可穿戴式樹木測高帽的研制與試驗

孔 雷，劉智軍，李陸勛，胡文洪，徐偉恒，朱麗艷，王海亮

（1. 國家林業局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216；2. 富民縣林業局森林病蟲害防治檢疫站，云南 富民 650400；3. 西南林業大學 計算機與信息學院，云南 昆明 650224）

傳統森林資源調查監測存在內外業工作量大、完成周期長、數據整理過程繁瑣、數據難以統一管理存儲等困難[1-2]。隨著森林計測學的發展和精準林業、數字林業等概念理論的提出和不斷完善，人們對森林資源調查和監測的要求也由手工、粗放化測量進入精準化、數字化、信息化測量時代，尤其在全球森林資源日益減少的今天，對單木和林分實現精準無損自動量測顯得尤為重要和迫切[3-4]。

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

另外，國內外測量儀器功能單一，僅僅能夠滿足林業資源基本勘察工作，無法滿足林業科學深層次研究的需要，特別是對林木坐標位置的調查；而且實現不了內外作業一體化，無形中增加了工作和研究人員的負擔[12]。針對現有的林木測高理論和測量技術的局限性，本研究著力于解決上述現有技術之不足，提供一種可穿戴式樹木測高帽，該測高帽帶有傾角傳感器、激光測距元件和電子羅盤，能夠實現樹體高度、相對坐標和冠幅的數字化精確測量。

1 主要結構

1.1 系統構造

可穿戴式樹木測高帽的構造如圖1所示。由圖1可知，控制器內主要是以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與激光測距元件、方位感應模塊、傾角傳感器相連，還與FLASH存儲器、wifi等相連。FLASH存儲器實現數據存儲功能，使設備斷電后依然長久保存數據，不會造成數據的丟失，wifi用于與外界設備進行信息傳輸。

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

圖2 可穿戴式樹木測高帽右側視結構圖Figure 2 Right view of Wearable Tree-Height structure Dendrometer structure

1.2 帽體

可穿戴式樹木測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，既可滿足各測量模塊的銜接，又可保護調查員頭部。帽體內有夾層，材質為塑料泡沫。帽帶可以拉緊或者放松以調節穿戴。

帽體正前方位置設有卡槽，通過卡位式將支架安裝在卡槽內。支架共有3個部分可以旋動，模塊座可呈水平方位移動測量模塊，以調節水平目距，當目距調節合適后，可通過模塊座制動螺絲制動；中樞轉軸可呈垂直

腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統，減少器件與MCU的電平匹配（圖6）。

2 測量原理

可穿戴式樹木測高帽的基本功能是實現樹高和位置的測量。測量時，先用水準儀實現儀器水平校準；然后啟動激光測距元件，激光測距元件向目標林木射出一束激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間發送給MCU，從而計算出從觀測者到目標林木的距離；傾角傳感器測量儀器的俯仰角度發送給MCU。

2.1 林木高度的測量原理

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

圖7 可穿戴式樹木測高帽測量平地、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 林木的相對坐標測量原理

借助該儀器還可以實現林木的相對坐標測量，并實現樣地閉合和標定，利用電子羅盤的磁方位角測量功能和激光測距元件的距離測量功能。如圖 8所示，首先，從第一個角樁（0，0）開始，依次以Si為長度，在 0°，90°，180°和 270°四個角度各測量 1次，共測量 4次，可得到實際閉合導線坐標增量Δxi,i+1和Δyi,i+1的閉合差，分別是fx和fy。最后，計算測量導線全長fs，導線總長∑s和導線全長相對閉合差K，K值不低于1/200。

圖8 方形樣地標定以及樹木相對位置測量圖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量功能和激光測距模塊的距離測量功能，該儀器還可實現對樣地內樹木的相對坐標進行測量。

第i株樹到i+1 株樹形成的邊的坐標增量改正數為,+和,+，經過閉合差改正后的位置坐標為（xi+1，yi+1）計算公式如下：

3 研究方法

3.1 樹高、方位角和水平距離測量方法

試驗樣地設在云南省昆明市西南林業大學樹木園。對分布于坡上、平地和坡下不同地形位置因素的32株四蕊樸Celtis tetrandra進行測量，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）為測量對象，以魚竿為樹高測量理論真值，與測高帽、手持激光測距儀（D510，LEICA）和羅盤儀（DQL-16Z，哈爾濱光學儀器廠）分別比較測量。以32株四蕊樸干為測量對象，以羅盤儀為方位角測量理論真值，與測高帽比較測量。以同一株滇樸為測量樹種，分別以不同距離（0.94 ～ 20.74 m）為測量對象，以皮尺為水平距離測量理論真值，分別以測高帽和手持激光測距儀比較測量。

