CN103616015B

CN103616015B - 测量森林蓄积参数激光全景扫描装置

Info

Publication number: CN103616015B
Application number: CN201310633098.XA
Authority: CN
Inventors: 张茂震; 何卫安
Original assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103616015A

Abstract

一种测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，硬件有激光全景扫描器的外壳(5)、外壳下方的支架(1)，外壳内部安装有电池供电组件(12)、带镜头的激光测树传感器(11)、步进电机(13)和PCB集成电路板(14)，外壳顶部有功能选择按键(9)、信号指示灯(7)和开关(8)，外壳前端有镜头、后端有显示屏(10)，外壳侧面有USB接口和SD卡接口，支架顶部有水平校准器(2)；测树电路包括单片机电路(A)、信号接收电路(B)、功能按键电路(C)、信号灯显示电路(D)、SD卡接口电路(E)、USB接口电路(F)和稳压电路(G)。用本装置测定森林蓄积参数，为非接触测量，效率高，劳动强度低，还能提供垂直方向的遥感信息。

Description

测量森林蓄积参数激光全景扫描装置

【技术领域】

本发明属于一种激光传感器与计算机技术结合的森林断面积、密度和蓄积参数的测量扫描仪器。

【背景技术】

森林蓄积参数的测定，公知公用的角规测量方法虽然劳动强度大、效率不高，但角规原理仍然保持了它的技术优势。角规在过去半个多世纪经历了多次改进，但基本原理仍然未变。

对于区域森林蓄积量、生物量的估计，一般采用地面抽样或遥感的方法进行。遥感方法也需要地面调查数据配合建模。地面调查方法主要有样地调查和角规调查两种。前者需要对每株树进行测量，工作量大、耗时长。后者用角规绕测，工作量大幅度减少，但得到的信息单一，只有单位面积胸高断面积。如何高效获取地面调查信息仍然是森林资源监测中亟待解决的问题。

为此，结合角规原理和新的激光传感器，设计一种配套的测量森林蓄积参数的自动化装置，显得十分必要。所设计的装置力求操作简单、高效、劳动强度低，通过在选定地点自动环绕扫描获取林木的株数、平均胸径、胸高断面积、密度、空间坐标和不同高度的森林植被覆盖率等多种森林特征信息，极大地丰富了森林调查信息内容，大大缩短了信息获取时间；由于其能获得森林立木垂直面的扫描信息，用于配合航天、航空遥感信息进行生态环境与森林状况监测，无疑具有重大的现实意义。对此，经检索和市场调查，尚未发现有相关的资料报道和仪器面市。

【发明内容】

本发明需要解决的技术问题是针对森林资源监测应用需求，利用激光传感器和单片机相结合的技术，设计一套能对森林进行扫描并能输出森林密度、单位面积胸高断面积、平均胸径等森林蓄积参数的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置。

解决上述技术问题采用如下技术方案：

本测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，包括硬件与测树电路两大部分，硬件为激光全景扫描器的外壳、外壳下方的支架，外壳内部安装有电池供电组件、带镜头的激光测树传感器、步进电机和PCB集成电路板，外壳顶部有功能选择按键、信号指示灯和开关，外壳前端有镜头、后端有显示屏，外壳侧面有USB接口和SD卡接口，支架顶部有水平校准器；测树电路部分包括单片机电路、信号接收电路、功能按键电路、信号灯显示电路、SD卡接口电路、USB接口电路和稳压电路。

所述的单片机电路内部各单元的连接关系是：控制芯片STM32F10X，50号引脚、75号引脚、100号引脚、28号引脚和11号引脚均与+3.3伏电源连接，12号引脚和13号引脚分别与8M外部晶振系统Y1的两端连接，14号引脚接复位电路的二极管D1与电容C105之间，72号引脚、76号引脚、77号引脚、89号引脚、90号引脚和14号引脚分别接程序下载接口JP1的8、10、6、5、4和3号脚。

所述的信号接收电路内部各元件的连接关系是：信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX485的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦E303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚。

所述的功能按键电路内部各元件的连接关系是：按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按键S702和按键S703的电路连接与S701相同。

所述的信号灯显示电路内部各元件的连接关系是：S伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地。

所述的SD卡接口电路内部各元件的连接关系是：CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联10k电阻接+3.3v电源。

所述的USB接口电路内部各元件的连接关系是：CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的1、3号引脚分别接USB接口P5的2、3号引脚。

所述的稳压电路内部各元件的连接关系是：稳压芯片MC7805T即U2_1输入引脚Vin接+12V电源，输出引脚Vout得到第一组+5V电压输出，稳压芯片1117-50即U2_2输入引脚Vin接+12V电源，输出引脚Vout得到第二组+5V电压输出，稳压芯片1117-33即U2_3输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得3.3V电压输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。

