一種林業(yè)手持式多功能測樹儀設(shè)計(jì)*

邢 浩， 李 昀， 潘遠(yuǎn)明， 陳名騰

(1.北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,北京 100083;

2.中科方德軟件有限公司 基礎(chǔ)軟件國家工程研究中心, 北京 100190)

0 引 言

角規(guī)測樹是森林調(diào)查常用的一種地面調(diào)查方法，利用角規(guī)可以快速測得林分單位面積胸高斷面積，進(jìn)而結(jié)合林分高度就可以快速獲得林分單位面積蓄積量[1]。盡管近年來遙感、攝影測量等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大面積森林調(diào)查，但因其技術(shù)特點(diǎn)并不適用于林分級別的小面積數(shù)據(jù)獲取[2]，在這方面，地面調(diào)查和測量是不可替代的。

用于地面森林調(diào)查的便攜式測量設(shè)備主要有測高器、測徑儀、測距儀、角規(guī)等。根據(jù)文獻(xiàn)研究，可將其發(fā)展過程劃分為機(jī)械式測量設(shè)備、電子測量設(shè)備和智能測量設(shè)備 3個(gè)階段。機(jī)械式測量設(shè)備以1928年麻生測高器的發(fā)明為標(biāo)志，在此后的半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)，出現(xiàn)了包括克里斯屯(Christen)測高器[3]、畢特利希桿式角規(guī)、光學(xué)測樹儀[4，5]等典型設(shè)備及其各類改型[6]。20世紀(jì)80年代開始，隨著遙測技術(shù)的發(fā)展以及傳感器、單片機(jī)等電子技術(shù)的成熟，對電子測量設(shè)備的研究占據(jù)主導(dǎo)，包括利用激光、超聲波對直徑[7]、高度[8]、距離[9]等參數(shù)進(jìn)行測量的研究，應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的嘗試[10]和對電子角規(guī)[11]的研究，并出現(xiàn)了瑞典Vertex系列測高測距儀[9]和德國Leica、日本Nikon等公司生產(chǎn)的優(yōu)秀產(chǎn)品。21世紀(jì)以來，隨著信息化技術(shù)的加速發(fā)展，PDA、智能手機(jī)等智能便攜設(shè)備的出現(xiàn)，地面便攜式測量設(shè)備也呈現(xiàn)出與林業(yè)信息化相匹配的特點(diǎn),如實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集[12]和實(shí)時(shí)傳輸[13]；探索測算設(shè)備與PDA等智能便攜設(shè)備的協(xié)同工作模式[14]等。

目前，便攜式測量設(shè)備呈現(xiàn)出電子化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢，這不但有利于提高測量效率[12]，更重要的是測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化杜絕了人工輸入錯(cuò)誤[16]，符合林業(yè)信息化發(fā)展需求。本文設(shè)計(jì)了集角規(guī)、測高器于一體的便攜電子測樹儀GForest，以適應(yīng)林業(yè)信息化發(fā)展的需要。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 計(jì)測思路

角規(guī)抽樣基于同心圓原理、三角函數(shù)原理和擴(kuò)大園原理[1]，在進(jìn)行角規(guī)抽樣調(diào)查時(shí)，根據(jù)林分平均直徑等特征選擇不同的斷面積系數(shù)Fg，通常為0.5，1，2，4。選定斷面積系數(shù)后，根據(jù)林分面積確定抽樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)N，每個(gè)抽樣點(diǎn)使用角規(guī)產(chǎn)生的固定視角進(jìn)平繞測一周，樹干胸徑與視角兩條邊相割計(jì)數(shù)為1，相切計(jì)數(shù)為0.5，相離計(jì)數(shù)為0，相加得到該抽樣點(diǎn)的計(jì)數(shù)值Zi(i=1,2,3,…，N)。角規(guī)抽樣結(jié)束后，結(jié)合立木高度測量得到的標(biāo)準(zhǔn)木高度H，可以計(jì)算林分蓄積量M,如公式(1)所示

(1)

針對森林調(diào)查中常用角規(guī)調(diào)查來測算林分蓄積量這一實(shí)際，本文考慮集成數(shù)字化測高和角規(guī)計(jì)測，設(shè)計(jì)一種便攜式產(chǎn)品提供角規(guī)繞測計(jì)數(shù)、林分蓄積量計(jì)算、計(jì)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過硬軟件的協(xié)同來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中，測高器部分依據(jù)主流測高器所采用的三角幾何測高原理，采用相應(yīng)的傳感器采集數(shù)據(jù)，軟件上進(jìn)行處理計(jì)算得到立木高度值并自動(dòng)存儲(chǔ)；角規(guī)硬件可以采用現(xiàn)在外掛常用的桿式角規(guī)的簡易產(chǎn)品——角規(guī)片，計(jì)數(shù)值和抽樣點(diǎn)個(gè)數(shù)通過軟件計(jì)算和控制；蓄積量計(jì)算可由軟件依據(jù)角規(guī)計(jì)數(shù)結(jié)果和樹高測定結(jié)果完成。GForest內(nèi)置3種測高方法，包括固定距離測高、輔助標(biāo)尺固定點(diǎn)測高、輔助標(biāo)尺不定點(diǎn)測高[8]，實(shí)際使用過程中用戶可以根據(jù)地形等實(shí)際情況選擇合適的方法測量立木高度，其中，固定距離測高法需提前量出測量者立足點(diǎn)與被測立木的距離，輔助標(biāo)尺固定點(diǎn)測高法和輔助標(biāo)尺不定點(diǎn)測高法則需要配合輔助標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)。角規(guī)參數(shù)、測高方法等參數(shù)的設(shè)置可以通過軟件實(shí)現(xiàn)并保存設(shè)置方案，在設(shè)備開機(jī)時(shí)自動(dòng)加載。

