CN104483388A

CN104483388A - 无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法

Info

Publication number: CN104483388A
Application number: CN201510015094.4A
Authority: CN
Inventors: 韩文泉; 储征伟; 李勇; 肖玉华; 施一军
Original assignee: NANJING SURVEYING MAPPING PROSPECTING RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Current assignee: NANJING SURVEYING MAPPING PROSPECTING RESEARCH INSTITUTE CO LTD
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明公开了一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，根据现场条件确定测点个数，敲击测点上的金属探针，敲击压力以波动形式形成应力波四处传播，根据应力波在测点间的传播速度，推算出相应断面的腐朽分布，采用三维线性内插方法，生成树干腐朽体三维分布数据，为树木健康检查和提高木材使用效率提供科学的数据基础与依据，提高木材的使用效率，减少城市区域由危树险树导致的生命财产损失。

Description

无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法

技术领域

本发明涉及一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，所属技术领域为测绘科学或测量数据处理技术领域，尤其适用于大型乔木树干空洞检测。

背景技术

立木腐朽是导致木材产量、质量和有效利用率降低的关键因素之一，造成木材资源损失巨大；城市道路两侧及园林绿化树木因内部腐朽发生的突然倾倒，对人民的生命安全构成威胁并且造成财产损失。因此，研究比较准确、简便的活立木内部腐朽检测技术，不仅有利于森林资源的有效保护，而且对减少城市居民的生命财产损失具有重大意义。

通常在健康木材中弹性波的传播速度比在腐朽或存在缺陷的木材中传播速度快，通过测量弹性波在活立木树干径向的传播时间可以对健康材和腐朽材进行比较准确的判断。其计算公式为：E=DV²。其中，E表示动弹性模量；D表示木材密度；V表示应力波速度。对于生长中的活立木，用砍伐样本测量出应力波速度和木材密度，计算出健康树木的动弹性模量，作为经验值，此方法损害了树干。

除了利用上述砍伐样本来测量树干内部腐朽的分布状态，还可以利用超应力波、电阻率等方法。比较而言，超应力波设备笨重不适合野外作业，而电阻率的方法测量分辨率较低。

发明内容

发明目的：针对现有以损害树干来测量树干内部腐朽分布的方法，本发明提供了一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法。

技术方案：一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定要测量的树干范围，建立三维直角坐标系；

步骤2，选择测量断面。在树干圆周上设置若干个测点，测点之间的圆弧距离为15厘米到50厘米，且在同一个水平面上。选其中一个测点为定位点，分别测量此点与其他测点间的直线距离。

步骤3，在测点上布设金属探针，敲击测点上的探针，敲击压力以波动形式形成应力波四处传播，分别测量从被敲击的金属探针处发出的波动信号到其他金属探针处接收到波动信号的时间，即获取定点与其他测点之间的波动信号传播时间；

步骤4，根据测点间的直线距离和探针间波动信号的传播时间，计算应力波在定位点与其他测点间的传播速度；同理敲击其他测点，获得由其他点出发的传播速度。从而根据传播速度推算出单一断面的腐朽分布；

步骤5，断面是否满足三维展示需要，确定是否加测断面或复测已有断面，重复步骤2-4测量加测断面或复测已有断面的腐朽分布；

步骤6，根据各个断面测量数据，采用三维线性内插方法，生成树干腐朽三维分布数据。

所述步骤1中三维直角坐标系建立方法为，坐标的单位设定为厘米，Y轴指向正北，X轴垂直于Y轴，X轴Y轴位于同一水平面内，Z轴从地面向上垂至于XY轴的面，原点为包围所测树木树干的最小四棱柱的最小XYZ值，设为0点。。

所述步骤3中传播时间精确到1×10^-6秒。

所述步骤4具体实现步骤如下：

（1）利用公式：V = S/T 计算各条路径的应力波传播速度，其中，V表示传播速度，单位米每秒；S表示测点间距离，单位米；T表示波动信号传播时间，单位秒；

（2）检查速度测量的正确性。利用多次测量的速度的方法，设定5次测量为一组，若测量的标准差在均值的5%之内，则取均值为这次测量值；若大于均值的5%，则需要增加敲击次数，最后的值替代最初的值，以此类推直到稳定到均值的5%之内为止；

