程文生，馮仲科*，黃曉東

森林資源調(diào)查是以林地、林木、生長在林區(qū)范圍內(nèi)的動植物及其環(huán)境條件為對象的林業(yè)調(diào)查。樹木的直接測定因子和派生因子統(tǒng)稱為基本測樹因子，直接測定因子主要包括立木胸徑和樹高，派生因子有立木材積、樹干橫截面積等［1］。樹木的直接測定因子和由其派生的其他因子的測定是森林資源外業(yè)調(diào)查的重要組成部分，在現(xiàn)代的森林資源調(diào)查工作中，測定胸徑、樹高、材積、林分平均胸徑、林分平均高、林分密度［2］、林分蓄積量等是森林觀測的主要內(nèi)容。由于林區(qū)立地條件復(fù)雜，工作人員作業(yè)難度較大，林業(yè)調(diào)查工作面臨著諸多問題，因此研發(fā)一種便攜式、智能化的調(diào)查裝備具有提高外業(yè)調(diào)查人員的工作效率、減輕勞動強度等現(xiàn)實意義［3］。

隨著科技的快速發(fā)展和信息化時代的來臨，國內(nèi)外各種森林資源調(diào)查工具不斷涌現(xiàn)。例如國外生產(chǎn)的用于胸徑測量的卡尺、Biltmore測仗、測徑尺，巴爾和斯特勞德光學(xué)測樹儀等，用于樹高測量的布魯萊斯測高器、阿布尼水準(zhǔn)儀、克里斯屯測高器等［4-5］，用于多因子測量點的巴爾斯-特勞測樹儀、比特里希林分速測鏡等［6］。這些進口儀器普遍功能單一、價格昂貴，為了滿足森林資源調(diào)查儀器的大量需求，我國也越來越重視這方面的研究，研制了許多森林計測裝備。馮仲科［7-8］等研發(fā)了用于角規(guī)測量的3D電子角規(guī)，用于測樹高、測胸徑的測樹全站儀［9-11］、測樹型超站儀［12-13］，用于無損立木材積測量的電子經(jīng)儀［14-18］等系列裝備，并對其測量精度進行了研究［19-20］。徐偉恒［21］等研制了手持式數(shù)字化多功能電子測樹槍，實現(xiàn)了任意處樹干直徑的測量和樹高測量以及部分林分結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取。黃曉東［22］等研制了一種可自動獲取胸徑樹高的便攜式測樹超站儀。邱梓軒［23］等研制了一種基于Android的森林智能手機測繪記算器，能夠?qū)崿F(xiàn)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(guī)樣地測量等功能。目前，國內(nèi)最新研制的森林資源調(diào)查設(shè)備雖然解決了功能單一、便攜性差等問題，但仍然存在造價成本過高、操作復(fù)雜、林區(qū)儀器架設(shè)難度大等問題。這對森林資源調(diào)查新儀器的研制指明了方向，因此研發(fā)一種集立木胸徑、樹高［24-27］、材積等單木因子［28-29］測量和林分參數(shù)測定的多功能、現(xiàn)代化、智能化裝備成為必然發(fā)展趨勢。

本研究結(jié)合森林資源外業(yè)調(diào)查的實際需求，以數(shù)字圖像處理技術(shù)、攝影測量技術(shù)、測樹學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用Cortex-M3中央處理芯片、激光測距模塊、傾角傳感器、藍牙模塊、LED彩屏、CCD鏡頭等電子元件進行硬件集成并向其中嵌入自主開發(fā)的集單木測胸徑、單木測樹高、單木測材積、圓形樣地觀測4個主要功能模塊于一體的測樹軟件系統(tǒng)，從而能設(shè)計并實現(xiàn)一種便攜式森林資源調(diào)查儀。

1 調(diào)查儀構(gòu)成

1.1 儀器硬件設(shè)計

便攜式森林資源調(diào)查儀的硬件組成包括Cortex-M3中央處理芯片、激光測距模塊、傾角傳感器、藍牙模塊、LED彩屏、CCD鏡頭、電源、功能按鍵等元件。通過委托常州市新瑞得儀器有限公司對其進行設(shè)計和包裝，從而制造出一款輕量級、多功能的森林資源調(diào)查裝備(圖1)。

圖1 森林資源調(diào)查儀示意Fig.1 Schematic diagram of potable forest resources inventory instrument

1.2 嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是使用通用計算機編程語言C語言在Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)編制的。軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計即每一項功能獨立設(shè)計為單一功能模塊，主要包括單木測胸徑、單木測樹高、單木測材積、圓形樣地觀測4個功能模塊，最后統(tǒng)一集成通過J-Link仿真器燒錄至調(diào)查儀的芯片中。該儀器嵌入式系統(tǒng)操作流程為:開機進入程序初始化界面，用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇相應(yīng)的功能模塊進行森林觀測，單株立木測量的胸徑、樹高、材積以及圓形樣地觀測獲取的平均胸徑、平均樹高、株數(shù)密度、蓄積量等林分參數(shù)測量結(jié)果均實時顯示在屏幕上，系統(tǒng)自動將結(jié)果數(shù)據(jù)以ASCII碼格式保存至flash中，可通過藍牙連接將保存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲煌慕K端。儀器系統(tǒng)操作流程見圖2。

