陳金星，岳德鵬，馮仲科，丁家巍，姚炳全，葉添雄（.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00083；.常州市瑞德儀器有限公司，江蘇 常州3000）

手持式樹(shù)徑自動(dòng)識(shí)別測(cè)樹(shù)儀的研制與應(yīng)用

陳金星1，岳德鵬1，馮仲科1，丁家巍2，姚炳全1，葉添雄1
（1.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.常州市瑞德儀器有限公司，江蘇 常州213000）

在森林資源調(diào)查中需要調(diào)查林分因子，從而了解森林資源的數(shù)量與質(zhì)量，以進(jìn)行森林資源的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和經(jīng)營(yíng)。森林資源調(diào)查是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，使用傳統(tǒng)測(cè)量工具需要不同儀器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還受地形條件的限制。為快速精確地進(jìn)行林木測(cè)量，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了便攜式數(shù)字化智能測(cè)樹(shù)儀。儀器由STM32F103VET6單片機(jī)、ov9655傳感器、LIS331DLTR傾角傳感器、鍵盤(pán)等及其相關(guān)電路模塊構(gòu)成。采用相位原理測(cè)距，具有±1.5 mm的測(cè)距精度。在徑高同測(cè)模式下，利用攝像頭和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器對(duì)圖像進(jìn)行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)樹(shù)徑的自動(dòng)識(shí)別，再利用所測(cè)距離和傾角，實(shí)現(xiàn)高度、直徑同步測(cè)量。儀器還有測(cè)徑模式，測(cè)高模式，測(cè)距模式，傾角測(cè)量模式，面積計(jì)算模式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)徑模式下，胸徑的平均誤差為－0.05 cm，誤差在0.50 cm之內(nèi)的占97.6%。在不同距離下，對(duì)不同高度的直徑進(jìn)行測(cè)量表明，在最佳距離內(nèi)可使誤差在0.50 cm內(nèi)。該便攜式數(shù)字化智能測(cè)樹(shù)儀可滿(mǎn)足森林資源調(diào)查需求，實(shí)現(xiàn)林業(yè)數(shù)字化。圖14表3參20

森林測(cè)計(jì)學(xué)；測(cè)樹(shù)儀；傳感器；測(cè)量；圖形識(shí)別；立木

測(cè)樹(shù)儀是主要用來(lái)測(cè)量樹(shù)干直徑的儀器，主要分為兩大類(lèi)：接觸式和非接觸式測(cè)樹(shù)儀［1］。非接觸式儀器包括光學(xué)叉和棱鏡之類(lèi)的設(shè)備；接觸式主要分為點(diǎn)式和帶式2類(lèi)，包括常用的圍尺和卡尺。點(diǎn)式測(cè)樹(shù)儀主要用于測(cè)量樹(shù)干大小的變化，帶式測(cè)樹(shù)儀測(cè)量樹(shù)干的直徑和某一高處樹(shù)干的周長(zhǎng)。非接觸式測(cè)樹(shù)儀可用于樹(shù)干水分狀態(tài)的評(píng)估，以及同質(zhì)特性氣候空間關(guān)系的探究［2－5］。專(zhuān)家學(xué)者對(duì)樹(shù)木測(cè)量?jī)x器和方法進(jìn)行了大量研究，GREGOIRE等［6］使用Barr&Stroud測(cè)樹(shù)儀測(cè)量樹(shù)木上部的直徑，WILLIAMS等［7］使用快特能400和Barr&Stroud測(cè)樹(shù)儀進(jìn)行樹(shù)木上部直徑測(cè)量值的對(duì)比，DEAN等［8］使用單片近景攝影照片來(lái)測(cè)量立木地上部分材積。一些研究利用全站儀和電子經(jīng)緯儀測(cè)樹(shù)［9－11］，精度高，但儀器笨重，攜帶不便。三維激光掃描儀在提取樹(shù)木胸徑、樹(shù)高、冠幅和材積中精度高［12－14］，但是儀器昂貴且內(nèi)業(yè)處理復(fù)雜。叢憲冬等［15］設(shè)計(jì)了激光測(cè)高儀，鄢前飛等［16］研制了林業(yè)數(shù)字測(cè)徑儀。BITTERLICH等［17－18］發(fā)明了角規(guī)，馮仲科等［19－20］將角規(guī)功能融入了電子測(cè)樹(shù)槍?zhuān)蛇M(jìn)行樹(shù)高、角規(guī)等測(cè)量?，F(xiàn)有的測(cè)樹(shù)儀器和方式，操作復(fù)雜、精度低且價(jià)格昂貴。已有的非接觸式儀器，可測(cè)某一位置的直徑，再測(cè)量高度，但是反過(guò)來(lái)則難以實(shí)現(xiàn)，即無(wú)法確定給定高值處的位置（非接觸情況下1.3 m處的判定）。電子化、數(shù)字化和智能化技術(shù)越來(lái)越多地用在森林資源調(diào)查中數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)字化鏡頭和激光測(cè)距儀能夠快速獲取更加詳細(xì)的信息。因此，筆者結(jié)合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（COMS）傳感器、攝像頭、激光測(cè)距儀和傾角傳感器等數(shù)字化電子元件，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了使用簡(jiǎn)單、成本低、攜帶方便的手持式測(cè)樹(shù)儀。該儀器可測(cè)徑、測(cè)高、測(cè)距（平距和斜距），計(jì)算三角形、方形和梯形面積，結(jié)合這些測(cè)量功能還可用來(lái)測(cè)量冠幅和材積。

