趙自雨，馮仲科，成竺欣

(北京林業(yè)大學 精準林業(yè)北京重點實驗室，北京100083)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和整個生物圈起著至關(guān)重要的作用[1-3]。由于森林面積龐大、結(jié)構(gòu)復雜多樣，在實際調(diào)查工作中，通常并非對整個森林植被圈進行調(diào)查，而是通過建立固定樣地，采用局部測量的方式，以此來推算森林結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律[4]。森林樣地中樹木位置分布是研究森林生態(tài)、森林結(jié)構(gòu)和管理林區(qū)的重要指標[5]。在樣地調(diào)查中，如何快速、便捷、精準地實現(xiàn)樹木坐標測量是森林調(diào)查的重要環(huán)節(jié)[6，7]。

森林調(diào)查的效率與精度取決于設(shè)備與方法，傳統(tǒng)的樹木位置測量通常采用羅盤儀測角，皮尺或測繩測量水平距，工作量大而且耗費大量時間[8-10]。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，電子經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等逐漸應用到樹木測量工作當中[11]。閆飛[12]使用測樹全站儀在林分樣地進行實驗，實現(xiàn)了樣木三維坐標測量。樊仲謀[13]利用雙目相機為測量工具，在樣地中心放置雙目相機，通過立體像對前方交會為手段，實現(xiàn)了樹心坐標提取。劉金成[14]提出了一種利用CCD超站儀按測帶進行像對觀測方法，通過實地測試，實現(xiàn)了固定樣地建立和樹木坐標等林分參數(shù)提取。Liu等[15]以攝影測量和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間定位技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)了一種單木像對解算和林分點云測量于一體的多功能、高精度、實時定位的動態(tài)雙目立體攝影測樹儀，實現(xiàn)了林木位置實時定位，但林中GPS信號容易受到林冠層的干擾，導致定位產(chǎn)生較大偏差。陳盼盼等[16]等利用視覺里程計技術(shù)構(gòu)建了樣地調(diào)查系統(tǒng)，實現(xiàn)了樣地標定、胸徑等功能。徐偉恒[17]研制了手持式測樹超站儀，實現(xiàn)了單木測量、樣地計測。近年來，激光雷達技術(shù)在林業(yè)上得到了廣泛的應用，并逐漸成為森林調(diào)查的重要手段[18-20]。Brolly等[21]利用三維激光掃描數(shù)據(jù)提取了多株樹木的分布情況并計算了樹木的胸徑。Li等[22]通過汽車搭載激光雷達與GPS獲取街道兩側(cè)的樹木點云數(shù)據(jù)，從中提取樹木坐標和樹干信息等，這種方法雖然高效，但不適應于林區(qū)工作。這些方法和設(shè)備雖然在森林樣地布設(shè)和調(diào)查中發(fā)揮了重要的作用，但是儀器設(shè)備均存在著體積和重量較大、操作繁雜、攜帶不便、成本高等問題[23]。

為了數(shù)字化與精準林業(yè)的建設(shè)，該項目以測量學、測樹學、傳感器技術(shù)等基本理論為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種廉價、高效的便攜式手機測樹儀，并提出了一種適用于森林樣地布設(shè)和樣木位置測定的無定向森林樣地布設(shè)和觀測方法。

1 原理與方法

利用便攜式手機測樹儀進行森林樣地樹木測量時，無需提前標定樣地邊界，只需利用儀器在選定樣地兩側(cè)確定2個定向點的位置，通過在森林樣地內(nèi)建立無定向觀測，配合便攜式手機測樹儀測定磁方位角、測距儀和Java語言編寫的坐標計算平差軟件，從而實現(xiàn)森林樣地標定以及樣地每棵樹木相對位置的測量。

1.1 硬件構(gòu)成

便攜式手機測樹儀主要包括多傳感器智能手機、高精度激光測距儀和坐標測量解算軟件。多傳感器智能手機是定制版Android手機，將CPU，RAM、ROM、GPU、觸控顯示屏、重力傳感器、高精度陀螺儀、高精度GPS芯片、藍牙芯片和電源等高度集成。將2個部件高密度、高可靠地集成于云臺，可分別拆卸、充電、更換，方便操作。為了保證儀器測定磁方位角的精度，需把儀器固定在便攜式三腳架上，可以有效降低在復雜林分中產(chǎn)生的誤差。該項研究的智能測樹超站儀裝置，智能手機與激光測距儀之間絕對平行并采用鋼性連接，將智能手機排列于激光測距儀的上方，這種設(shè)計可以在測量時有效降低儀器定位方向和測距產(chǎn)生的誤差。儀器外觀圖和測量界面見圖1、圖2。

