手持式精準立木樹高測量裝置設計與試驗

劉海洋 馮仲科 呼 諾 劉金成 于新文

(1.北京林業大學精準林業北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.中國林業科學研究院資源信息研究所， 北京 100091)

0 引言

樹高測量是森林資源調查過程中的重要環節，也是評價森林生長情況、材積量、碳儲量以及林分收獲出材量的重要數據依據，是我國森林資源連續清查中非常重要的調查因子[1-2]。由于林分情況復雜，現階段我國在森林資源連續清查中，樹高測量精度不能得到較好保障，引起了樹木樹高計算中增長速度過快或過慢，甚至出現樹高負增長情況，測量數據嚴重偏離了客觀規律，給森林調查、林業生產和林木生長研究工作帶來了諸多問題。由于長勢傾斜的立木樹高測量與實際樹長偏差較大，嚴重影響材積量和出材量的計算和評估，始終是林業測量中的難題。因此，研制一種操作簡單、測量精準、適應復雜林分測量和傾斜立木精準測量的樹高測量裝置，解決林業樹高測量中的實際需求，提供可靠樹高數據，對發展精準林業具有重要的意義[3-4]。

隨著科技不斷發展和林業生產的迫切需求，一大批國內外專家學者提出了很多先進的研究理論、技術和測量方法[5-7]，同時研制了一批新的測量設備，其新理論和測量方法主要體現在遙感反演[8-11]、激光測距、三維激光掃描[12-14]、攝影測量等領域。國外的樹高測量裝備價格昂貴，使用激光測距傳感器兩次或多次測距的方式進行測量，樹頂部的激光點較難確定和測量，操作性差并且測量存在較大誤差，不適用于大面積的林業資源調查工作，如日本尼康公司生產的Forestry 550[15]型激光測距裝備等。國外的專家學者利用這類儀器進行了大量的學術研究，如RUTTEN等[16]使用瑞典Hagl?f公司生產的Vertex IV Hypsometer有選擇地記錄研究山地森林的結構和組成，測量裝備測量的局限性給森林研究工作帶來了限制。近年來國內的專家為了發展精準林業，適應林業生產信息化和智能化的要求，對新型樹木測量設備與測樹方法進行大量研究[17-21]。但目前國內研制的儀器還存在模仿國外產品，在樹高測量方面仍使用傳統的測量原理和方法，無法解決操作性差、測量精度低等問題。與此同時眾多國內外研究樹高測量儀器時，大多都未解決長勢傾斜立木樹高測量問題，對傾斜立木樹高測量誤差較大，不能測量樹干實際長度，無法精準計算和評估傾斜立木的材積和出材量。

針對上述樹高測量存在的問題，本文以國家森林資源調查為實際需求，綜合考慮樹高測量過程中測量裝備的精度要求和作業環境復雜等特點，基于傳感器技術和嵌入式系統，研制一種便攜式精準立木樹高測量裝置，實現復雜林分環境中立木樹高的精準測量和傾斜立木樹長測量，為森林計測裝備提供新的測量方法和技術手段。

1 原理與方法

1.1 硬件設計

便攜式精準立木樹高測量裝置由CPU、GPU、存儲設備RAM/ROM、激光測距儀、顯示屏、高清攝像頭、無線通信模塊、GPS模塊、高精度陀螺儀芯片、電源、天線等組成。其中中央處理器CPU采用Cortex-A9四核處理器，具有高速的運算性能，并采用三星S5M8767電源管理模塊和10 000 mA·h鋰電池供電，可降低功耗、增加野外作業時長。

傳統的攝影測量裝備在手持測量樹高時誤差較大，為保證測量精度通常固定在三腳架上，在復雜林分的樹高測量中具有較大的局限性。本文便攜式精準立木樹高測量裝置、激光測距儀和高清攝像頭均采用了前置設計，將激光測距儀和高清攝像頭并行排列置于裝置上方，測距方向垂直于顯示屏，這種設計可以在手持測量時，有效避免裝備位置偏移產生的測量誤差。硬件構成和試驗樣機如圖1所示。