1　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架如圖1所示。微控制單元（MCU）采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VET6，主要對(duì)電路進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)輸入輸出等?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）傳感器采用OmniVision公司的ov9655，與攝像頭相連接，主要用來(lái)進(jìn)行圖像的生成、處理和數(shù)字信號(hào)的輸出。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)部flash中，數(shù)據(jù)可以在屏幕上顯示和查看，在測(cè)完后輸入電腦。部分?jǐn)?shù)據(jù)處理采用C#開(kāi)發(fā)的后處理軟件，其他數(shù)據(jù)處理使用matlab。激光傳感器由激光發(fā)射器、激光接收器和相關(guān)電路組成。該儀器主要采用相位原理測(cè)距。傾角傳感器采用意法半導(dǎo)體公司的LIS331DLTR，用于測(cè)量?jī)A角，電源向其他模塊供電。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)

圖1　系統(tǒng)框架圖Figure 1　System framework chart

圖2　儀器結(jié)構(gòu)圖Figure 2　Structure of instrument

上面各模塊在電路板上連接集成后，將其置入塑料外殼中，合成設(shè)備。設(shè)備輕便，尺寸為5.00 cm ×13.50 cm×2.70 cm，質(zhì)量為150.0 g。儀器測(cè)量的距離范圍為0.05～120.00 m，最小顯示數(shù)值1.0 mm，測(cè)量精度為±1.5 mm。傾角測(cè)量范圍－90.0°～90.0°，精度為±0.3°。設(shè)備外形如圖2所示：前端為激光頭和攝像頭區(qū)域，正面有顯示屏和鍵盤(pán)，鍵盤(pán)中主要按鍵有圖像縮放鍵、模式鍵和確認(rèn)鍵等；背面為電池蓋板和螺絲口，可固定在三腳架上。與常規(guī)光學(xué)測(cè)樹(shù)儀相比，不需要通過(guò)凸透鏡來(lái)觀測(cè)樹(shù)木，眼睛不會(huì)難受，直接在顯示屏上觀測(cè)物體，且可以放大。