（3）计算同一测点上所有传播速度的算术平均值，再求出各速度值与该算术平均值的偏差值，该偏差值大于算术平均值15%以上，需要记录；

（4）根据速度值推算空腐程度。腐朽程度与速度成反比，速度降为平均值的55%以下时，则认为是空洞，即为完全腐朽；速度在平均值的55%到65%之间，则认为是已经腐朽；速度在平均值的65%到75%之间，则认为是正在腐朽；速度在平均值的75%到85%之间，则认为是疑似腐朽；速度在平均值的85%以上时，认为树木完好；

（5）依次连接每个测量点，采用样条函数构成闭合曲线，以模拟树干外形，以闭合曲面的重心为中心，1厘米为步长，用规则格网剖分闭合面；每个测点相互连接，形成测点间的连接线网。

（6）求出空腐值边界点，确定测点间连线上的空腐状况。结合其他路径的坐标位置，利用过平面两点的直线方程：(x-x1)/(x2-x1)=(y-y1)/(y2-y1)，其中，x1,y1为第一点坐标，x2,y2为第二点坐标。再根据相交的两条直线求交点计算公式：X=(b1-b2)/(k2-k1)，Y=k1(b1-b2)/(k2-k1)+b1计算出两个测点之间的点连线与其它路径的交点坐标。其中，b1和k1分别为第一条直线的截距和斜率，b2,k2分别为第二条直线的截距和斜率。从而确定空洞是在各测点之间连线的边界点位置。

（7）根据测点间连线上的空腐状况，确定整个断面空腐状况。根据反距离权重内插公式：A=0.65A1+0.25A2+0.1A3求出内插各断面的各点空腐值。其中，A为要内插点的空腐值，A1、A2、A3分别为搜寻的特征点的空腐值，0.65、0.25和0.1分别为权值。

所述步骤6具体实现步骤如下：

（1）求出每个测量断面的重心位置；连接各断面的重心点与其内部的测点，构成各截面的径向线数据；

（2）求出径向线数据上各点的对应的空腐值；

（3）分别连接各断面的重心点和各测点，作为三维内插算法框架数据；上下两个断面两点之间构成直线段；

（4）内插断面数据。根据上下两个断面的Z坐标的中值，确定水平面切割各个构成的直线段，根据距离公式：Cx = A·S1/S + B·S2/S内插直线段中点的空腐值。其中Cx为所求面c点的空腐数值，A为上表面a点的空腐数值，B为下表面b点的空腐数值，S为a点到b点的距离，S1为a点到c点的距离，S2为b点到c点的距离。同理求出断面外轮廓线上的空腐值。

（5）根据测点间连线的空腐状况，确定整个内插断面空腐状况。从而完成树干空腐三维分布数据。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种用应力波测量树干内部腐朽的二维空间分布，其效率高；三维内插算法获得三维树干腐朽分布数据，为树木健康检查和提高木材使用效率提供科学的数据基础与依据，提高木材的使用效率，减少城市区域由危树险树导致的生命财产损失。

附图说明

图1为本发明无损测量树干内部腐朽体三维空间分布方法的流程图；

图2为本发明测点在测量断面上的分布图；

图3为本发明测量断面内剖分规则格网示意图；

图4为本发明断面测点对向连接路径示意图；

图5为本发明120厘米处断面腐朽分布成果图；

图6为本发明50厘米处断面腐朽分布成果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

根据图1所述的方法流程，以“南京市行道树干腐朽测量”为例，对本发明进一步阐明：

第一步，根据现场条件允许，确定测量2个断面，一个位于距地50厘米处，另一个距地面120厘米处；

第二步，此树胸径为68厘米，确定为8个测点，以120厘米处断面为例，如图2所示，分别标1到8号，用卡尺测量测点之间的直线距离，分别为：1-2点距离26.7厘米，1-3点距离44.6厘米，1-4点距离50.7厘米，1-5点距离57.5厘米，1-6点距离53.0厘米，1-7点距离39.1厘米，1-8点距离23.7厘米。这样此断面各测点的坐标值（如下表1）：

