盤點用便攜式苗木胸徑測量系統(tǒng)的開發(fā)研究

龔萍 張強(qiáng)

[摘 要] 本文設(shè)計一款基于Android系統(tǒng)開發(fā)的苗木胸徑測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以圖像處理、比目云后臺數(shù)據(jù)處理、MATLAB曲線擬合為核心，打破傳統(tǒng)測量原理，實現(xiàn)攝影測量。設(shè)備由手機(jī)支架和手機(jī)APP組成，設(shè)備輕巧，操作簡便。經(jīng)實際檢驗，胸徑測量的相對誤差平均值為-2%～+2%，滿足綠色林業(yè)發(fā)展的要求。

[關(guān)鍵詞] 苗木胸徑；測量系統(tǒng)；圖像處理；數(shù)據(jù)處理；曲線擬合

[中圖分類號] S758.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-7909（2018）07-119-2

隨著“綠色經(jīng)濟(jì)”概念的提出與落實，林木資源對于人類社會發(fā)展所起的作用越來越重要。實現(xiàn)苗木的精確統(tǒng)計與高效利用已成為我國的重點研究領(lǐng)域之一。苗木胸徑作為評價林木生長狀況的重要依據(jù)，可以有效判別苗木的生長情況[1]，因此，如何快速準(zhǔn)確測量苗木胸徑已成為國內(nèi)一大熱點問題。

傳統(tǒng)的苗木胸徑測量工具有卡尺、圍尺和鉤尺等，雖然被大部分苗圃所采用，但是，這些傳統(tǒng)工具在使用過程中一般需要兩人協(xié)作完成，耗費大量人力，而且測量過程中的讀數(shù)不準(zhǔn)和登記失誤導(dǎo)致測量誤差較大。現(xiàn)代化胸徑測量產(chǎn)品主要有芬蘭拋物線腕輪尺、畢特摩爾測杖、數(shù)字式測徑儀、測算立木直徑的數(shù)碼相機(jī)、融合激光和機(jī)器視覺的立木胸徑檢測方法、激光攝影測樹儀等[2-4]，但這些產(chǎn)品均需要精密昂貴的相機(jī)設(shè)備、適宜的溫度等諸多苛刻條件才能完成測量。

本文設(shè)計了便攜式苗木胸徑測量系統(tǒng)，旨在改善傳統(tǒng)林木測量技術(shù)，以減輕林業(yè)人員的工作強(qiáng)度，實現(xiàn)苗圃資源的智能化和便攜化，最終實現(xiàn)“智慧林業(yè)”與“精準(zhǔn)林業(yè)”的宏偉藍(lán)圖。

1 設(shè)備介紹

本設(shè)備分為硬件和軟件部分。硬件主要有手機(jī)支架、激光和遮光筒，軟件由基于Java語言的手機(jī)APP組成[5]。設(shè)備輕巧簡便，便于林間行走。

1.1 硬件構(gòu)造

手機(jī)支架用于固定手機(jī)，遮光筒內(nèi)安置激光，使用時將激光打開，遮光筒有助于避開外界光線的干擾，減小測量誤差。筒長20 cm，用于標(biāo)定距離，固定像素比例，使所采集的圖像的像素統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 軟件設(shè)計

軟件部分為名為“木測”的手機(jī)APP，其是對苗木盤點現(xiàn)狀進(jìn)行測量設(shè)備的改進(jìn)。首先從原理出發(fā)，改變傳統(tǒng)的直接測量，轉(zhuǎn)為攝影測量，用激光所射在樹干上的痕跡作為對象，經(jīng)手機(jī)相機(jī)采集圖像后，由APP進(jìn)行一鍵處理，最終將得到的苗木胸徑值上傳云平臺，完成測量和數(shù)據(jù)記錄。APP測量界面如圖2所示。

2 測量原理

2.1 原理分析

遮光筒抵住樹干，標(biāo)定值固定20 cm。打開激光，提取激光打在樹干上的紅色通道，將圖片進(jìn)行二值化處理，把大于某個臨界灰度值的像素灰度設(shè)為灰度極大值，把小于這個值的像素灰度設(shè)為灰度極小值，從而實現(xiàn)二值化。再計算二值化后的紅色通道像素點的橫坐標(biāo)（以照片的長為縱軸，寬為橫軸），最左和最右端的像素點坐標(biāo)x1、x2可以代替苗木胸徑的大小x。通過測量發(fā)現(xiàn)，變量b與實際苗木胸徑y(tǒng)存在函數(shù)關(guān)系，由MATLAB曲線擬合得到確定的函數(shù)關(guān)系式，從而得到胸徑值，擬合過程如圖3所示[6]。

2.2 誤差分析

目前得到的測量值的相對誤差為-2%～+2%，絕對誤差為-5～+5 mm。出現(xiàn)誤差的主要原因在于曲線擬合時的苗木胸徑采集。在采集數(shù)據(jù)時，采用傳統(tǒng)的尺子工具進(jìn)行測量，雖然使用了科學(xué)讀數(shù)法，但不能避免測量工具所帶來的精度問題。本設(shè)計采用高精度儀器再進(jìn)行曲線擬合數(shù)據(jù)采集，以提高精度、減小誤差。

參考文獻(xiàn)

[1]吳富楨.測樹學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，1992.

[2]曹孟磊.普通數(shù)碼相機(jī)獲取測樹信息研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013.

[3]Juujarvi J，Heikkonen J，Brandt S，et al. Digital-image-based tree measurement for forest inventory[C]//Proceedings of SPIE. The International Society for Optics and Photonics，1998：114-123.

[4]程朋樂，劉晉浩，王典.融合激光和機(jī)器視覺的立木胸徑檢測方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013（11）：271-275.

[5]馮仲科，徐禎祥，杰林德·羅斯納爾.電子角規(guī)測樹儀及自動測樹方法：1570557[P].2005-01-26.

[6]樊仲謀，馮仲科，李亞東，等.基于雙目相機(jī)的森林樣地調(diào)查方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015（5）：293-299.