1.3軟件流程

首先，軟件進(jìn)入初始化，之后進(jìn)入模式的選擇。在距離模式下，需要打開(kāi)發(fā)生電路和接收器，之后計(jì)算相位差從而得到距離值，再輸出顯示。其他測(cè)量模式中也多次進(jìn)行距離測(cè)量，過(guò)程類(lèi)似。直徑測(cè)量中，按下確定鍵后，進(jìn)入距離測(cè)量，之后在串行相機(jī)控制總線(xiàn)（SCCB）的控制下采集圖像，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理器后，原始圖像信號(hào)由多路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)至2個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，之后數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行圖像質(zhì)量的控制，進(jìn)行空白像素的消除以及去噪，之后計(jì)算樹(shù)木直徑，最后顯示數(shù)值和圖像。而樹(shù)高利用傾角傳感器和激光傳感器，按3次鍵，分別獲取水平距、底角和傾角，其他測(cè)量模式主要應(yīng)用了距離測(cè)量和傾角測(cè)量的2個(gè)基本測(cè)量（圖3）。

圖3　程序流程圖Figure 3　Program flow chart

2　測(cè)量原理和應(yīng)用

2.1直徑測(cè)量原理和應(yīng)用

當(dāng)對(duì)準(zhǔn)樹(shù)木直徑處，所測(cè)直徑處及附近在攝像頭視野內(nèi)的光線(xiàn)射入CMOS的像素陣列中，在電源和外圍電路的作用下，不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光子產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和其他處理，不同像素處的電流被轉(zhuǎn)換成灰度圖。灰度值為8位，即0～255，灰度值越小圖像越黑，越大圖像越白，如圖4右上部分。取屏幕中間，如圖4像素陣列粗實(shí)線(xiàn)處，也即像素陣列里中間一行的像素值，對(duì)它們進(jìn)行判斷。當(dāng)灰度值Gray＜150，提取此像素，然后計(jì)算提取出的相連接的像素個(gè)數(shù)。這里相連接的線(xiàn)段可能不只一段，假設(shè)有n段，找出像素個(gè)數(shù)最多的一段，并在這一段的最左邊和最邊生成豎值的線(xiàn)以卡住樹(shù)木。這一步可實(shí)現(xiàn)樹(shù)木直徑的自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)然，由于設(shè)定的條件不能完全識(shí)別出所有樹(shù)木直徑，在此再加入手動(dòng)調(diào)節(jié)。即：按下等于鍵的時(shí)候屏幕左側(cè)或右側(cè)的豎線(xiàn)閃動(dòng)，再按＋鍵和－鍵可以將豎線(xiàn)向左或右延長(zhǎng)，共4個(gè)mode，不同的mode下可實(shí)現(xiàn)不同程度的調(diào)節(jié)，由100個(gè)像素的粗調(diào)到1個(gè)像素微調(diào)。

圖4　儀器直徑測(cè)量原理Figure 4　Diameter measurement principle of the instrument

如圖4，樹(shù)木的直徑D為ab，c點(diǎn)為與鏡頭中心o平行的樹(shù)干上的一個(gè)點(diǎn)，與ab在同一直線(xiàn)上，co為物距，oq為相距，u為焦點(diǎn)。焦距、物距和相距具有以下物像公式：

每個(gè)像素的寬度為3.18 μm，即為3.18×10－6m，焦距可由軟件獲取，整理式（1）～式（4）并將單位轉(zhuǎn)為m，得：

co可由激光傳感器測(cè)得，單位為m；f為已知，由此可以算出樹(shù)木直徑ab。

在北京市奧林匹克森林公園和鷲峰選擇有代表的樹(shù)進(jìn)行胸徑測(cè)量，利用直徑測(cè)量模式共測(cè)82株。測(cè)量時(shí)，使用卡尺的測(cè)量值作為對(duì)比值，先用儀器測(cè)，之后再用卡尺測(cè)量。卡尺測(cè)量時(shí)，使其方向與儀器方向一致。誤差分布如圖5，最大誤差為0.80 cm，最小誤差為0 cm，平均誤差為－0.05 cm，總的均方根誤差為0.32，誤差較小。

對(duì)誤差分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6。絕對(duì)誤差為0.20 cm的株數(shù)最多，有23株；其次為0.40 cm，誤差為0.70 cm和0.80 cm的各有1株，誤差在0.50 cm之內(nèi)的占97.6%。直徑的自動(dòng)識(shí)別中，深色樹(shù)木識(shí)別效果好，而樹(shù)皮亮度高、紋理多的識(shí)別一般，需要通過(guò)人工判別來(lái)調(diào)節(jié)鍵。