本发明的有益效果是：采用本装置能实现非接触方式测量森林蓄积参数，提高效率，降低劳动强度，同时提供传统森林调查不能提供的垂直方向遥感信息。

【附图说明】

图1为本装置结构示意图。

图2为本装置部分硬件与电路结构框图。

图3为本装置的单片机电路结构图。

图4为本装置的信号接收电路图。

图5为本装置的功能按键电路图。

图6为本装置的信号灯显示电路图。

图7为本装置的SD接口电路图。

图8为本装置的USB接口电路图。

图9为本装置的稳压电路图。

图10为本装置的系统流程示意图。

图11为树干扫描识别示意图。

图12为角规结构示意图。

图13为角规测树原理示意图。

【具体实施方式】

本发明下面结合实施例并参照附图予以进一步详述：

本装置包括硬件与测树电路两大部分，硬件为激光全景扫描器的外壳5、外壳下方的支架1，外壳内部安装有电池供电组件12、带镜头的激光测树传感器11、步进电机13和PCB集成电路板14，外壳顶部有功能选择按键9、信号指示灯7和开关8，外壳前端有镜头6、后端有显示屏10，外壳侧面有USB接口3和SD卡接口4，支架顶部有水平校准器2；测树电路部分包括单片机电路A、信号接收电路B、功能按键电路C、信号灯显示电路D、SD卡接口电路E、USB接口电路F和稳压电路G。

所述的单片机电路A内部各单元的连接关系是：控制芯片STM32F10X，VDD_1(50号引脚)、VDD_2(75号引脚)、VDD_3(100号引脚)、VDD_4(28号引脚)和VDD_5(11号引脚)均与+3.3伏电源连接，OSC_IN(12号引脚)和OSC_OUT(13号引脚)分别与8M外部晶振系统Y1的两端连接，NRST(14号引脚)接复位电路的二极管D1与电容C105之间，PA13(72号引脚)、PA14(76号引脚)、PA15(77号引脚)、PB3(89号引脚)、PB4(90号引脚)和NRST(14号引脚)分别接程序下载接口JP1的8、10、6、5、4和3号脚。

所述的信号接收电路B内部各元件的连接关系是：信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX485的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦E303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚。

所述的功能按键电路C内部各元件的连接关系是：按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按键S702和按键S703的电路连接与S701相同。

所述的信号灯显示电路D内部各元件的连接关系是：5伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地。

所述的SD卡接口电路E内部各元件的连接关系是：CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联10k电阻接+3.3v电源。

所述的USB接口电路F内部各元件的连接关系是：CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的1、3号引脚分别接USB接口P5的2、3号引脚。

所述的稳压电路G内部各元件的连接关系是：稳压芯片MC7805T(U2_1)输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第一组+5V输出，稳压芯片1117-50(U2_2)输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第二组+5V输出，稳压芯片1117-33(U2_3)输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得3.3V输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。

本装置带镜头的激光测树传感器为深圳市精测瑞科工业技术有限公司生产的DMA-50型激光测距传感器，其余支架、步进电机、水平校正器等均可市售获得。

用本装置进行测量的方法按如下步骤进行：

(1)扫描林分：在森林中，通过调整三脚架(1)，将本装置调至1.3米高度，再调整水平校正器(2)将该装置调至水平，将激光镜头瞄准方向复位到起始位置后开始360度环绕扫描，得到周围所有树木与本装置中心点之间的距离；

(2)获取胸径：逐一扫描每一株树，参见图11、图13，定O为本装置中心点，C为树干中心点，装置的测距传感器匀速步进，其相邻两个扫描点之间的夹角ω相等，即∠EOG＝∠GOC₂＝∠C₂OH＝∠HOF＝ω，ω由步进电机转速和激光扫描速率确定；

以OE和OF之间的平分线OC为斜边构成的直角三角形EOC和COF相等，有∠EOF＝α，∠EOC＝∠COF＝α/2，设R＝OC，R′＝OE＝OF，则树木胸径EC、FC，AC、BC相等，为α＝kω，k为在此树干外表实际扫描点数；

对第i株树表面，从E点经G、C₂、H到F逐点扫描，其返回距离从OE、OG、OC₂到OH、OF，由大到小、再由小到大变化，当达到相等时表示对第i株树扫描结束；第i株树胸径d_i、扫描点O距树木中心点C的距离R_i以及扫描点O距树干上E点(或F点)的距离R′_i的关系是：

{R_{i}}^{'} = \sqrt{{R_{i}}^{2} - {(D_{i} / 2)}^{2}};

