森林智能測繪記算器設計與試驗

邱梓軒 馮仲科 蔣君志偉 范永祥

(北京林業大學精準林業北京市重點實驗室， 北京 100083)

森林智能測繪記算器設計與試驗

邱梓軒 馮仲科 蔣君志偉 范永祥

(北京林業大學精準林業北京市重點實驗室， 北京 100083)

森林調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。以攝影測量學原理、圖像處理技術原理、測樹學原理為理論基礎，設計了森林智能測繪記算器，由自主研發的PDA模塊、EDM模塊和云臺組成，測量時獲取傾角、方位角、距離及圖像信息等參數，通過在Android Studio 2.1開發環境下集成并利用Java語言進行匯編的4個模塊化程序，能夠實現樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規樣地測量、基本測量等5項功能。通過試驗驗證，樹高測量精度達97.13%，胸徑測量精度達97.08%，材積測量精度達94.52%，林分平均高測量精度達98.09%，林分平均胸徑測量精度達98.05%，林分密度測量精度達96.59%，林分蓄積量測量精度達95.72%，符合國家森林資源連續清查的精度要求，可以在林業調查中推廣使用。

森林調查; 測繪記算器; 安卓系統; 樹高; 胸徑; 林分參數

引言

樹木的直接測定因子及其派生因子統稱為基本測樹因子，例如：樹干直徑、樹高等，另外，在直接測定因子基礎上會派生一些測樹因子，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]。由于林中地形復雜多變且林分環境陰暗潮濕，森林資源調查面臨許多問題，為測量裝備的使用帶來了新的挑戰，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生產實踐工作具有現實意義[3]。

隨著信息化、智能化技術的快速發展，利用更加集成化、智能化、精準化的森林植被觀測裝備成為森林資源調查的主流[4]。各類測樹儀器的進步都伴隨著科學技術的發展和測樹原理的改進及完善過程[5]。林業調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]。傳統的測樹儀器功能單一，只包含測高、測徑、測距等，國內外逐步生產了一批多功能測樹儀器，例如：巴爾斯特勞測樹儀、光學測樹儀、電子角規測樹儀、森林羅盤儀[15]。北京林業大學利用全站儀結合PC-E500型電子手簿對樹冠進行精準監測，并利用三維激光掃描儀對單木進行了精準測量，進而模擬冠形、提取樹冠體積和表面積，以精確計算單木的森林生物量[16]。馮仲科等研發了3D電子角規，利用測樹電子經緯儀[17-21]、測樹全站儀[22-24]、測樹超站儀[25-26]進行森林計測，并對其精度進行了分析。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，實現樹高、胸徑自動測量。徐偉恒等[28]研制了手持式數字化多功能電子測樹槍，實現了樹高測量、任意處直徑測量等。目前，國內研制的儀器雖然解決了功能單一、便攜性差、操作復雜等問題，但是，仍然存在系統落后、成本昂貴、精度較差等問題。

隨著智能手機和平板電腦性能的提升，以及其內置傳感器功能的完善，結合圖像處理技術和攝影測量學，為森林計測向智能化、精準化、便攜化發展提供了新方向。針對上述情況，本研究結合森林計測實際需求，利用激光測距傳感器、傾角傳感器、電子羅盤、CCD鏡頭，基于測樹學原理及攝影測量學原理，由安卓系統內嵌程序自動解算出樹高、胸徑、材積以及林分參數，將各元器件精密集成，形成快速、便攜、智能的森林調查儀器——森林智能測繪記算器，實現樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、遮擋條件下樹高測量、角規樣地測量等功能。