圖5　胸徑誤差圖Figure 5　Diagram of DBH error

圖6　誤差株數(shù)統(tǒng)計(jì)Figure 6　Statistics of numbers with error

另外，對(duì)其胸徑以4 cm為徑階進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），測(cè)量樹(shù)木的徑階范圍為4～56 cm，均方根誤差總的趨勢(shì)隨著徑階的增加而增加，56 cm徑階的均方根誤差為0.50 cm。平均誤差最大為0.50 cm，最大誤差大于0.50 cm的誤差為36和56 cm徑階，由表1可知徑階大的誤差較大，主要在36 cm徑階及以上。所測(cè)數(shù)據(jù)全部符合二類(lèi)森林資源調(diào)查要求，除2個(gè)異常值不符合一類(lèi)森林資源調(diào)查要求外，其他全部滿(mǎn)足一類(lèi)森林資源調(diào)查要求。對(duì)于誤差較大的，由于每一徑階的平均誤差都在0.50 cm內(nèi)，可通過(guò)多次測(cè)量求平均值解決。

表1　胸徑按徑階的誤差統(tǒng)計(jì)Table 1　Statistics of diameter at breast

2.2高度、直徑同步測(cè)量

樹(shù)高直徑同步測(cè)量，即測(cè)量給出高度值處的直徑，如測(cè)量1.30 m處的直徑（胸徑），按照普通測(cè)量方式，先用卷尺測(cè)出垂直方向上從樹(shù)底起往上1.30 m處的位置，再用圍尺測(cè)出胸徑。對(duì)于非接觸式測(cè)樹(shù)儀，1.30 m處的確定尚未得到很好解決，該儀器解決了此問(wèn)題。如圖7所示，將儀器固定在腳架上，瞄準(zhǔn)樹(shù)底后按下確定鍵，利用儀器的傾角傳感器可獲得向下的傾角a，利用激光傳感器可得到測(cè)點(diǎn)O到樹(shù)底的斜距OA，OS為與樹(shù)干垂直的直線(xiàn)，通過(guò)下式求得：

保持儀器中心不變，慢慢向上傾斜，角度b為向上傾斜過(guò)程中與水平方向的夾角，內(nèi)部程序每隔0.3 s按照下式計(jì)算樹(shù)高h(yuǎn)：

在向上移動(dòng)的過(guò)程中，屏幕每0.3 s更新到樹(shù)底的高度，由于時(shí)間短暫，感覺(jué)不到屏幕閃爍。當(dāng)數(shù)字快顯示到給定高度值處時(shí)（如1.30 m），緩慢向上調(diào)動(dòng)，直到屏幕顯示的數(shù)字穩(wěn)定且與給定值相等時(shí)固定住儀器，再按下確認(rèn)鍵，儀器將按上述測(cè)徑原理測(cè)量直徑，最后屏幕上顯示出直徑。

實(shí)際測(cè)量中，能自動(dòng)識(shí)別。如果識(shí)別不好，則手動(dòng)調(diào)節(jié)，使得與樹(shù)木直徑的邊界一致。步驟如圖8所示，屏幕中左下角的樹(shù)為提示符，先瞄準(zhǔn)樹(shù)底。之后圖8中第2幅圖實(shí)時(shí)顯示高度變化，到達(dá)所給值的地方固定住，并按測(cè)量鍵，屏幕中顯示距離和直徑以及卡住樹(shù)木的圖像。

圖7　樹(shù)高、直徑同步測(cè)量圖Figure 7　Simultaneous measurement graph of height and diameter

圖8　樹(shù)高、直徑同步測(cè)量步驟Figure 8　Step of simultaneous measurement in height and diameter