1.2 軟件設計

樹高測量裝置軟件采用嵌入式系統和Android 7.1.1系統。樹高測量軟件APP采用Java語言匯編實現，在開發環境Android Studio 2.2下集成后載入設備，采用流程化和模塊化設計，包括樹高測量模塊、數據管理模塊和數據計算模塊，軟件流程圖如圖2所示。

圖1 硬件構成和試驗樣機圖Fig.1 Diagrams of hardware design and test prototype

圖2 樹高測量裝置APP軟件設計流程圖Fig.2 Flow chart of APP software design for tree height measuring device

樹高測量裝置APP主要實現樹高測量功能，此外還能對傾斜立木樹長進行矯正測量。

在樹高測量基礎上，利用SQLite數據庫系統，實現測量數據管理和數據分析功能，其中數據管理包括：數據記錄功能記錄被測量樹GPS信息、胸徑、坡度、坡向等信息；數據查詢功能可根據數據屬性條件查詢，查詢同類別的數據(如地點、樹高取值范圍等)；數據編輯功能可將已測數據進行編輯(包括增加、刪除、修改等)；數據導出功能可生成Excel數據文件并導出。數據分析包括：通過調用已測量數據，進行樣地樹高統計分析(如最大值、最小值、平均值、標準方差等)；根據樹種、樹高、胸徑等信息實現單木材積計算分析；根據單木材積和樹種信息實現林木出材量計算分析；根據單木材積實現林分蓄積量計算分析。

1.3 樹高測量

1.3.1樹高測量原理

本文樹高測量主要利用攝影測量和三角函數原理進行計算，通過改進測量算法簡化作業操作，僅需2個操作步驟即可完成測量，測量方法如圖3所示。

圖3 樹高測量示意圖Fig.3 Diagram of tree height measurement

首先使用高清攝像頭拍攝樹根位置，獲取與激光測距傳感器、高精度陀螺儀芯片間的距離d和設備仰角α，然后利用高清攝像頭拍攝樹頂位置，獲取拍攝角β，計算得到立木樹高H，計算式為

(1)

1.3.2傾斜立木樹高矯正

使用設備貼緊樹干測量樹干傾斜角度，在樹木干型彎曲時利用圖像處理技術對傾斜立木樹高測量進行矯正，利用邊緣檢測算法使用Canny算子進行樹干邊緣檢測，首先進行灰度化處理，計算公式為

f=0.299R+0.587G+0.114B

(2)

式中f——灰度

R、G、B——紅、綠、藍顏色分量

對圖像進行高斯濾波，公式為

(3)

式中x、y——點坐標值σ——標準差

用一階有限差分近似求取灰度梯度，計算圖像梯度幅值和方向，對梯度進行非極大值抑制，在獲得梯度方向和大小后，對整幅圖像掃描，去除非邊界點，對每個像素進行檢查，判斷該點的梯度是否為周圍具有梯度方向的點中最大。選取2個閾值，根據較高閾值得到一個邊緣圖像，這一圖像含有少量假邊緣，但由于閾值較高，產生的圖像邊緣可能不閉合， 為解決此問題采用另一個低閾值。在高閾值圖像中把邊緣連接成輪廓，當達到輪廓的斷點時，在斷點的8鄰域點中尋找滿足低閾值的點，再根據此點收集新的邊緣，直到整個圖像邊緣閉合。樹干邊緣檢測如圖4所示。

圖4 邊緣檢測處理結果Fig.4 Edge detection processing result

利用輪廓近似法提取樹干輪廓邊緣點，獲得樹干邊緣離散點坐標信息，使用最小二乘法對樹干邊緣信息進行曲線擬合，處理后再進行線性擬合，求得直線斜率后轉換為樹干傾斜角γ，對樹干高度進行矯正計算。根據公式求得傾斜立木樹長H′和樹高H，傾斜立木樹高測量示意圖如圖5所示。