1 森林智能測繪記算器構成

1.1 硬件結構

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，精準林業北京市重點實驗室，中國)、EDM(Electronic distance measurement)模塊(PD510S型，南方測繪儀器有限公司，中國)和自主研發云臺，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、藍牙芯片、WiFi芯片、電源等高度集成，并根據人體工程學設計鋁合金外殼，將2個部件高密度、高可靠地集成于云臺，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選用聯發科 Helio P10型處理器，頻率1.8 GHz(大四核)，核心數8核，用于解釋指令和處理數據；GPU選用Mali-T860型，處理位數64位，用于處理獲取圖像信息；RAM選用LPDDR3內存架構，容量2 GB，最高頻率2 133 MHz；ROM選用C8051F410 片內閃存設計，16 GB，最高持續速度80 m/s，速度級別Class 10；CCD鏡頭選用定焦光學鏡頭，定焦4 mm，1 300萬像素，LED補光燈，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的磁方位角；GPS芯片用于接收GPS信號，藍牙芯片用于接收EDM模塊所測得的數據，WiFi芯片用于傳輸圖像信息及連接網絡；電源采用集成電路TPS61020，用于向各器件供電。

1.2 軟件設計

在Android Studio 2.1開發環境下集成，利用Java語言進行匯編實現，將數據存儲到輕型SQLite數據庫中，PDA使用基于Linux核心的安卓系統平臺。軟件采用模塊化結構設計，有樹高測量模塊、胸徑測量模塊、三元材積解算模塊、3D角規樣地測量模塊，最終匯總為森林調查軟件。圖3a為森林調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入不同功能模塊。圖3b～3e為4項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以及圖像信息、傾角、斜距、磁方位角、角規系數等輔助測量參數均能實時顯示，獲取的數據會以文件形式保存在內存中，可通過micro USB導出。

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

1.3 功能參數

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角規樣地測量、基本測量5項功能。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，激光等級為II級，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°。操作系統為Android 4.2.2，CPU為1.8 GHz八核處理器，內存2 G RAM，儲存16 G ROM。GNSS指標，接收機為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，其電池連續工作時間為8 h，EDM尺寸為137 mm×52 mm×28 mm，其電池連續工作時間為5 h，云臺尺寸為160 mm×78 mm×150 mm，測繪記算器的工作環境溫度為-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確定合適測點位置A點，保證測點和立木之間無遮擋且距離盡量等于樹高H(圖4)。②對準樹木根徑處點B，點擊測距鍵進行測量，點擊屏幕左上角“0.000”進行距離更新，點擊“確定”測得斜距L1和傾角α1。③點擊屏幕“下一步”，對準樹梢頂點C，再點擊“完成”，測得傾角α2后，計算出樹高

(1)

式中L1——測站點到樹根的斜距，mα1——對準樹根時的傾角，(°)α2——對準樹梢時的傾角，(°)

樹高H能自動顯示和儲存，點擊“結果”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A在根徑下方，測得的α1為正值，若測站點A在根徑上方，測得的α1為負值，同理，測站點A在樹梢上方，測得的α2為負值，若測站點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)進行計算。

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立木樹干中心，點擊測距鍵進行測量，點擊屏幕左上角“0.000”進行距離L更新，再點擊紅色按鈕確認，圖6為胸徑測量界面示意圖。②調整“+”“-”使邊界線卡在待測立木樹干兩側，計算出胸徑D，胸徑D能自動顯示和儲存，點擊“結果”可以查看，圖7為胸徑測量結果界面。

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

圖7 胸徑測量結果界面Fig.7 Interface of DBH measuring result

胸徑測量時，可以通過測繪記算器測出測站點到胸徑距離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A，架設測繪記算器，然后對胸徑處作標記，觀測胸徑記為d1，樹高h1=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，可根據臺柱體體積的計算方法獲得

(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，可根據圓錐體計算方法獲得

(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——測繪記算器計算得出的立木整體材積，m3

2.4 3D角規樣地測量

3D角規樣地測量具體步驟是：①在樣地中選取樣點，以此樣點為角規放置點。②利用測繪記算器(3D角規樣地觀測功能)進行繞測，按照角規計數原則進行計數。③測量并記錄角規點到計數木距離Li、計數木方位角T0i、計數木樹高Hi、胸徑Di、樹種，圖11為3D角規樣地測量界面。

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

3D角規具體使用步驟為：①進行角規樣地觀測時，點擊屏幕“-”或“+”，可以選擇3種角規系數,即0.5、1、2，屏幕右上角顯示所選角規系數。②每當觀測到符合角規計數原則的立木，點擊“查看”，使用胸徑測量功能和樹高測量功能，進行數木胸徑和樹高測量，分別點擊“距離”和“方位角”，獲得此時立木的距離和方位角。