外業(yè)實(shí)驗(yàn)時(shí)利用徑高同測(cè)模式來(lái)測(cè)量胸徑。先用儀器瞄準(zhǔn)樹(shù)底，當(dāng)上移到1.30 m處，用粉筆在樹(shù)上做出記號(hào)，之后用儀器測(cè)出胸徑。最后用卡尺測(cè)出胸徑，用鋼卷尺測(cè)出儀器所測(cè)的胸高對(duì)應(yīng)高度作為對(duì)比值，共20株樹(shù)。如圖9，儀器所測(cè)1.30 m處誤差極小，精度為99.70%，最大絕對(duì)誤差為0.90 cm，平均誤差為0.30 cm。

圖9　胸徑處判別和測(cè)量Figure 9　Identification and measurement of DBH

2.3上部直徑測(cè)量

該儀器除了測(cè)量胸徑外，還可測(cè)量上部直徑。上部直徑測(cè)量時(shí)選擇枝干較少且可攀爬的樹(shù)，選擇不同的距離進(jìn)行測(cè)量。以卡尺的測(cè)量值作為對(duì)比值，測(cè)量方向與儀器測(cè)量方向一致，共測(cè)3株樹(shù)，測(cè)量值分布如圖10所示。橫軸為距離，縱軸為直徑大小，每條實(shí)心直線(xiàn)為某一高處的卡尺值，不變，每條虛折線(xiàn)為某一高處儀器測(cè)量值。從橫向來(lái)看，測(cè)量值的精度隨距離變化而變化，但總有一處距離使得其誤差在0.50 cm內(nèi)，其中第1株樹(shù)，最佳測(cè)量距離所測(cè)值的誤差均在0.10 cm內(nèi)。上部直徑由于角度、距離和高度的原因，使得不同高度不同大小的直徑在不同距離測(cè)量時(shí)會(huì)造成一定的誤差，但在最佳距離處可抵消距離、高度和角度的影響。

2.4樹(shù)高測(cè)量

圖10　不同距離下上部直徑測(cè)量值Figure 10　Upper diameter at different distance

如圖11，先瞄向樹(shù)干任意一點(diǎn)，如w，按下確認(rèn)鍵，由傾角傳感器測(cè)得角度a，由激光傳感器測(cè)得斜距cw。再瞄準(zhǔn)樹(shù)底并按確認(rèn)鍵獲得底角b；往上移動(dòng)，得到頂角c，最后由下式獲得樹(shù)高h(yuǎn)：

使用該儀器與Trupulse200激光測(cè)距儀進(jìn)行樹(shù)高測(cè)量，以Trupulse200激光測(cè)距儀所測(cè)值作為對(duì)比值。如圖12所示，共有177株樹(shù)。圖12中工字形的儀器誤差為實(shí)際誤差值的2倍。樹(shù)高范圍為5.00～21.90 m，均方根誤差為0.17，平均誤差7.50×10－2m，樹(shù)高總的精度為99.20%，最大絕對(duì)誤差為0.60 m，還有2株誤差大于0.50 m，其余誤差全在0.50 m內(nèi)。

2.5冠幅測(cè)量

該儀器可測(cè)量水平距離，從而可以用來(lái)測(cè)量樹(shù)冠冠幅，某一方向冠幅測(cè)量如圖13所示。選擇一通視條件良好的地方，可以看到要測(cè)方向的兩端，瞄準(zhǔn)前端后按下確定鍵，測(cè)得水平距x1；再瞄準(zhǔn)后端，按下確定鍵，測(cè)得水平距x2。測(cè)量冠幅有2種情形，一是在樹(shù)冠覆蓋面之外，另一種為在樹(shù)冠覆蓋面之內(nèi)。覆蓋面之外時(shí)（圖13左），冠幅g＝x2－x1；而在覆蓋面之內(nèi)時(shí)，冠幅g＝x2+x1。

圖11　樹(shù)高測(cè)量原理Figure 11　Measurement principle of tree height

圖12　樹(shù)高誤差折線(xiàn)圖Figure 12　Line chart of tree height error

分別使用該儀器和皮尺對(duì)10株樹(shù)的冠幅進(jìn)行測(cè)量，每株樹(shù)分別測(cè)量了東西和南北冠幅，測(cè)量結(jié)果如表2。