表1 120厘米处断面测点坐标值（单位：厘米）

点号	X值	Y值	Z值
				1	31.1	57.8	120
2	56.9	52.1	120
				3	66.6	31.5	120
4	54.9	8.4	120
				5	31.1	0	120
6	10.4	9	120
				7	0	34.3	120
8	7.3	56.9	120

第三步，用铁锤敲击1号测点上的金属探针，测量被敲击探针处从声音产生到其他7个金属探针处接收到声音信号的时间差值，要求精确到1×10^-6秒。由1号点出发的时间差分别为：1-2点为208.8×10^-6秒，1-3点为298.4×10^-6秒，1-4点为340.8×10^-6秒，1-5点为407.0×10^-6秒，1-6点为865.4×10^-6秒，1-7点为272.4×10^-6秒，1-8点为165.8×10^-6秒。

第四步，根据测点间的距离和信号传播时间，计算应力波在树干中的传播速度。利用公式V = S/T 计算各条路径的应力波传播速度。根据5次敲击的平均速度，确定1号点到各点之间的速度值分别为（单位：米每秒）：1-2点为1165，1-3点为1366，1-4点为1482，1-5点为1309，1-6点为565，1-7点为1321，1-8点为1322。重复上面的步骤，分别在2到8号点上敲击，获得这个断面上所有速度值（如表2）：

表2 120厘米处断面测点间速度值（单位：米每秒）

点号	1	2	3	4	5	6	7	8
									1	0	1165	1366	1482	1309	565	1321	1322
2	1200	0	1242	1499	1567	900	1051	1440
									3	1353	1199	0	1243	1411	986	741	1464
4	1518	1516	1290	0	1257	1258	705	1427
									5	1332	1567	1434	1251	0	1224	520	980
6	635	864	991	1213	1162	0	206	529
									7	1331	1019	663	693	484	474	0	1394
8	1322	1413	1454	1193	949	528	1359	0

分别求出每次敲击的平均速度，以1号点为例，从一号点出发的平均速度为：1218 m/s，1-6点为565 m/s，是这个平均速度的46.4%，小于平均速度的55%，说明1-6点路径上有空洞。综合其他路径的坐标位置，利用过平面两点的直线方程和相交的两条直线求交点计算公式确定空洞是在1-6点连线的坐标点（22.2，35.7）和坐标点（13.0，13.6）之间。

同理，求出其它路径空洞区域的边界点坐标。根据速度与平均速度偏差比较，求出所有路径点上的空洞、腐烂、正在腐烂、疑似腐烂边界点的在测量路径上的坐标值。

求出120厘米处的断面测量点围成多边形的重心坐标值为（32.3，31.2，50）。

用8个测点的坐标拟合样条函数，绘制出树木的外轮廓线（如图2所示）。按图3所示的原则剖分这个断面，得到1厘米为步长的数据腐烂程度数值，并把这些面积单元的中心点坐标与空腐程度映射，可以得出以下数值表（表3）：

表3 120厘米处断面空腐程度表

	0	1	…	20	21	…	67	68
									0	0	0	…	0	0	…	0	0
1	0	1	…	1	1	…	1	0
									…	…	…	…	…	…	…	…	…
20	0	1	…	4	4	…	1	0
									21	0	1	…	4	4	…	1	0
…	…	…	…	…	…	…	…	…
									60	0	1	…	1	1	…	1	0
61	0	0	…	0	0	…	0	0

表3中，第一行表示横坐标标题，单位厘米；第一列表示纵坐标标题，单位厘米；“…”表示省略；其他字体较小的数字表示空腐程度，0表示没有断面，1表示完好，2表示疑似腐烂，3表示正在腐烂，4表示已经腐烂，5表示空洞。