測繪記算器中3D角規的主要工作原理，可以表示為

(7)

式中Fg——角規系數M——測繪記算器屏幕內兩條豎線(電子角規片)長度，像素

利用測繪記算器的3D角規樣地測量功能，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——所調查林分的每公頃調查量yj——第j株計數木的調查量gj——第j株計數木的斷面積，m2Z——計數木株數

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——計數木株數

林分平均胸徑計算公式為

(10)

式中n——計數木株數

(3)林分密度Ng(株/hm2)

林分密度計算公式為

(11)

式中gi——第i徑階的斷面積，m2ni——第i徑階計數木株數

(4)林分蓄積量T(m3/hm2)

林分蓄積量計算公式為

(12)

式中f1——導出形數(按六大區域分類，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云臺后，對準目標點，可以測量測站點A到目標點C的距離L、傾角、方位角。

3 結果與分析

3.1 樹高測量試驗

為驗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。在林區選取立地條件不同樣地對測繪記算器的樹高測量功能進行試驗，樹種包含栓皮櫟、油松、槲櫟、臭椿、側柏、山杏等，選用南方測繪DT-02型電子經緯儀(標稱測角精度±2″)和測繪記算器進行樹高測量試驗，在2個方向不同觀測點對每棵樹進行2次觀測。以DT-02型電子經緯儀所測數據為真值與測繪記算器測量數據進行比較，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

為驗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。在林區取立地條件不同樣地對測繪記算器的胸徑測量功能進行試驗，樹種包含栓皮櫟、油松、槲櫟、臭椿、側柏、山杏等，利用胸徑尺和測繪記算器進行胸徑測量試驗，在2個方向不同觀測點對每棵樹進行2次觀測。以胸徑尺每木檢尺所測數據為真值和測繪記算器測量數據進行比較，同理利用式(13)進行計算，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

為驗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。在林區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行試驗，樹種包含油松、栓皮櫟、山桃、槲樹等，利用南方測繪DT-02型電子經緯儀(標稱測角精度±2″)和測繪記算器進行三元材積解算試驗，在2個方向不同觀測點對每棵樹進行2次觀測。以DT-02型電子經緯儀所測的數據為真值與測繪記算器所測的數據進行比較，利用式(13)進行計算，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%，符合森林一類調查要求。

3.4 3D角規樣地測量試驗

為驗證測繪記算器的3D角規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，讓不同觀測人員進行3D角規樣地測量試驗，根據林分疏密度、林木分布狀況、林分平均直徑以及通視條件，調整選取角規系數。

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角規樣地測量試驗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、林分蓄積量與標準樣地(20 m×20 m)每木檢尺測量林分參數作比較，以標準樣地每木檢尺測量值作為真實值。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%，均符合森林一類調查要求。

3.5 基本測量試驗

在距離測量方面，在距離測站點1 m處設置1個測點以后，按距離上一個測點每隔2 m處設置1個測點，做好標記，先用全站儀測量距離，再用測繪記算器測量距離，經過多次測量，將兩組數據進行比較，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，做好標記，分別用全站儀和測繪記算器進行測量，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°旋轉測繪記算器，記錄測繪記算器方位角度數，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，受到儀器內部空間限制，并沒有達到理想精度，但相對目前林業調查裝備來說，精度較高，智能且數字化，方便攜帶，可以達到森林調查要求。

表4 3D角規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 結束語

設計的森林智能測繪記算器由PDA模塊、EDM模塊和云臺高密度集成于一體，基于攝影測量學原理、圖像處理技術原理、測樹學原理，由內嵌樹高測量模塊、胸徑測量模塊、三元材積解算模塊、3D角規樣地測量模塊等模塊化程序，實現樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規樣地測量、基本測量5大功能。詳細闡述了樹高測量、胸徑測量、三元材積解算、3D角規樣地測量、基本測量等功能的原理和作業方式，并通過實際野外試驗驗證，得到樹高測量精度達97.13%，胸徑測量精度達97.08%，材積測量精度達94.52%，林分平均高度測量精度達98.09%，林分平均胸徑測量精度達98.05%，林分密度測量精度達96.59%，林分蓄積量測量精度達95.72%，符合國家森林資源連續清查中的精度要求，該裝備可以在林業調查中推廣使用。

表6 3D角規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

1 孟憲宇. 測樹學[M]. 北京：中國林業出版社，2006:10-11.

