便携式森林资源调查仪研制与试验

程文生，冯仲科*，黄晓东

森林资源调查是以林地、林木、生长在林区范围内的动植物及其环境条件为对象的林业调查。树木的直接测定因子和派生因子统称为基本测树因子，直接测定因子主要包括立木胸径和树高，派生因子有立木材积、树干横截面积等［1］。树木的直接测定因子和由其派生的其他因子的测定是森林资源外业调查的重要组成部分，在现代的森林资源调查工作中，测定胸径、树高、材积、林分平均胸径、林分平均高、林分密度［2］、林分蓄积量等是森林观测的主要内容。由于林区立地条件复杂，工作人员作业难度较大，林业调查工作面临着诸多问题，因此研发一种便携式、智能化的调查装备具有提高外业调查人员的工作效率、减轻劳动强度等现实意义［3］。

随着科技的快速发展和信息化时代的来临，国内外各种森林资源调查工具不断涌现。例如国外生产的用于胸径测量的卡尺、Biltmore测仗、测径尺，巴尔和斯特劳德光学测树仪等，用于树高测量的布鲁莱斯测高器、阿布尼水准仪、克里斯屯测高器等［4-5］，用于多因子测量点的巴尔斯-特劳测树仪、比特里希林分速测镜等［6］。这些进口仪器普遍功能单一、价格昂贵，为了满足森林资源调查仪器的大量需求，我国也越来越重视这方面的研究，研制了许多森林计测装备。冯仲科［7-8］等研发了用于角规测量的3D电子角规，用于测树高、测胸径的测树全站仪［9-11］、测树型超站仪［12-13］，用于无损立木材积测量的电子经仪［14-18］等系列装备，并对其测量精度进行了研究［19-20］。徐伟恒［21］等研制了手持式数字化多功能电子测树枪，实现了任意处树干直径的测量和树高测量以及部分林分结构参数的获取。黄晓东［22］等研制了一种可自动获取胸径树高的便携式测树超站仪。邱梓轩［23］等研制了一种基于Android的森林智能手机测绘记算器，能够实现树高测量、胸径测量、三元材积解算、遮挡条件下树高测量、角规样地测量等功能。目前，国内最新研制的森林资源调查设备虽然解决了功能单一、便携性差等问题，但仍然存在造价成本过高、操作复杂、林区仪器架设难度大等问题。这对森林资源调查新仪器的研制指明了方向，因此研发一种集立木胸径、树高［24-27］、材积等单木因子［28-29］测量和林分参数测定的多功能、现代化、智能化装备成为必然发展趋势。

本研究结合森林资源外业调查的实际需求，以数字图像处理技术、摄影测量技术、测树学为理论基础，利用Cortex-M3中央处理芯片、激光测距模块、倾角传感器、蓝牙模块、LED彩屏、CCD镜头等电子元件进行硬件集成并向其中嵌入自主开发的集单木测胸径、单木测树高、单木测材积、圆形样地观测4个主要功能模块于一体的测树软件系统，从而能设计并实现一种便携式森林资源调查仪。

1 调查仪构成

1.1 仪器硬件设计

便携式森林资源调查仪的硬件组成包括Cortex-M3中央处理芯片、激光测距模块、倾角传感器、蓝牙模块、LED彩屏、CCD镜头、电源、功能按键等元件。通过委托常州市新瑞得仪器有限公司对其进行设计和包装，从而制造出一款轻量级、多功能的森林资源调查装备(图1)。

图1 森林资源调查仪示意Fig.1 Schematic diagram of potable forest resources inventory instrument

1.2 嵌入式软件系统设计

软件系统是使用通用计算机编程语言C语言在Keil uVision4集成开发环境下开发编制的。软件系统采用模块化结构设计即每一项功能独立设计为单一功能模块，主要包括单木测胸径、单木测树高、单木测材积、圆形样地观测4个功能模块，最后统一集成通过J-Link仿真器烧录至调查仪的芯片中。该仪器嵌入式系统操作流程为:开机进入程序初始化界面，用户根据业务需求选择相应的功能模块进行森林观测，单株立木测量的胸径、树高、材积以及圆形样地观测获取的平均胸径、平均树高、株数密度、蓄积量等林分参数测量结果均实时显示在屏幕上，系统自动将结果数据以ASCII码格式保存至flash中，可通过蓝牙连接将保存的数据传输到不同的终端。仪器系统操作流程见图2。