1.3 儀器功能參數(shù)

調(diào)查儀主要包括單木測胸徑、單木測樹高、單木測材積、圓形樣地觀測等4項功能。良好天氣條件下測量距離為 0.1～100 m，測量精度為±1.5 mm，最小顯示單位為0.1 mm，激光等級Ⅱ級，激光類型635 nm，＜1 mW;傾角測量范圍為－90°～90°，測量精度±6 s;CCD鏡頭有效像素200萬，3.6倍光學(xué)變焦，35 mm等效焦距。操作系統(tǒng)為嵌入式ARM系統(tǒng)，CPU為Cortex-M32處理器。調(diào)查儀工作環(huán)境溫度為－20～50℃，在該條件下其電池連續(xù)工作時間長達6 h。

2 功能操作及原理

2.1 單木測胸徑

調(diào)查儀用于單木胸徑測量時，首先將激光點對準(zhǔn)待測立木胸徑處(樹高為1.3 m處)，也可直接通過屏幕中的十字線對準(zhǔn)立木胸徑處，因為激光點位于十字線中心;然后按測量鍵進行測量，測量的同時，激光測距模塊獲取儀器前端到胸徑處的斜距L，內(nèi)置定焦焦距為f的CCD鏡頭獲取胸徑處影像;最后通過加號鍵和減號鍵調(diào)整影像識別邊界，使兩側(cè)邊界正好位于立木胸徑處的兩側(cè)，通過攝影測量單片解析原理數(shù)學(xué)公式過胸徑糾正［22］處理得到最接近于真實胸徑值的測量結(jié)果。式中，D為測繪記算器測量任意處樹干直徑;N為測繪記算器屏幕內(nèi)所測圖像值;f為測繪記算器的CCD鏡頭定焦焦距。單木測胸徑儀器操作及結(jié)果顯示見圖3，攝影測量單片解析原理示意圖見圖4。

2.2 單木測樹高

調(diào)查儀用于單木樹高測量時，第一步，將激光點或者顯示屏中間的十字絲對準(zhǔn)待測立木樹干處并保持激光線水平，按測量鍵獲取調(diào)查儀到該處的水平距離L;第二步，將激光點或者顯示屏中間的十字絲對準(zhǔn)待測立木根部，按測量鍵獲取測樹儀此時的下傾角α1;第三步，將激光點或者顯示屏中間的十字絲對準(zhǔn)待測立木樹梢，按測量鍵獲取測樹儀此時的上傾角α2。此時，內(nèi)置程序通過樹高計算數(shù)學(xué)模型:H=L(tanα2－tanα1)解算出樹高并顯示在屏幕上。調(diào)查儀測量樹高操作步驟及測量結(jié)果見圖5，樹高計算原理示意圖見圖6。

圖3 單木測胸徑儀器界面Fig.3 Instrument interface of DBH measurement

圖4 攝影測量單片解析原理示意Fig.4 Schematic diagram of photographic measurement of single-chip analysis principle

圖5 單木測樹高儀器界面Fig.5 Instrument interface of tree height measurement

2.3 單木測材積

調(diào)查儀用于單木材積測算時分為測量胸徑和測量樹高2個部分，胸徑測量和樹高測量具體步驟如上文單木測胸徑、單木測樹高所述。測量所得的胸徑、樹高值通過全國通用單木立木材積解算公式:V=5.917 3D1.91870H0.92944×10－5計算出材積［29］并顯示在屏幕上。式中，V表示單株立木材積;D為所測得的胸徑值;H為所測得的樹高值。材積測量結(jié)果顯示界面見圖7。

圖6 樹高計算原理示意Fig.6 Schematic diagram of tree height measuring principle

圖7 材積測量結(jié)果顯示界面Fig.7 Interface of volume measuring result

2.4 圓形樣地觀測

用調(diào)查儀進行圓形樣地觀測的具體步驟:1)在林區(qū)選定一點作為樣地中心點，以中心點為圓心設(shè)置圓心樣地面積，分別為 100、200、300 m2。2)利用調(diào)查儀進行繞測，首先判斷所測樹木是否在樣地內(nèi)，對在樣地內(nèi)的每一棵樹木進行胸徑、樹高測量，直到采集完樣地內(nèi)所有樣木的信息。3)調(diào)查儀根據(jù)采集到的樣木信息自動解算出該圓形樣地的林分平均胸徑、平均樹高、株數(shù)密度、蓄積量。圓形樣地觀測原理示意圖見圖8。

調(diào)查儀中圓形樣地觀測功能獲取林分參數(shù)解算原理，可以用下列公式表示:

