙芯片用于接收
EDM
，
林业北 京 市 重 点 实 验 室 中 国
) 、EDM ( Electronic
模块
，WiFi
distance measurement) ( PD510S
模块
，
型 南方测绘仪
芯片用于传输图像信息及连接
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