手持式高精度立木胸徑測量設備設計與試驗

劉海洋 馮仲科 呼 諾 劉金成 于新文

(1.北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所， 北京 100091)

0 引言

在森林資源清查過程中，立木胸徑的測量是一個重要環(huán)節(jié)。立木胸徑是評價林業(yè)立地質量、森林生長情況以及森林經營管理的重要數(shù)據標準[1-2]，是我國森林資源連續(xù)清查中非常重要的調查因子。現(xiàn)階段，我國森林資源連續(xù)清查測量作業(yè)主要采用人工接觸式的測徑圍尺測量方法，是通過測徑圍尺進行手工測量。測量過程中一般需要兩個人配合作業(yè)，一人測量一人記錄，測量效率較低，測量精度難以得到保障。因此，設計一種操作簡單、測量精準、作業(yè)效率高的立木胸徑測量設備，解決林業(yè)調查人員的實際工作需求，具有較高的實用價值[3-7]。

隨著科技的不斷發(fā)展，國內外專家學者不斷提出了新的測量方法，并先后開發(fā)了新一代胸徑測量設備，其中主要測量方法體現(xiàn)在遙感反演[8-11]、三維激光掃描[12-14]、攝影測量等領域。國外立木胸徑測量設備價格昂貴，且操作性差，不適用于大面積的林業(yè)資源調查工作[15-16]。國內的專家學者們?yōu)榱诉m應我國林業(yè)信息化和智能化的發(fā)展需求，也對立木測量設備與方式進行了大量的研究[17-21]，但目前國內研制的儀器還存在系統(tǒng)落后、便攜性差、精度較差、操作復雜等問題。

本文以滿足國家森林資源連續(xù)清查實際需求為出發(fā)點，考慮立木胸徑測量過程中設備所需的便攜性、高精度、高效率等作業(yè)特點，將手持式高精度立木胸徑測量設備與安卓手機數(shù)據接收客戶端軟件結合，設計基于電子信息技術和機械原理的胸徑傳感器，以期實現(xiàn)立木胸徑的高精度測量。

1 原理與方法

1.1 硬件設計

手持式高精度立木胸徑測量設備主要包括Arduino芯片、胸徑傳感器模塊、數(shù)據存儲ROM(Read only memory)/RAM(Random access memory)、WiFi通訊模塊、LCD顯示屏、時間模塊、控制按鍵和電源等部分組成。外殼采用人體工程學設計的金屬外殼，雙USB(Universal serial bus)接口提供數(shù)據傳輸、設備設置和外部充電等。其中Arduino芯片采用Arduino Yun Min，是利用ATmege 32u4 MCU和QCA MIPS 24K SoC CPU(工作頻率高達400 MHz)開發(fā)的面包板，胸徑傳感器模塊由本文設計，存儲設備RAM為64 MB DDR2，存儲ROM容量為4 GB，通訊模塊采用內置WiFi(IEEE 802.11b/g/n運行時最高150 Mb/s 1x1 2.4 GHz)，LCD顯示屏采用四位共陰紅色高亮數(shù)字顯示管，時間模塊采用DS1037高精度時鐘芯片，采用電壓5 V、電容量10 000 mA·h鋰電池供電。圖1a為硬件設計圖，圖1b為試驗樣機。

1.2 軟件設計

1.2.1胸徑測量設備軟件設計

在Arduino IDE 1.7.8開發(fā)環(huán)境下設計胸徑測量設備軟件，利用C++編程語言的Arduino語法編寫嵌入式代碼，采用模塊化程序結構設計，主要包括胸徑測量主程序模塊、按鍵控制程序模塊、時間控制程序模塊、校準與歸零點設置程序模塊等，最終集成為完整的嵌入式胸徑測量設備軟件，嵌入式程序流程圖如圖2所示。