1.3 仪器功能参数

调查仪主要包括单木测胸径、单木测树高、单木测材积、圆形样地观测等4项功能。良好天气条件下测量距离为 0.1～100 m，测量精度为±1.5 mm，最小显示单位为0.1 mm，激光等级Ⅱ级，激光类型635 nm，＜1 mW;倾角测量范围为－90°～90°，测量精度±6 s;CCD镜头有效像素200万，3.6倍光学变焦，35 mm等效焦距。操作系统为嵌入式ARM系统，CPU为Cortex-M32处理器。调查仪工作环境温度为－20～50℃，在该条件下其电池连续工作时间长达6 h。

2 功能操作及原理

2.1 单木测胸径

调查仪用于单木胸径测量时，首先将激光点对准待测立木胸径处(树高为1.3 m处)，也可直接通过屏幕中的十字线对准立木胸径处，因为激光点位于十字线中心;然后按测量键进行测量，测量的同时，激光测距模块获取仪器前端到胸径处的斜距L，内置定焦焦距为f的CCD镜头获取胸径处影像;最后通过加号键和减号键调整影像识别边界，使两侧边界正好位于立木胸径处的两侧，通过摄影测量单片解析原理数学公式过胸径纠正［22］处理得到最接近于真实胸径值的测量结果。式中，D为测绘记算器测量任意处树干直径;N为测绘记算器屏幕内所测图像值;f为测绘记算器的CCD镜头定焦焦距。单木测胸径仪器操作及结果显示见图3，摄影测量单片解析原理示意图见图4。

2.2 单木测树高

调查仪用于单木树高测量时，第一步，将激光点或者显示屏中间的十字丝对准待测立木树干处并保持激光线水平，按测量键获取调查仪到该处的水平距离L;第二步，将激光点或者显示屏中间的十字丝对准待测立木根部，按测量键获取测树仪此时的下倾角α1;第三步，将激光点或者显示屏中间的十字丝对准待测立木树梢，按测量键获取测树仪此时的上倾角α2。此时，内置程序通过树高计算数学模型:H=L(tanα2－tanα1)解算出树高并显示在屏幕上。调查仪测量树高操作步骤及测量结果见图5，树高计算原理示意图见图6。

图3 单木测胸径仪器界面Fig.3 Instrument interface of DBH measurement

图4 摄影测量单片解析原理示意Fig.4 Schematic diagram of photographic measurement of single-chip analysis principle

图5 单木测树高仪器界面Fig.5 Instrument interface of tree height measurement

2.3 单木测材积

调查仪用于单木材积测算时分为测量胸径和测量树高2个部分，胸径测量和树高测量具体步骤如上文单木测胸径、单木测树高所述。测量所得的胸径、树高值通过全国通用单木立木材积解算公式:V=5.917 3D1.91870H0.92944×10－5计算出材积［29］并显示在屏幕上。式中，V表示单株立木材积;D为所测得的胸径值;H为所测得的树高值。材积测量结果显示界面见图7。

图6 树高计算原理示意Fig.6 Schematic diagram of tree height measuring principle

图7 材积测量结果显示界面Fig.7 Interface of volume measuring result

2.4 圆形样地观测

用调查仪进行圆形样地观测的具体步骤:1)在林区选定一点作为样地中心点，以中心点为圆心设置圆心样地面积，分别为 100、200、300 m2。2)利用调查仪进行绕测，首先判断所测树木是否在样地内，对在样地内的每一棵树木进行胸径、树高测量，直到采集完样地内所有样木的信息。3)调查仪根据采集到的样木信息自动解算出该圆形样地的林分平均胸径、平均树高、株数密度、蓄积量。圆形样地观测原理示意图见图8。

调查仪中圆形样地观测功能获取林分参数解算原理，可以用下列公式表示:

林分平均胸径计算:

式中，n为样地内观测木数量;Di为第i棵观测样木的胸径(cm)。

林分平均树高计算:

式中，n为样地内观测木数量;Hi为第i棵观测样木的树高(m)。

株数密度(株·hm－2)计算:

式中，n为样地内观测木数量;S为样地大小设置的面积(m2)。

林分蓄积量(m3·hm－2)计算:

式中，n为样地内观测木数量;Gi为第i棵观测样木的胸高断面积;fε为推导形数［30］;S为样地大小设置的面积(m2)。

图8 圆形样地观测原理示意Fig.8 Schematic diagram of round sample measurement principle

3 试验验证

3.1 单木因子测量试验

为验证调查仪胸径、树高、材积3种单木因子的测量功能及测量精度，在北京松山国家级自然保护区展开试验，树种包括大叶白蜡、油松、山槐、榆树。在林区选取不同立地条件的多个样地对便携式森林资源调查仪的单木因子测量功能进行测量试验，在不同方向选择观测点对待测木进行2次以上观测，最后取平均值作为测量值。采用林业调查工作中常用的胸径尺和调查仪进行胸径测量对比试验;利用广州南方测绘科技股份有限公司和北京林业大学测绘与3S技术中心共同研发的2秒测树全站仪和调查仪进行树高测量和材积测量试验。根据相对误差为调查测量数据的平均值(m);珚HE为胸径尺或测树全站仪测量数据的平均值(m);珔EH为相对误差(%)计算各对比试验测量结果的相对误差，调查仪单木因子测量功能对比试验及误差分析结果见表1。

通过试验结果表明，在298组测量数据随机选取的20组测量数据中，胸径测量相对误差在0.94%～5.12%;树高测量相对误差在 1.05% ～4.92%;材积测量相对误差在 0.45% ～10.12%，符合国家森林资源一类连续清查工作的精度要求。

3.2 圆形样地观测试验

为验证调查仪的圆形样地观测功能及测量精度，在北京松山国家级自然保护区选取了20个圆形观测样地，根据要求从中筛选出10块样地做研究使用，样地间距保证在0.5 km以上，样地主要树种为大叶白蜡和油松，分布均匀，生长状况良好。在样地内，观测人员分别用每木检尺的方法和调查仪圆形样地观测功能进行对比试验，圆形样地观测试验及误差分析结果见表2，可以看出，调查仪圆形样地观测功能中的林分平均胸径测量精度高达97.92%，林分平均高测量精度高达97.97%，株数密度测量精度高达96.54%，蓄积量测量精度高达95.79%，符合森林资源二类调查的精度要求。

4 结论与讨论

本研究研制了一种便携式森林资源调查仪，实现了内外业一体化，减轻了工作人员的负担。该仪器由Cortex-M3中央处理芯片、激光测距模块、倾角传感器、蓝牙模块、LED彩屏、CCD镜头等电子元件高密度集成于一体，基于数字图像处理技术、摄影测量技术、测树学理论，由内嵌单木测胸径模块、单木测树高模块、单木测材积模块、圆形样地观测模块等4大模块化程序，实现胸径自动测量、树高自动测量、立木材积解算、圆形样地观测等4大功能。详细阐述了便携式森林资源调查仪的单木测胸径、单木测树高、单木测材积和圆形样地观测等功能的操作步骤和计算原理，并在北京松山国家级自然保护区进行野外对比试验。试验得到单木因子测量功能的胸径测量精度高达 97.85%，树高测量精度高达97.46%，材积测量精度高达 95.64%;圆形样地观测功能林分参数获取，林分平均胸径测量精度高达97.92%，林分平均高测量精度高达97.97%，株数密度测量精度高达96.54%，蓄积量测量精度高达95.79%，符合我国森林资源调查的精度要求，可在森林 资源调查工作中推广使用。

表1 单木因子测量试验及误差分析结果Table 1 Test and relative error results of tree single factor measurement

表2 圆形样地观测试验及误差分析结果Table 2 Test and relative error results of round sample measurement