1.2 硬件選型與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對立木高度的精確測量和對測量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，需要傾角傳感器和嵌入式處理器配合顯示屏、操作按鍵、蜂鳴器、激光發(fā)射器等硬件實(shí)現(xiàn);另外需存儲(chǔ)卡、USB接口等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。為適應(yīng)林業(yè)野外調(diào)查的實(shí)際需要，硬件選型時(shí)，重點(diǎn)在保證測量精度的基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮低功耗、低成本、體積小等因素。經(jīng)過綜合比較，傾角傳感器選用芬蘭VTI公司生產(chǎn)的單軸傳感器SCA830—D07，工作電壓為3.0～3.6 V，測量范圍為±1gn，精度偏移為±30 mgn，具備高分辨率16位A/D轉(zhuǎn)換和SPI接口。MCU選型鎖定在32位STM32F103系列產(chǎn)品上，該系列產(chǎn)品基于ARM Cortex—M3內(nèi)核，具備高達(dá)72 MHz的主頻，32～512 k的Flash和最高達(dá)64k的SRAM，性價(jià)比很高。從性能、接口等方面的實(shí)際需求出發(fā)，本文最終選擇STM32F103RBT6作為微控單元。除核心硬件外，本文采用一塊以ST7565驅(qū)動(dòng)芯片為核心的128×64 LCD顯示屏提供操作過程中所需的交互控制提示和結(jié)果顯示；采用Micro-SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)；采用可充電鋰電池給設(shè)備供電并結(jié)合CN3052A芯片進(jìn)行充電管理；使用Mini-USB接口傳輸數(shù)據(jù)和給鋰電池充電。

設(shè)備硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整個(gè)硬件電路采用3.3 V直流供電。其中，SCA830—D07傾角傳感器將測量過程中的傾角值通過SPI接口傳輸給MCU處理；對Micro-SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，以SPI模式進(jìn)行；因MCU只配置2個(gè)SPI接口，顯示屏同MCU之間采用GPIO模擬的SPI串行通信進(jìn)行控制顯示；GForest與PC之間的串口通信利用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)，結(jié)合JTAG接口進(jìn)行程序下載和設(shè)備調(diào)試。除上述主要模塊硬件和電路以外，整體硬件結(jié)構(gòu)還包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等外圍電路。在實(shí)際應(yīng)用過程中，MCU通過處理SCA830—D07的傾角值計(jì)算得出樹木高度；進(jìn)行角規(guī)檢尺作業(yè)時(shí)，通過按鍵I/O信號進(jìn)行林分胸高斷面計(jì)數(shù)；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)木樹高和胸高斷面計(jì)數(shù)即可計(jì)算得到林分蓄積量。操作過程和測算結(jié)果通過顯示屏進(jìn)行顯示，相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在Micro-SD卡上。

圖1 GForest硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

在森林地面調(diào)查中，測高、角規(guī)抽樣和林分蓄積量計(jì)算存在操作流程上的先后順序和計(jì)測數(shù)據(jù)傳遞。為實(shí)現(xiàn)多功能集成，GForest軟件根據(jù)調(diào)查實(shí)際進(jìn)行抽象，將各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，模塊間能夠進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞，以單任務(wù)調(diào)度模式實(shí)現(xiàn)對各功能模塊的調(diào)用。為減少高度測量過程中因手持設(shè)備抖動(dòng)造成的測量誤差，提高測量精度，采樣控制算法設(shè)計(jì)為在每次測量傾角時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行多次采樣，去除異常傾角數(shù)據(jù)后，在多個(gè)傾角樣本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計(jì)算傾角平均值，并以此來計(jì)算立木高度。

在選定硬件(HW)的基礎(chǔ)上，GForest操作程序可以分為硬件抽象層(HAL)和應(yīng)用程序?qū)?APP)兩層。硬件抽象層主要包括GPIO總線、RTC時(shí)鐘以及顯示屏(LCD)、接口(USB)、電源(PM)、傳感器(SEN)等主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，并提供面向應(yīng)用程序?qū)?APP)的接口。應(yīng)用程序?qū)又饕ㄕ{(diào)度菜單(MENU)、系統(tǒng)設(shè)置(SETTING)、高度測量(ALTIMETER)和角規(guī)抽樣(GAUGE)4個(gè)功能模塊和電源管理等獨(dú)立模塊。