圖2 嵌入式程序流程圖Fig.2 Flow chart of embedded program

為提高胸徑測量設備的作業(yè)效率和實用性，開機后主程序會自動跳轉到胸徑測量功能，開機到可測徑過程僅需1 s，其余操作需通過按鍵完成操作，在測量過程中所有按鍵操作均會被記時，在10 s內如不能完成剩余操作，程序會放棄當前操作直接跳轉至胸徑測量，這種操作設計可將胸徑測量設備調整到隨時可測量狀態(tài)，提高作業(yè)效率。

1.2.2Android手機數(shù)據接收端設計

利用Java語言匯編實現(xiàn)手機數(shù)據接收端APP，在Android Studio 2.1開發(fā)環(huán)境下集成，通過WiFi通訊方式和測量設備連接，主要實現(xiàn)測量數(shù)據實時顯示、數(shù)據存儲、數(shù)據提取調用、數(shù)據編輯、導出Excel等功能。進入主程序功能選擇界面，可對數(shù)據名稱、數(shù)據格式、編碼進行預設置，設置后可在測量過程中自動生成數(shù)據目錄、編碼等，記錄測量時間、GPS狀態(tài)等數(shù)據信息，可對胸徑測量設備已測數(shù)據進行提取、調用、編輯(包括增加、刪除、修改、查詢等)、導出Excel數(shù)據等。

1.3 胸徑測量原理

手持式高精度立木胸徑測量設備的胸徑測量值由胸徑傳感器中鋼絲拉伸長度決定，即胸徑傳感器通過鋼絲拉伸長度不同而輸出不同的電壓信號值，本文設計的胸徑傳感器原理如圖3所示。

圖3 胸徑傳感器原理圖Fig.3 DBH sensor principle diagram1.精密螺紋 2.中心軸 3.精密螺母 4.中心軸a處鋼絲線圈 5.中心軸b處齒輪 6.外部傳動軸 7.有齒滑動桿 8.滑動變阻器 9.鋼絲 10.外殼

胸徑傳感器由外殼、螺母和設置在外殼內部的中心軸、齒輪、鋼絲、外部傳動軸和滑動變阻器組成，在測量樹木胸徑時，鋼絲被向外拉伸，中心軸上的鋼絲伸出，拉抻帶動中心軸轉動，并帶動齒輪轉動，通過中心軸齒輪轉動帶動外部傳動軸，外部傳動軸轉動帶動滑動變阻器的有齒滑動桿滑動，有齒滑動桿滑動帶動滑動變阻器的電阻絲長度發(fā)生變化，電阻絲長度的變化量對應樹木胸徑，利用滑動變阻器分壓式連接方法可將電阻變量轉換為電壓變量，利用Arduino芯片讀取并計算電壓變化值，從而得出胸徑實際測量值。

胸徑D與鋼絲長度L關系為

(1)

鋼絲長度L與電阻變化量Ri關系為

L=RiA

(2)

式中A——設備電阻系數(shù)

電阻變化量Ri與測量變化關系為

(3)

式中V1——測量時電壓

V0——未測量時初始電壓

V——電源電壓

R——滑動變阻器最大電阻

由式(1)～(3)可以推導出胸徑D與測量時電壓V1間的關系為

(4)

由于式(4)中V0、V、R、A都為常量，可化簡為

D=K(V1-V0)

(5)

式中K——試驗系數(shù)，可經過多次試驗求得

由式(5)可看出，測量時電壓V1與胸徑D呈線性相關。

為了保證高精度胸徑測量，中心軸內部鋼絲采用單圈纏繞方式，并在中心軸與外殼間設計了精密螺紋和螺母，鋼絲單圈纏繞寬度與螺紋的單圈寬度相同并反向安裝，當鋼絲被拉伸時，鋼絲圈數(shù)減少，出線位置向上移，將螺紋反向安裝，中心軸產生旋轉時產生向下位移與線圈位移相互抵消，最終確保鋼絲出線口與鋼絲始終保持平行，可以確保鋼絲拉伸長度與中心軸旋轉角度成線性正相關關系，從而提高測量精度。在傳動軸外部還設有彈簧裝置，拉伸鋼絲后可自動彈回。