2 馮仲科. 森林觀測儀器技術與方法[M]. 北京：中國林業出版社，2015:2-3.

3 馮仲科，趙春江，聶玉藻，等. 精準林業[M]. 北京：中國林業出版社，2001:3-4.

4 聶玉藻，馬小軍，馮仲科，等. 精準林業技術的設計與實踐[J]. 北京林業大學學報，2002，24(3):89-93. NIE Yuzao, MA Xiaojun, FENG Zhongke, et al. Design and practice in the system of precision forestry[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2002,24(3):89-93. (in Chinese)

5 劉發林，呂勇，曾思齊. 森林測樹儀器使用現狀與研究展望[J]. 林業資源管理，2011(1)：96-99. LIU Falin, Lü Yong, ZENG Siqi. Status and prospects of forest measurement instruments[J]. Forest Resources Management, 2011(1):96-99. (in Chinese)

6 高學海,徐科軍,張瀚,等. 基于單目視覺和激光測距儀的位姿測量算法[J]. 儀器儀表學報,2007,28(8):1479-1485. GAO Xuehai, XU Kejun, ZHANG Han, et al. Position-pose measurement algorithm based on single camera and laser range-finder[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2007,28(8):1479-1485. (in Chinese)

7 周德亮，張興敢. 一種脈沖-相位式激光測距儀的設計[J]. 電子測量技術,2009(5):21-24. ZHOU Deliang, ZHANG Xinggan. Design of pulse phase shift laser range finder[J]. Electronic Measurement Technology,2009(5):21-24. (in Chinese)

8 林盈侃，郭穎，黃庚華，等. 激光測距儀距離模擬源技術研究與精度分析[J]. 紅外與激光工程,2009,38(6):1089-1093. LIN Yingkan, GUO Ying, HUANG Genghua, et al. Distance source of laser range finder and its precision analysis[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009,38(6):1089-1093. (in Chinese)

9 董洪舟，楊若夫，敖明武，等. 大量程激光測距儀精度檢測系統[J]. 光電工程,2013(4):24-30. DONG Hongzhou, YANG Ruofu, AO Mingwu, et al. Detection system of ranging precision for laser range-finder[J]. Opto-Electronic Engineering, 2013(4):24-30. (in Chinese)

10 雷艷敏，朱齊丹，仲訓昱，等. 基于激光測距儀的障礙物檢測的仿真研究[J]. 計算機工程與設計,2012(2):718-723. LEI Yanmin, ZHU Qidan, ZHONG Xunyu, et al. Study on obstacle detection based on laser range finder[J]. Computer Engineering and Design, 2012(2):718-723. (in Chinese)

11 張雛，周冰，沈學舉，等. 精確校正激光測距儀三光軸平行的理論計算方法研究[J]. 光學精密工程,2002,10(6):650-654. ZHANG Chu, ZHOU Bing, SHEN Xueju, et al. Study of the calculation method for accurately adjusting laser-range-finder’s three-optic-axes to parallel to each other[J]. Optics and Precision Engineering, 2002,10(6):650-654. (in Chinese)

12 PICCOLI B, D’ORSO M, ZAMBELLI P L, et al. Observation distance and blinking rate measurement during on-site investigation: new electronic equipment[J]. Ergonomics,2001,44(6):668-676.

13 BERNARD C J, RAMESH D,GLORIA W,et al. Robot metrology using two kinds of measurement equipment[J]. Journal of Intelligent Manufacturing,1997,8(2):137-146.

14 DONG J,KAUFMANN R K,MYNENI R B,et al. Remote sensing estimates of boreal and temperate forest woody biomass:carbon pools,sources,and sinks[J].Remote Sensing of Environment,2003,84(3): 393-410.