表2　冠幅測(cè)量值Table 2　Crown measurements

兩者的絕對(duì)差最大的為0.49 m，均方根誤差為0.28×10－1，精度為96.60%。該儀器所測(cè)冠幅都比皮尺所測(cè)小。主要原因，大冠幅的樹(shù)都在樹(shù)下觀察，儀器觀測(cè)到樹(shù)的邊緣為內(nèi)緣，而在樹(shù)外觀測(cè)都是一測(cè)為外緣一側(cè)為內(nèi)緣，都會(huì)造成偏小。

2.6傾角測(cè)量

為驗(yàn)證傾角測(cè)量的精度，在墻上做出刻度，5.00 cm為1格，然后離墻一定距離，將儀器置于三角架上，并置平，測(cè)出在墻上對(duì)應(yīng)的高h(yuǎn)0，以及到墻的距離d。然后，從0°開(kāi)始測(cè)得到每一格的傾角，使用該儀器測(cè)了0～82.20°間的角度值。假設(shè)某處高為h，利用式（9）求得理論值w：

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，該儀器的最大誤差在0.30°內(nèi)，傾角在40°以?xún)?nèi)，誤差主要集中在0.20°內(nèi)，40°以上誤差集中于0.30°，由此得該儀器傾角測(cè)量誤差小。

2.7立木體積測(cè)量

利用該儀器的徑高同測(cè)模式，通過(guò)測(cè)得樹(shù)干幾個(gè)位置的高和直徑，分段求積獲得立木材積。將梢頭外的樹(shù)干部分均分，每部分用頭尾的平均斷面積乘以每段的長(zhǎng)度以求得這部分的體積，而梢頭看成是圓錐，如圖14。計(jì)算公式如下：

式（10）中：g0為樹(shù)干底部斷面積，gn為梢頭底部斷面積，gi為各區(qū)分段的斷面積。h為每一區(qū)分段的高度，hn為梢頭部分的高度。相應(yīng)的，d0為樹(shù)干底部直徑，dn為梢頭底部斷直徑，di為各區(qū)分段的直徑。測(cè)量步驟如下：①打開(kāi)徑高同測(cè)模式，對(duì)準(zhǔn)地徑處，測(cè)得直徑d0和高h(yuǎn)0。②上移，測(cè)得第2處的直徑d1和h1。再上移，得到第n處的直徑dn和高h(yuǎn)n，則每一段的高為hn-hn-1。③對(duì)準(zhǔn)樹(shù)頂，測(cè)得樹(shù)高h(yuǎn)，則測(cè)量結(jié)束。

圖13　樹(shù)冠測(cè)量Figure 13　Crown measurement

圖14　平均斷面積法測(cè)樹(shù)Figure 14　Tree measuring with the tree's average section method

選擇枝干較少，易于攀爬的樹(shù)，卡尺、圍尺和該儀器測(cè)量了分段處的直徑，用該儀器和皮尺測(cè)量了分段處的高。一共測(cè)量了4株樹(shù)的立木體積，分別得到圍尺、卡尺和該儀器的體積，可見(jiàn)三者測(cè)量的體積誤差不大（表3）。圍尺的相對(duì)誤差大于卡尺的相對(duì)誤差，這是由于圍尺測(cè)量直徑的誤差所造成的。該儀器與卡尺計(jì)算出來(lái)的體積誤差最大為2.70%，誤差小。而該儀器與圍尺最大誤差為11.12%，誤差較大，由于圍尺測(cè)量的直徑為平均直徑，樹(shù)木不規(guī)則時(shí)卡尺在不同方向上測(cè)得的值不一致，從而計(jì)算的體積誤差較大。

表3　不同測(cè)量方法下立木體積值Table 3　Stumpage volume values under different measurement methods