1.4 胸徑測量技術流程

(1)在立木測量時將高精度胸徑測量設備圍于被測樹木距地面高度1.3 m胸徑處，拉出鋼絲環(huán)繞胸徑一周，鋼絲頂部金屬帽與出線口重新對齊。

(2)測量結束時，可按確認鍵，胸徑測量設備會讀取當前胸徑，并暫時顯示到液晶屏中，如需重新測量按設備返回鍵即可。數(shù)據需要保存時，再按一次確認鍵即可自動編碼保存在數(shù)據庫中。

(3)打開手機數(shù)據接收端APP，可實時接收測量數(shù)據，預設測量樣地名稱、編號、樹種名稱等信息，手機APP可根據預設信息自動編碼，也可測量后提取存儲的數(shù)據，根據樣地名稱、測量編號、樹種名稱、測量時間等信息進行調用，在APP中管理、編輯、調用和導出Excel數(shù)據并保存。如圖4a所示為胸徑測量作業(yè)圖，圖4b為數(shù)據接收APP結果顯示。

圖4 胸徑測量作業(yè)和數(shù)據結果Fig.4 DBH measurement and data results

測量作業(yè)操作需要注意：手持式高精度立木胸徑測量設備使用前需進行校正，校正歸零點即鋼絲未測量拉出時狀態(tài)，校準固定測量值時狀態(tài)(本文采用直徑為20 cm的圓柱體進行校準)，確保測量精度。測量胸徑時拉出金屬絲呈環(huán)形圍繞胸徑后，鋼絲頂部金屬帽與出線口對齊，并將出線口緊貼樹干(金屬帽為中空直徑7 mm管，頂部中心于鋼絲連接，尾部根據拉伸姿勢調節(jié)與樹木間隙小于3.5 mm)，防止拉伸冗余產生測量誤差。

2 試驗

2.1 材料與方法

試驗材料為手持式高精度立木胸徑測量設備1臺，測徑圍尺2個，電子條碼測徑尺1個(精準林業(yè)北京市重點實驗室制)，安裝配套APP的智能手機2部，攝影測量設備1套。測量結果以測徑圍尺作為標準值，試驗前調整手持式高精度立木胸徑測量設備并校驗，并檢查APP各項功能。

分別對手持式高精度立木胸徑測量設備、測徑圍尺、電子條碼測徑尺與攝影測量設備進行工作效率對比試驗，在試驗過程中需要記錄樣地名稱、樹木編號、胸徑結果等信息，并以Excel數(shù)據結果為最終結果，對比和分析不同方法的測量時間。

測徑圍尺與手持式高精度立木胸徑測量設備進行對比試驗，測量樣地名稱、編號、樹種、胸徑等信息并以測徑圍尺為標準，評估試驗設備的測量精度。

2.2 結果與分析

2.2.1胸徑測量對比試驗結果

在西山試驗林場、松山國家自然保護區(qū)、香山公園、北京植物園等地，選取不同徑階的黑松、油松、雪松、側柏等針葉樹，蒙古櫟、白蠟、欒樹、楓樹等闊葉樹進行立木胸徑測量試驗。選擇測徑圍尺與手持式高精度立木胸徑測量設備進行測量精度對比試驗，測量高度均在樹木距地面高度1.3 m處，取單次測量值無重復測量，驗證手持式高精度立木胸徑測量設備的精度同時檢驗適用范圍及其測量穩(wěn)定性，測量結果如圖5所示。

圖5 對比試驗測量結果Fig.5 Contrast test results

立木胸徑精度測試試驗分別測量了294棵樹，胸徑均勻分布在5～40 cm之間，從測量數(shù)據分析得出其測量相對誤差為0.264 6～1.351 4 cm，平均絕對誤差為0.004 1 cm，平均相對誤差為0.03%，測量的平均精度為99.97%。