圖5 傾斜立木樹高測量示意圖Fig.5 Sketch of slant standing tree height measurement

在傾斜立木傾斜正面使用測距儀測量設備到樹根的距離d和設備仰角α，求出虛擬高度h

(4)

最后測量立木傾斜角γ，求出立木樹長

(5)

將式(4)代入式(5)，化簡得出

(6)

由樹長H′可求出傾斜立木樹高

H=H′sinγ

(7)

傾斜立木樹長H′可用于立木材積精準計算，減少材積計算誤差，提高材積測量精度。

2 試驗

2.1 樹高測量

試驗在西山試驗林場、松山國家自然保護區等地進行，選取不同樹高的油松、雪松、側柏等針葉樹，蒙古櫟、白蠟、欒樹等闊葉樹進行立木樹高測量。選用南方測繪NTS-282R6型全站儀進行對比試驗，并以全站儀測量數據為樹高測量真值進行誤差計算，測量結果如圖6所示。

圖6 測量結果Fig.6 Measurement results

試驗分別測量56棵樹，樹高在5.6～15.4 m之間，從測量數據分析得出其測量相對誤差范圍為-0.4～1.1 m，平均絕對誤差為0.19 m。誤差分布如圖7所示。

圖7 誤差分布Fig.7 Error distribution map

根據測量誤差分別計算乖離率為0.05(Bias)、0.58(Bias%)、均方根誤差為0.40、4.30 m[22]。

2.2 不同樹種分析

將測量數據根據不同樹種劃分，并分別計算測量誤差，結果如表1所示。

表1 不同樹種樹高測量結果Tab.1 Measurement results of different tree species

由表1可以看出，本測量裝置所測量不同樹種樹高平均絕對誤差范圍在0.12～0.28 m之間，測量不同樹種樹高相對誤差范圍為0.97%～2.79%，不同樹種平均測量精度達98.04%，不同樹種的測量誤差均能滿足林業中樹高測量要求，試驗裝置適用于多樹種立木樹高測量。

2.3 傾斜立木樹長測量試驗

在松山國家自然保護區對不同傾斜程度的立木分別進行測量，得出立木樹長，并使用全站儀分別測量樹頂和樹根空間位置坐標，計算得出樹高真值，試驗結果如表2所示。

測量設備在不同樹種間測量平均絕對誤差在0.1～0.5 m之間，各種不同傾斜立木間測量結果的相對誤差為1.09%～4.94%,平均測量誤差為3.11%，測量矯正效果較好，能有效測量樹木樹長，提高傾斜立木材積計算精度。

3 結論

(1)利用電子信息技術、傳感器技術和圖像處理技術，在樹高測量研究上提出新的測量方法并改進了樹高測量技術，研制出一種便攜式精準立木樹高測量儀，實現了復雜林分環境下的精準立木樹高測量和傾斜立木樹長測量，同時此設備還實現了數據記錄和存儲功能，在記錄樣地信息的同時可根據輸入樹種、胸徑等其他信息，計算該樣地中的材積、出材量、蓄積量等信息?？筛鶕枨?，與手機數據接收端協同使用，實現對測量數據無線實時接收和讀取，并實現測量數據的調用、編輯、導出Excel等功能。

表2 傾斜立木樹長測量結果Tab.2 Measurement results of tilted tree

(2)試驗表明本文設計的精準立木樹高測量設備在樹高測量中測量精度達到98.04%，傾斜立木樹長測量平均誤差為3.11%，符合國家森林資源連續清查等森林調查的樹高測量精度要求。經測量作業實踐證明，利用攝影方式解決了傳統激光測高儀器在復雜林分環境下樹冠激光點難確定的問題，優化了森林計測儀器的測量方法，利用圖像處理技術計算傾斜立木樹長，精準估算傾斜立木材積和出材量，可為林業調查工作人員提供可靠數據支持，同時為樹高測量設備的研制提供新的研究方向。