15 閆飛. 森林資源調查技術與方法研究[D]. 北京：北京林業大學，2014. YAN Fei. Research of technology and method of forest resource inventory[D]. Beijing: Beijing Forestry University，2014. (in Chinese)

16 樊仲謀，馮仲科，鄭君，等. 基于立方體格網法的樹冠體積計算與預估模型建立[J/OL]. 農業機械學報，2015，46(3):320-327. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150347&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.047. FAN Zhongmou, FENG Zhongke, ZHENG Jun, et al. Tree crown volume calculation and prediction model establishment using cubic lattice method[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3):320-327.(in Chinese)

17 曹忠，鞏奕成，馮仲科，等. 電子經緯儀測量立木材積誤差分析[J/OL]. 農業機械學報,2015,46(1):292-298. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150141&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.041. CAO Zhong, GONG Yicheng, FENG Zhongke, et al. Error analysis on standing tree volume measurement by using electronic theodolites[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(1):292-298. (in Chinese)

18 高祥，馮仲科，王智超，等. 基于電子經緯儀立木無損精測技術的干形指數研究[J/OL]. 農業機械學報,2015,46(1):299-305. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150142&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.042. GAO Xiang, FENG Zhongke, WANG Zhichao, et al. Study on stem form index based on non-destructive precision measurement through electronic theodolite[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(1):299-305. (in Chinese)

19 曹忠，馮仲科，徐偉恒，等. 電子經緯儀無損立木材積測量方法及精度分析[J]. 中南林業科技大學學報,2015(4):7-13. CAO Zhong, FENG Zhongke, XU Weiheng, et al. Standing tree volume nondestructive measurement methods and precision analysis based on electronic theodolite[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2015(4):7-13. (in Chinese)

20 何誠，張思玉，馮仲科. 一種電子經緯儀立木材積精準測算方法[J]. 測繪通報,2014(6):116-119. HE Cheng, ZHANG Siyu, FENG Zhongke. A fine estimation of standing tree volume based on electronic theodolite[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2014(6):116-119. (in Chinese)

21 孫夢營，馮仲科，閆飛，等. 電子經緯儀自動精測立木材積原理與應用[J]. 林業資源管理,2013(5):80-84. SUN Mengying, FENG Zhongke, YAN Fei, et al. Principle and application of automatic accurate measurement of stem volume by using electronic theodolite[J]. Forest Resources Management, 2013(5):80-84. (in Chinese)

22 馮仲科，姚山. 全站儀量測樹高方法: 中國,101021416[P].2007-08-22.

23 馮仲科，黃曉東，劉芳. 森林調查裝備與信息化技術發展分析[J/OL]. 農業機械學報,2015,46(9):257-265. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150938&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.09.038. FENG Zhongke, HUANG Xiaodong, LIU Fang. Forest survey equipment and development of information technology[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(9):257-265. (in Chinese)

24 馮仲科,景海濤,周科亮,等. 全站儀測算材積的原理及精度分析[J]. 北京林業大學學報,2003,25(3):60-63. FENG Zhongke, JING Haitao, ZHOU Keliang, et al. Principle and precision evaluation of stem volume surveying by total station[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2003,25(3):60-63. (in Chinese)

25 馮仲科，馬超，趙保衛，等. 視頻超站儀及森林計測方法:中國,1670474[P].2005-09-21.

26 馮仲科，王佳. 一種測樹型超站儀及其使用方法:中國,102466476A[P].2012-05-23.

27 黃曉東，馮仲科，解明星，等. 自動測量胸徑和樹高便攜設備的研制與測量精度分析[J]. 農業工程學報,2015,31(18):92-99. HUANG Xiaodong, FENG Zhongke, XIE Mingxing, et al. Developing and accuracy analysis of portable device for automatically measuring diameter at breast height and tree height[J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(18): 92-99. (in Chinese)

28 徐偉恒，馮仲科，蘇志芳，等. 手持式數字化多功能電子測樹槍的研制與試驗[J]. 農業工程學報,2013,29(3):90-99. XU Weiheng, FENG Zhongke, SU Zhifang, et al. Development and experiment of handheld digitalized and multi-functional forest measurement gun[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(3): 90-99. (in Chinese)

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

國家自然科學基金項目(41371001)

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

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

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.022

TP23

A

1000-1298(2017)05-0179-09