2.2.2不同樹種精度分析

將測量數(shù)據按樹種進行劃分統(tǒng)計，計算結果如表1所示。

表1 不同樹種數(shù)據對比Tab.1 Comparison of different tree species data

由表1可以看出，本測量設備在不同樹種間測量平均絕對誤差在0.001 8～0.003 8 cm之間，各種不同樹種間測量精度范圍為99.97%～99.98%,不同樹種間的測量對胸徑測量設備精度影響較小，平均測量精度高達99.97%，本設備可適用于多樹種立木胸徑測量。

2.2.3不同徑階精度分析

為驗證胸徑測量的適用性和準確性，對所測的294組數(shù)據進行徑階劃分。按照森林資源規(guī)劃設計調查主要技術規(guī)定進行徑階劃分，采用上限排外法，以5.0～12.9 cm為小徑階(A)，13.0～24.9 cm為中徑階(B)，25.0～36.9 cm為大徑階(C)，37.0 cm以上為特大徑階(D)，將所測數(shù)據劃分為A、B、C、D共計4個徑階級，數(shù)據分析結果如表2所示。

表2 不同徑階級數(shù)據對比Tab.2 Comparison of different diameter class data

從表2可以看出，本胸徑測量設備的胸徑測量精度較高也較穩(wěn)定，但是隨著測量胸徑逐漸增大，胸徑測量絕對誤差開始增加，主要原因是手持式高精度立木胸徑測量設備采用機械原理研制，并通過精密螺紋與鋼絲位置位移互補矯正精度，測量量程增長，螺紋旋轉周數(shù)增加矯正誤差會隨之增大，因此在較粗胸徑測量時測量絕對誤差也會增大。雖然絕對誤差有所增大，但測量精度依然不小于99.97%，高于國家森林資源連續(xù)清查技術規(guī)定測徑20 cm以上、測量誤差小于1.5%的要求，符合國家森林資源連續(xù)清查的測量標準。

2.2.4野外作業(yè)效率分析

選取西山試驗林場中的一片小樣地進行多種測量方式的對比試驗。試驗對樣地內的62棵樹分別以測徑圍尺、普通攝影測量、電子條碼測徑尺和手持式高精度立木胸徑測量設備4種測量儀器對比測量，分別記錄測量所需外業(yè)、內業(yè)所需要的時間，測量結果如表3所示。

表3 作業(yè)效率對比Tab.3 Comparison of work efficiency

由表3可以看出，在野外小樣地實地測量試驗中傳統(tǒng)測量方式測徑圍尺和普通攝影測量方式，在外業(yè)測量后還需長時間內業(yè)處理才能完成全部工作，耗時分別為22.5 min和23.5 min，相對較長，電子條碼測徑尺無需內業(yè)操作，工作效率得到明顯提升，工作總耗時11.5 min，但操作方式需固定好條碼、手機掃描才能讀取數(shù)據，測量操作較為復雜。手持式測徑設備解決了單人即可完成測量工作的需求，同時無需內業(yè)操作，測量操作更簡單，使用更方便，工作效率高于其他3種測量方法，測量效率是測徑圍尺的2倍以上。

3 結論

(1)在傳統(tǒng)的圍尺測徑原理基礎上，利用機械原理、電子信息技術、計算機技術、無線通訊技術等，設計了一種手持式高精度立木胸徑測量設備。該設備可將測量的立木胸徑長度信息轉換成電壓信號，在電壓信號的變化量中提取精確的長度數(shù)字信息，經過內置CPU解算得到立木胸徑，并將測量值顯示在LCD顯示屏中。可根據需求記錄和存儲測量數(shù)據，與手機數(shù)據接收端APP協(xié)同使用，實現(xiàn)對測量數(shù)據無線實時接收和讀取，及測量數(shù)據的調用、編輯、導出Excel等功能。

(2)設計的立木胸徑測量設備在不同樹種間測量精度不小于99.97%，滿足國家森林資源連續(xù)清查工作的精度要求。在測量作業(yè)實踐工作方面，單人測量作業(yè)即可完成，數(shù)據自動編碼和記錄，無需內業(yè)人員后處理等，與其他傳統(tǒng)方式相比，實際測量數(shù)據更準確，測量速度更快，在一定程度上節(jié)約了時間成本和人力成本。