GForest啟動(dòng)后，MENU通過輪循方式監(jiān)聽按鍵中斷調(diào)用其他功能模塊，配合界面顯示實(shí)現(xiàn)用戶在設(shè)備使用過程中的各種操作。SETTING模塊包括樹種選擇和參數(shù)設(shè)定兩部分，在使用過程中，用戶需根據(jù)林分實(shí)際情況選擇對應(yīng)樹種和形數(shù)，用于林分蓄積量的計(jì)算；參數(shù)設(shè)定包括對測高方法、標(biāo)尺長度、角規(guī)常數(shù)、觀測者眼高等功能參數(shù)的選擇設(shè)定和對日期、自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間、音效、語言等系統(tǒng)參數(shù)的選擇設(shè)定。ALTIMETER模塊根據(jù)用戶選定的測高方法和功能參數(shù)，通過傾角傳感器捕獲的傾角值計(jì)算立木高度。GAUGE模塊記錄每個(gè)抽樣點(diǎn)的數(shù)值，抽樣完畢后根據(jù)設(shè)定的樹種形數(shù)和測得的標(biāo)準(zhǔn)木高度計(jì)算林分蓄積量。各模塊在工作過程中的相互調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

圖2 主要模塊調(diào)用關(guān)系

2 樣機(jī)實(shí)測

本文以赤峰市喀喇沁旗旺業(yè)甸林場主伐作業(yè)區(qū)內(nèi)的樟子松為測量對象對GForest樣機(jī)進(jìn)行實(shí)地測試，在伐區(qū)內(nèi)選取49株樟子松進(jìn)行實(shí)測分析。設(shè)備運(yùn)行情況見圖3，測試過程中參數(shù)設(shè)置、高度測量、角規(guī)計(jì)數(shù)、蓄積量計(jì)算、數(shù)據(jù)查看等各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，相應(yīng)操作記錄均存儲(chǔ)在Micro-SD卡上。

圖3 GForest運(yùn)行截圖

立木高度測量方面，采用瑞典Hagl?f生產(chǎn)的VertexIII測高儀(以下簡稱VertexIII)作為對比。立木伐倒前分別采用GForest和VertexIII測量立木高度得到2組測量值，伐倒后測量倒木得到高度真值。經(jīng)測量，49株樟子松實(shí)際立木高度分布在10.5～17.0 m之間，2種設(shè)備測量相對誤差分布如圖4所示。

圖4 GForest和VertexIII測量相對誤差散點(diǎn)分布圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，GForest最大測量誤差為8 %，VertexIII最大測量誤差為10 %。在GForest與VertexIII各自測得的49組數(shù)據(jù)中，GForest有13組測量相對誤差超出5 %，超過73 %的數(shù)據(jù)落在[-5 %,5 %]區(qū)間內(nèi)；VertexIII有16組測量相對誤差超出5 %，67 %的數(shù)據(jù)落在[-5 %,5 %]區(qū)間內(nèi)。以上分布說明同等條件下，GForest獲得高精度數(shù)據(jù)的概率要比VertexIII稍高。此外，兩者的平均測量相對誤差均為4 %，能夠滿足林業(yè)外業(yè)測量需要。

通過對兩者測量誤差進(jìn)行頻率分布和和正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)，得到兩者測量誤差的直方圖和正態(tài)分布圖(圖5)。從直方圖中可以看出：GForest產(chǎn)生的測量誤差多集中在[-7 %,7 %]，且在該區(qū)間內(nèi)基本呈現(xiàn)對稱分布。另一邊，VertexIII手持式測高器的測量誤差則呈比較明顯的偏態(tài)分布，誤差多集中在[0 %,10 %]的區(qū)域，但在高精度區(qū)間[-1 %,1 %]內(nèi)，VertexIII的數(shù)據(jù)量要明顯高于前者。通過正態(tài)分布擬合可以進(jìn)一步說明上述結(jié)論，盡管VertexIII的誤差分布的集中性(標(biāo)準(zhǔn)差3.7 %)較GForest(標(biāo)準(zhǔn)差4.1 %)要略好，但兩者的中位數(shù)(VertexIII為3 %，GForest為-1 %)說明GForest的誤差分布要更加符合隨機(jī)誤差分布規(guī)律?？傮w而言，兩者精度基本持平。

圖5 GForest和VertexIII測量相對誤差頻率分布直方圖和正態(tài)分布圖

3 結(jié) 論

本文根據(jù)嵌入式軟硬件開發(fā)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種林業(yè)手持式多功能測樹儀GForest，具備立木高度測量、角規(guī)抽樣計(jì)數(shù)以及數(shù)據(jù)處理能力，能夠計(jì)算林分蓄積量等林分指標(biāo)，具有數(shù)字化、多功能、成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。GForest結(jié)合配套的數(shù)據(jù)處理軟件，在野外使用過程中能夠脫離紙筆記錄的傳統(tǒng)方式，大幅提高測量效率。

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