3.2 測量精度分析

3.2.1 準確度分析 準確度是指所測量值與真值的復合程度，反映系統誤差和隨機誤差合成大小的程度。

式中，Es是儀器的準確度；h是儀器測量實際真值；μ是理論真值；hi是每株樹每次測量值；n是觀測次數。

3.2.2 精密度分析 精密度是指在測量中所測數值重復性的大小程度，反映隨機誤差的大小程度。

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

4 研究結果與誤差分析

4.1 樹高測量結果與分析

表1表明，從準確度來比較儀器之間精度，測高帽的準確度為0.02，中誤差為0.02，精度最高；其次是羅盤儀，準確度和中誤差分別為0.03和0.04；手持激光測距儀精度最低，準確度和中誤差分別為0.04和0.06。從精準度的角度來比較儀器之間精度，測高帽、手持激光測距儀和羅盤儀3者基本持平，標準差都是1.12。在可信度α=0.25，t值檢驗結果都要遠遠小于t0值0.683，表明所有測量結果可信。

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

4.2 方位角測量結果與分析

由表2結果表明，從準確度的角度來比較儀器之間精度，測高帽的準確度為0.959，中誤差為1.336。從精準度的角度來比較儀器之間精度，測高帽標準差是109.343。測高帽測得的值可信度較高，其t值為0.016，小于t0= 0.682（α=0.25），表明測量結果可信。

表2 測高帽方位角測量結果和精度Table 2 The azimuth measuring results by Wearable Tree-Height Dendrometer and precision

4.3 水平距離測量結果與分析

從表3結果表明，從準確度的角度來比較儀器之間精度，測高帽的準確度為0.03，中誤差為0.04；手持激光測距儀的準確度和中誤差分別為0.16和0.17；測高帽的準確度和中誤差都要優于手持激光測距儀。從精準度的角度來比較儀器之間精度，測高帽也要優于手持激光測距儀，標準差分別是6.089和6.101。

表3 測高帽和手持激光測距儀水平距離測量結果和精度Table 3 Tree height measured by Wearable Tree-Height Dendrometer and portable laser range finder and their precision

5 結論與討論

從實證可穿戴式樹木測高帽、手持激光測距儀和羅盤儀樹高測定分析結果可以看出，與其他2種方法相比，可穿戴式樹木測高帽無論是在準確度方面還是在精準度方面都要高于現有林業常用測量儀器。隨著樣本量的增加這樣的結果會越來越明顯，t值檢驗結果也會越來越可信。可穿戴式樹木測高帽選用JY901高精度慣性導航模塊，集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，且利用動力學解算與卡爾曼動態濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態，從而獲取穩定的俯仰角和方位角。LRB6048紅外測距模塊使用的激光波長不受日常野外調查強陽光影響，而且對人體沒有傷害。

隨著PDA等電子設備在森林計測中的廣泛應用[13]，外業測量數據的記錄和存儲逐漸向數字化、自動化方向發展[14]。但是，我國森林計測內、外業一體化的程度較低，內業部分還需要大量的重復勞動，工作效率低下[15]。本研究將面向森林調查的內業工作需要，開發森林計測應用系統，形成技術規范。本儀器便攜，同時兼具數據傳輸功能，自動化存儲，實現內外作業一體化。本儀器測量功能強大，既可測量普通樹高，也可測量超標樹高。自主研發的樹木測高帽，解決了目前森林調查測量設備落后，測量精度不高，效率低下等問題[16]，開發此精準、便攜、易用、高效的測量儀器，實現了林木計測儀器的低成本、微型化、智能化、一體化、實時性、高可靠性的完美集成[17]。除此之外，在可穿戴式樹木測高帽測量林木坐標位置功能的基礎上，可以實現一些林木空間結構關系因子的計量和分析，比如：角尺度、大小比和混交度等[18-20]。

總而言之，可穿戴式樹木測高帽是針對目前進口儀器功能單一，價格昂貴，國產儀器主要是仿制國外產品的現狀，在已有研究積累的基礎上，開展森林計測儀器的研制。同時，可穿戴式樹木測高帽旨在形成從森林計測的外業裝備到內業數據處理的一整套符合我國國情的森林計測技術系統。可穿戴式樹木測高帽的研制是基于現有的森林計測的理論、技術和方法，開展對新儀器的實驗，驗證其功能、工效和精度，旨在使其能成為傳統測量儀器的替代性產品，力爭在森林資源連續清查和森林資源規劃設計調查等領域，取得一些應用性成果，為我國實際森林計測工作提供科學支持。

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