3　結(jié)論

利用CMOS傳感器，結(jié)合攝像頭，通過(guò)對(duì)圖像處理，儀器可自動(dòng)識(shí)別樹(shù)木直徑，再通過(guò)激光測(cè)距傳感器和傾角傳感器，可實(shí)現(xiàn)樹(shù)高與直徑同步測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，1.30 m處判別的精度達(dá)99.70%；直徑測(cè)量模式下，均方根誤差為0.32，大的徑階下誤差較大些。上部直徑在不同距離下精度不一，但有最佳距離段下使得其誤差滿(mǎn)足林業(yè)調(diào)查精度需求。樹(shù)高測(cè)量均方根誤差為0.17，平均誤差7.50×10-2m；冠幅測(cè)量比皮尺所測(cè)值小，精度為96.60%；傾角測(cè)量的誤差在3°以?xún)?nèi)。另外儀器還能進(jìn)行樣地設(shè)置，計(jì)算多邊形樣地的周長(zhǎng)和面積。儀器小巧輕便，使用簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足林業(yè)資源調(diào)查需求。

該儀器與傳統(tǒng)測(cè)樹(shù)儀（如RD 1000）相比，利用圖像識(shí)別進(jìn)行直徑測(cè)量，減少人眼識(shí)別的誤差，測(cè)量速度快。測(cè)樹(shù)裝備從傳統(tǒng)的機(jī)械式、光學(xué)式向電子化發(fā)展，再向智能化發(fā)展。由于不需要水平角測(cè)徑，該儀器未加入水平角測(cè)量模式，而是將水平角的測(cè)量放在云臺(tái)中。另外，該儀器還可以加入全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊以實(shí)現(xiàn)定位和坐標(biāo)測(cè)量。還有該儀器存儲(chǔ)在內(nèi)部flash中，所存數(shù)據(jù)不多，需要加入存儲(chǔ)模塊，如安全數(shù)碼卡（SD卡）?？稍谠搩x器原有功能基礎(chǔ)上，完善其他功能，使得儀器更為實(shí)用。

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A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement

CHEN Jinxing1，YUE Depeng1，F(xiàn)ENG Zhongke1，DING Jiawei2，YAO Bingquan1，YE Tianxiong1
（1.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.Changzhou New Ruide Instrument Co.，Ltd.，Changzhou 213000，Jiangsu，China）

In a Forest Resource Inventory，a time-consuming job traditionally requiring different instruments in difficult terrain conditions，stand factors are determined to understand the quantity and quality of forest resources，thereby enhancing forest planning，designing and operation.To enable fast and accurate tree measurement，a portable digital intelligent dendrometer was designed and developed.This instrument consisted of a STM32F103VET6 microcontroller，an ov9655 sensor，a LIS331DLTR angle sensor，a keyboard，laser ranging sensors，monitors，a power supply，and the relevant circuit module.Ranging used the phase principle with a ranging accuracy of±1.5 mm.In the simultaneous measurement mode for diameter and height，the diameter of the tree was automatically identified through image processing with a camera and a complementary metal-oxidesemiconductor（CMOS）sensor.In addition，the following modes were present，caliper，mode，distance measurement，angle measurement and area calculation.Experimental results showed that in the caliper mode，the average DBH error was-0.05 cm，and the error within 0.5 cm accounted for 97.6%.Diameter measurements at different distances and different heights showed that the error fot the optimum distance was within 0.5 cm. Thus，this instrument with automated measurements could meet the needs of a forest resource survey team.［Ch，14 fig.3 tab.20 ref.］

forest mensuration；dendrometer；sensor；measurement；image identification；standing trees

S758.7

A

2095-0756（2016）04-0589-10

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006

2015-09-02；

2015-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371189）；國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃（“948”計(jì)劃）項(xiàng)目（2014-4-76）

作者介紹：陳金星，博士研究生，從事林業(yè)裝備與信息化研究。E-mail：venusandp@gmail.com。通信作者：岳德鵬，教授，博士生導(dǎo)師，從事林業(yè)信息化、景觀生態(tài)和土地評(píng)價(jià)等研究。E-mail：yuedepeng@126.com