林分平均胸徑計算:

式中，n為樣地內(nèi)觀測木數(shù)量;Di為第i棵觀測樣木的胸徑(cm)。

林分平均樹高計算:

式中，n為樣地內(nèi)觀測木數(shù)量;Hi為第i棵觀測樣木的樹高(m)。

株數(shù)密度(株·hm－2)計算:

式中，n為樣地內(nèi)觀測木數(shù)量;S為樣地大小設(shè)置的面積(m2)。

林分蓄積量(m3·hm－2)計算:

式中，n為樣地內(nèi)觀測木數(shù)量;Gi為第i棵觀測樣木的胸高斷面積;fε為推導(dǎo)形數(shù)［30］;S為樣地大小設(shè)置的面積(m2)。

圖8 圓形樣地觀測原理示意Fig.8 Schematic diagram of round sample measurement principle

3 試驗驗證

3.1 單木因子測量試驗

為驗證調(diào)查儀胸徑、樹高、材積3種單木因子的測量功能及測量精度，在北京松山國家級自然保護區(qū)展開試驗，樹種包括大葉白蠟、油松、山槐、榆樹。在林區(qū)選取不同立地條件的多個樣地對便攜式森林資源調(diào)查儀的單木因子測量功能進行測量試驗，在不同方向選擇觀測點對待測木進行2次以上觀測，最后取平均值作為測量值。采用林業(yè)調(diào)查工作中常用的胸徑尺和調(diào)查儀進行胸徑測量對比試驗;利用廣州南方測繪科技股份有限公司和北京林業(yè)大學(xué)測繪與3S技術(shù)中心共同研發(fā)的2秒測樹全站儀和調(diào)查儀進行樹高測量和材積測量試驗。根據(jù)相對誤差為調(diào)查測量數(shù)據(jù)的平均值(m);珚HE為胸徑尺或測樹全站儀測量數(shù)據(jù)的平均值(m);珔EH為相對誤差(%)計算各對比試驗測量結(jié)果的相對誤差，調(diào)查儀單木因子測量功能對比試驗及誤差分析結(jié)果見表1。

通過試驗結(jié)果表明，在298組測量數(shù)據(jù)隨機選取的20組測量數(shù)據(jù)中，胸徑測量相對誤差在0.94%～5.12%;樹高測量相對誤差在 1.05% ～4.92%;材積測量相對誤差在 0.45% ～10.12%，符合國家森林資源一類連續(xù)清查工作的精度要求。

3.2 圓形樣地觀測試驗

為驗證調(diào)查儀的圓形樣地觀測功能及測量精度，在北京松山國家級自然保護區(qū)選取了20個圓形觀測樣地，根據(jù)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，樣地主要樹種為大葉白蠟和油松，分布均勻，生長狀況良好。在樣地內(nèi)，觀測人員分別用每木檢尺的方法和調(diào)查儀圓形樣地觀測功能進行對比試驗，圓形樣地觀測試驗及誤差分析結(jié)果見表2，可以看出，調(diào)查儀圓形樣地觀測功能中的林分平均胸徑測量精度高達97.92%，林分平均高測量精度高達97.97%，株數(shù)密度測量精度高達96.54%，蓄積量測量精度高達95.79%，符合森林資源二類調(diào)查的精度要求。

4 結(jié)論與討論

本研究研制了一種便攜式森林資源調(diào)查儀，實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化，減輕了工作人員的負擔(dān)。該儀器由Cortex-M3中央處理芯片、激光測距模塊、傾角傳感器、藍牙模塊、LED彩屏、CCD鏡頭等電子元件高密度集成于一體，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)、攝影測量技術(shù)、測樹學(xué)理論，由內(nèi)嵌單木測胸徑模塊、單木測樹高模塊、單木測材積模塊、圓形樣地觀測模塊等4大模塊化程序，實現(xiàn)胸徑自動測量、樹高自動測量、立木材積解算、圓形樣地觀測等4大功能。詳細闡述了便攜式森林資源調(diào)查儀的單木測胸徑、單木測樹高、單木測材積和圓形樣地觀測等功能的操作步驟和計算原理，并在北京松山國家級自然保護區(qū)進行野外對比試驗。試驗得到單木因子測量功能的胸徑測量精度高達 97.85%，樹高測量精度高達97.46%，材積測量精度高達 95.64%;圓形樣地觀測功能林分參數(shù)獲取，林分平均胸徑測量精度高達97.92%，林分平均高測量精度高達97.97%，株數(shù)密度測量精度高達96.54%，蓄積量測量精度高達95.79%，符合我國森林資源調(diào)查的精度要求，可在森林 資源調(diào)查工作中推廣使用。

表1 單木因子測量試驗及誤差分析結(jié)果Table 1 Test and relative error results of tree single factor measurement

表2 圓形樣地觀測試驗及誤差分析結(jié)果Table 2 Test and relative error results of round sample measurement