(3)、计算每公顷胸高断面积：

根据角规原理，用D_i和R_i′计算每公顷胸高断面积；

①计算判定标准：因行业内公用的角规杆长500mm，标准缺口宽10mm(参见图12、图13)，即OC′＝500mm，A′B′＝10mm；根据相似三角形原理，让视线从O点出发，通过缺口A′B′观察树干，能与缺口相切或相割的树干直径d应大于或等于一个标准直径d_标，有：

因

\frac{A^{'} C^{'}}{{OC}^{'}} = 1 / 50,

则有：

这里的d_标随距离OE变化，

②角规计数：对于每一株被扫描样木，计算d_标值，并用之与被扫描样木的实际胸径d_i比较，当胸径d_i大于d_标时计1，当胸径d_i等于d_标时计0.5，否则计0，即：

角规计数汇总即为林分每公顷胸径断面积G：

G = Σ_{i = 1}^{n} g_{i}

单位：m²/hm²；

(4)计算平均胸径：

在步骤(2)的基础上，求算所测范围内林木的平均胸径

\overset{&OverBar;}{d} = \sqrt{\frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} d_{i}^{2}}

当测站选择合理时，可以代表测站所在林分的平均胸径。

(5)计算树干密度：

树干密度是林木胸高断面积与相应范围的土地面积之比；

根据步骤(3)测得的林分每公顷胸高断面积G，计算树干密度(以万分数表示)：

P＝G/10000*10000‰。

(6)计算植被覆盖率：

根据步骤(1)获得所有对象的距离，这些对象包括达到胸高位置的乔木、灌木植被，扫描返回植被数据的个数m_1.3与全部扫描数据个数n_1.3之比为胸高位置的植被覆盖率VC_1.3(以百分数表示)；

VC_1.3＝m_1.3/n_1.3*100％

其中，下标1.3表示扫描高度为1.3米，即可在不同高度扫描获得不同高度的植被覆盖率；

(7)求得林木分布空间坐标格局：

根据步骤(2)，在已有每株树木胸径和距本装置距离的基础上，按测距传感器的步进转速ω(步进电机每前进一步在水平方向上所转动的角度)和测量速率f(步进电机前进1步激光传感器扫描1次)，确定以本装置为圆心的每株树相对空间坐标(θ，R)；

其中，θ为树木中心点距扫描起始线的角度，R为树木中心点距本装置中心点的距离；

由于每次测量步进电机运行角度相等，为ω，如果扫描自开始到完成第i株树干上的最后一个点扫描，共接收n次扫描数据，则该树干表面最后一个扫描点相对于扫描起始点的角度为ω×n，该树干中心相对于起始点的角度为θ_i＝ω×n-α；

距离第i株树的坐标为(θ_i，R_i)。

本装置的工作流程为：打开电源，扫描仪机械复位，设备旋转，测距传感器返回数据，利用数据计算和辨识树干，计算和判断树干是否相切(割)，记录距离、相切(割)的株数，检测水平角度是否达到360度，如果没有，则继续上述过程，否则，停止扫描，计算各类参数。参见图10。

提供信息参数：

平均胸径：按步骤(2)、(4)计算平均胸径；

胸高断面积：按步骤(3)计算胸高断面积；

树干密度：按步骤(5)计算树干密度；

不同高度的植被覆盖率：按步骤(6)计算植被覆盖率；

树木坐标：按步骤(7)计算坐标；

下面再将胸高断面积的测定与计算作具体介绍：

本装置通过激光测距传感器获取单株林木扫描点的距离信息，通过包括角规原理在内的算法，得到单株林木胸径、林分平均胸径、密度和单位面积胸高断面积等森林蓄积参数。

用角规测树时，视线从角规的一端通过500mm距离，经另一端10mm宽的缺口两侧到达目标(树干)的两侧，眼睛、缺口两侧、树的两侧，共5个点构成相似三角形。利用相似三角形原理可以计算出每公顷林木胸高断面积。参见图13。测量时，视线从一端经过另一端缺口瞄准树干，树干在缺口中表现为与缺口两侧相割、相切和相离三种情况。当相割(树干占满了整个缺口)时记1株，当树干正好与缺口两边相切时记0.5株，树干与缺口两边相离(不能占满缺口)时记0株。测量者原地如此绕测一周，所记录株数即每公顷土地上林木胸高断面积(单位：m²)。

本装置提供每公顷林地上林分的胸高断面积。计算原理如下：

设林分中所有林木按其胸径大小可以划分为m个组，现任取其中的一组i，胸径均为d_i(i＝1，2，3...m)(参见图11、图12和图13)；角规杆长为L，前端缺口内缘宽度为I，用角规观测该组林木的胸高部位时，临界树中心点C到角规点O的水平距离为R，绕测中形成以角规点O为圆心，以临界距离R_i为半径的假想样圆；观测时两条视线之间的夹角为α(如图11)。