圖1 便攜式手機測樹儀 圖2 坡向測量界面

1.2 軟件設(shè)計

軟件采用嵌入式系統(tǒng)，在Android 2.2開發(fā)環(huán)境下利用Java語言編程實現(xiàn)，共設(shè)計3個模塊，分別為樣地標定模塊、樹木坐標測量模塊和坡度坡向測量模塊。圖3中圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別為軟件主要測量模塊流程圖，使用者根據(jù)實際的調(diào)查工作需求，選擇使用不同的功能模塊。測量結(jié)束后，存儲的數(shù)據(jù)可以通過wifi或者USB進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 程序流程圖

便攜式手機測樹儀具有標定樣地、坡度坡向測量、樹木坐標測量3項功能，其中樹木坐標測量功能集成了磁方位角測量、傾角測量、夾角測量和導線測量功能。紅外激光測距儀激光等級為Ⅱ級，激光波長為620～690 nm，最大功率為1 mW，最大測距為99 m，滿足在林內(nèi)測距需求的同時盡量降低對于電量的消耗；傾角測量范圍為-70°～70°,能夠滿足用戶測量需求；方位角測量范圍為0～360°，測量精度為0.3°。操作系統(tǒng)為Android 9.0.0，CPU為海思 Kirin 970八核處理器，6G運行內(nèi)存。GNSS芯片支持GPS導航，A-GPS技術(shù)，GLONASS導航，北斗導航定位，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，定位精度為2 m。電池容量為3 750 mA·h，可連續(xù)工作10 h。WiFi 無線傳輸支持802.11 b/g/n。便攜式手機測樹儀的尺寸為140 mm×82 mm×36 mm。

1.3 森林樣地布設(shè)

我國森林資源清查固定樣地形狀多為方形樣地和正方形樣地[24]，面積為600～800 m2。半對角線法標定樣地標準如圖4所示，具體有3種標準，分別為：(1)面積S=600 m2，樣地邊長b為24.5 m，半對角線d=17.32 m，；(2)面積S=667 m2，樣地邊長b為25.82 m，半對角線d=18.26 m；(3)面積S=800 m2，樣地邊長b為28.28 m，半對角線d=20 m。布設(shè)樣地誤差允許范圍為：(1)600 m2樣地周長不超過98.5 m(初設(shè))/99.0 m(復測)；(2)667 m2樣地周長不超過103.81 m(初設(shè))/104.24 m(復測)；(3)800 m2樣地周長不超過113.69 m(初設(shè))/114.27 m(復測)。

利用儀器進行森林樣地布設(shè)時，需將儀器安置在的林分中心附近。同樣采用半對角線法進行樣地布設(shè)，原理如圖4所示。首先利用儀器找到北方向，同時利用紅外測距儀測量出對應頂點長度，當該頂點同時滿足北方向為0°和對角線長度為d時，標記該頂點為第1點。其次，順時針旋轉(zhuǎn)儀器90°，和第1步驟的方法一樣，找出第2個頂點位置。以此類推，分別順時針旋轉(zhuǎn)180°和270°，標記出第3個和第4個頂點，至此完成樣地布設(shè)工作。

圖4 樣地布設(shè)原理

1.4 樹木坐標測量

無定向森林樣地觀測法(簡稱無定向觀測法)，無定向觀測法是沒有方向檢核的導線，即為從一條已知邊出發(fā)而閉合到一個已知點上，但有時在導線的一端只有一個已知點，沒有定向點，另一端也可能是一個點。這種導線就不能用常規(guī)的計算方法來推算坐標，因為在森林樣地內(nèi)往往兩點之間不能達到通視的條件，所以起算時沒有定向點，因此稱為無定向觀測法。如圖5所示，A，B為已知點，P1，P2，P3……Pn為待定點，β1，β2，β3……βn為觀測角，S1，S2，S3……Sn+1為觀測邊長。

圖5 無定向觀測法示意圖

在實際應用中，由于儀器誤差、人為誤差和環(huán)境因素等，坐標的差值不是不能避免的[25]。為了滿足無定線觀測精度的要求，該項研究采用附有參數(shù)的條件平差模型，點A和點B均為已知點，根據(jù)導線閉合坐標的計算，從A點推算到B點的理論坐標值應該是相等的。