由于树木C为临界树，所以视线OE与该树的胸高部位相切于点E，视线OF与该树的胸高部位相切于点F，即CE⊥OE，CF⊥OF，A′B′//EF//AB。

由图11可以得：

\sin \frac{α}{2} = \frac{CE}{OC} = \frac{\frac{d_{i}}{2}}{R_{i}} &DoubleRightArrow; R_{i} = \frac{d_{i}}{2 \sin \frac{α}{2}}

样圆的面积(S_i)：

S_{i} = {πR}_{i}^{2} = \frac{{πd}_{i}^{2}}{4 \sin^{2} \frac{α}{2}}

若该组林木中落入样圆内的林木共有Z_i株(即该组的绕测计数之和，包括不足1株的部分)，则Z_i株林木的胸高断面积之和(G_i)为：

G_{i} = \frac{π}{4} d_{i}^{2} Z_{i}

当将该样圆的面积(S_i)换算为10000m³时，其内的该组林木胸高断面积之和(G_i)则转换为单位面积内的胸高断面积之和(G′_i)，即：

\begin{matrix} S_{i} : 10000 = G_{i} : G_{i}^{'} &DoubleRightArrow; G_{i}^{'} = \frac{10000 G_{i}}{S_{i}} = \frac{\frac{10000 π}{4} d_{i}^{2} Z_{i}}{\frac{{πd}_{i}^{2}}{4 \sin^{2} \frac{α}{2}}} \\ = 10000 \sin^{2} \frac{α}{2} Z_{i} = 10000 {(\frac{\frac{d_{i}}{2}}{R_{i}})}^{2} Z_{i} = 2500 {(\frac{d_{i}}{R_{i}})}^{2} Z_{i} \end{matrix}

令为角规断面积系数，则：G′_i＝FgZ_i

又因为林分中所有林木按其胸径大小划分为m个组，所以在单位面积内全部林木的胸高断面积之和(G)为：

G = Σ_{i = 1}^{m} G_{i}^{'} = Σ_{i = 1}^{m} Z_{i} = F_{g} Z

因

F_{g} = 2500 {(\frac{d_{i}}{R_{i}})}^{2},

当

\frac{d_{i}}{R_{i}} = \frac{1}{50}

时，F_g＝1，则有：

G＝Z

即绕测得到的株数就是胸高断面积。

至此，整个森林蓄积参数的测量与计算工作结束。

Claims

1.一种测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，包括硬件与测树电路两大部分，其特征是硬件为激光全景扫描器的外壳（5）、外壳下方的支架（1），外壳内部安装有电池供电组件（12）、带镜头的激光测树传感器（11）、步进电机（13）和PCB集成电路板（14），外壳顶部有功能选择按键（9）、信号指示灯（7）和开关（8），外壳前端有镜头（6）、后端有显示屏（10）、外壳侧面有USB接口（3）和SD卡接口（4），支架顶部有水平校准器（2）；测树电路部分包括单片机电路（A）、信号接收电路（B）、功能按键电路（C）、信号灯显示电路（D）、SD卡接口电路（E）、USB接口电路（F）和稳压电路（G）；

所述的单片机电路（A）内部各单元的连接关系是：控制芯片STM32F10X，50号引脚、75号引脚、100号引脚、28号引脚和11号引脚均与+3.3伏电源连接，12号引脚和13号引脚分别与8M外部晶振系统Y1的两端连接，14号引脚接在复位电路的二极管D1与电容C105之间，72号引脚、76号引脚、77号引脚、89号引脚、90号引脚和14号引脚分别接程序下载接口JP1的8、10、6、5、4和3号脚；

所述的信号接收电路（B）内部各元件的连接关系是：信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX485的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦E303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚；

所述的功能按键电路（C）内部各元件的连接关系是：按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按键S702和按键S703的电路连接与S701相同；

所述的信号灯显示电路（D）内部各元件的连接关系是：5伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地；

所述的SD卡接口电路（E）内部各元件的连接关系是：CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联10k电阻接+3.3v电源；

所述的USB接口电路（F）内部各元件的连接关系是：CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的1、3号引脚分别接USB接口P5的2、3号引脚；

所述的稳压电路（G）内部各元件的连接关系是：稳压芯片MC7805T，即U2_1输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第一组+5V电压输出，稳压芯片1117-50即U2_2输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第二组+5V电压输出，稳压芯片1117-33即U2_3输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得3.3V电压输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。