1.5 坡向坡度測量

坡向測量時，需利用智能手機內(nèi)置陀螺儀測定方位角，使用實驗儀器測量坡向時，系統(tǒng)會直接計算出磁方位角，當儀器指向與坡向一致時，此時電子羅盤所顯示的度數(shù)即為樣地所在坡地的坡向。

坡度測量時，利用智能手機傾角傳感器獲得儀器傾斜角度。首先是將儀器安置在便攜式三腳架上并測量儀器的高度h，然后在儀器的正下坡位方向找到一棵樹，并在樹上標記出和儀器同樣的高度h，此時操作儀器，使儀器發(fā)射紅外激光對準樹干h處的標記，如圖6所示，在理想狀態(tài)下激光束與斜坡所在平面是平行狀態(tài)，此時儀器顯示的傾角度數(shù)即為所在坡地的坡度。

圖6 坡度測量示意圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 樣地布設(shè)及坡度坡向測量

為了驗證無定向樣地觀測裝置的各項功能、測量精度和效率，分別選擇西山林場2塊不同立地條件下的樣地內(nèi)展開實驗。第1塊樣地為平地，記錄坡向為無、坡度為0°；第2塊樣地為坡地，記錄坡度為23°、坡向為96°，其中包含油松、刺槐、側(cè)柏、柞樹等6種樹木。為了驗證儀器的精度選用了南方測繪-NTS350型全站儀進行了對比實驗。

2.2 樹木坐標測量

在坡地和平地2塊樣地內(nèi)應用無定向觀測法對樣地內(nèi)的林木位置進行了測量，分別記錄該項設(shè)計裝置和全站儀觀測作業(yè)完成時的時間。為了保證試驗的客觀性，全站儀的觀測方法也采用無定向樣地觀測方法。平地內(nèi)儀器設(shè)站點分別為P1、P2、P3、P4共4站；由于坡地內(nèi)地形較為復雜，在坡地內(nèi)共設(shè)5站。樣地中立木分布如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7 無坡度樣地樣木位置示意圖

為了驗證精度，以全站儀測量的樣木位置為標準值。在測量坐標時采用國家2000坐標系統(tǒng)，圖7(a)無坡度樣地中A點的平面坐標為(X=4 426 536.258 m，Y=43 132.491 m)；B點坐標為(X=4 426 537.749 m，Y=43 178.769 m)。圖7(b)有坡度樣地中A點的平面坐標為(X=4 426 898.387 m，Y=431 330.229 m)；B點坐標為(X=4 426 880.088 m，Y=431 397.692 m)。2種儀器的對比結(jié)果如表1所示，為了使對比結(jié)果更直觀，在表格中只保留了2種儀器得到坐標的差值。從表1中可以看出，樣地坐標最大偏差為14.5 cm，最小偏差為6.4 cm。

表1 樣地內(nèi)林木坐標差值

2.3 實驗結(jié)果分析

無定向森林樣地觀測方法，即利用便攜式手機測樹儀對森林樣地布設(shè)和樣地內(nèi)林木位置進行測量，充分利用了現(xiàn)代化、智能化的測量儀器特點，能夠快捷、準確地實現(xiàn)森林樣地的布設(shè)，測量結(jié)束后，通過配套軟件可以生成樣木位置關(guān)系圖。和傳統(tǒng)森林羅盤儀相比，該方法不僅在精度具有優(yōu)勢，而且在工作所需時間上也僅為傳統(tǒng)作業(yè)方法時間的1/3。和全站儀相比較，雖然在精度上存在一定差異，但該儀器具有價格低廉的優(yōu)勢，并且儀器輕便容易攜帶，重量僅為全站儀的1/10。該項研究中還存在很多的不足和待改進的地方，比如在逆光和強光照(中午)情況下，由于紅外激光發(fā)散，測距效果不好；另外在灌木茂密和樹木側(cè)枝繁亂的樣地中，如側(cè)柏林，由于視線阻擋使測量精度和效率受到一定影響。

3 結(jié)論

該方法可較好地應用到森林樣地布設(shè)和樣木位置測量工作當中，其樣木坐標均方根誤差在9.1 cm以內(nèi)，能夠滿足森林資源連續(xù)清查的精度要求，且在工作的便捷性和效率上具有明顯的優(yōu)勢。在后續(xù)的研究中將在儀器中集成林分測量模塊，實現(xiàn)樣地布設(shè)和林分測量一體化。