按照以上的步骤对50厘米处断面进行处理，同样得到如表3形式一样的数据。

第五步，判断各测量断面测量值正确，决定不再复测断面数据。

第六步，直线连接上下两个断面的测点和重心点，可以内插求出两断面之间中断面的空腐状态数据。

Claims

1.一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定要测量的树干范围，建立三维直角坐标系；

步骤2，选择测量断面；在树干圆周上设置若干个测点，选其中一个测点为定位点，分别测量此点与其他测点间的直线距离；

步骤4，根据测点间的直线距离和探针间波动信号的传播时间，计算应力波在定位点与其他测点间的传播速度；同理敲击其他测点，获得由其他测点出发的传播速度；从而根据传播速度推算出单一断面的腐朽分布；

步骤5，判断断面是否满足三维展示需要，确定是否加测断面或复测已有断面，重复步骤2-4测量加测断面或复测已有断面的腐朽分布；

2.根据权利要求1所述的一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于：步骤1中所述三维直角坐标系建立方法为，坐标的单位设定为厘米，Y轴指向正北，X轴垂直于Y轴，X轴Y轴位于同一水平面内，Z轴从地面向上垂至于XY轴的面，原点为包围所测树木树干的最小四棱柱的最小XYZ值，设为0点。

3.根据权利要求1所述的一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于：步骤2中所述树干圆周上测点之间的圆弧距离为15厘米到50厘米，且在同一个水平面上。

4.根据权利要求1所述的一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于：步骤3中所述传播时间精确到1×10^-6秒。

5.根据权利要求1所述的一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于：步骤4具体实现步骤如下：

（2）检查速度测量的正确性；利用多次测量的速度的方法，设定5次测量为一组，若测量的标准差在均值的5%之内，则取均值为这次测量值；若大于均值的5%，则需要增加敲击次数，最后的值替代最初的值，以此类推直到稳定到均值的5%之内为止；

（4）根据速度值推算空腐程度；腐朽程度与速度成反比，速度降为平均值的55%以下时，则认为是空洞，即为完全腐朽；速度在平均值的55%到65%之间，则认为是已经腐朽；速度在平均值的65%到75%之间，则认为是正在腐朽；速度在平均值的75%到85%之间，则认为是疑似腐朽；速度在平均值的85%以上时，认为树木完好；

（5）依次连接每个测量点，采用样条函数构成闭合曲线，以模拟树干外形，以闭合曲面的重心为中心，1厘米为步长，用规则格网剖分闭合面；每个测点相互连接，形成测点间的连接线网；

（6）求出空腐值边界点，确定测点间连线上的空腐状况；结合其他路径的坐标位置，利用过平面两点的直线方程：(x-x1)/(x2-x1)=(y-y1)/(y2-y1)，其中，x1,y1为第一点坐标，x2,y2为第二点坐标；再根据相交的两条直线求交点计算公式：X=(b1-b2)/(k2-k1)，Y=k1(b1-b2)/(k2-k1)+b1计算出两个测点之间的点连线与其它路径的交点坐标；其中，b1和k1分别为第一条直线的截距和斜率，b2,k2分别为第二条直线的截距和斜率；从而确定空洞是在各测点之间连线的边界点位置；

（7）根据测点间连线上的空腐状况，确定整个断面空腐状况；根据反距离权重内插公式：A=0.65A1+0.25A2+0.1A3求出内插各断面的各点空腐值；其中，A为要内插点的空腐值，A1、A2、A3分别为搜寻的特征点的空腐值，0.65、0.25和0.1分别为权值。

6.根据权利要求1所述的一种无损测量树干内部腐朽体三维空间分布的方法，其特征在于：步骤6具体实现步骤如下：

（2）求出径向线数据上各点的对应的空腐值；

（4）内插断面数据；根据上下两个断面的Z坐标的中值，确定水平面切割各个构成的直线段，根据距离公式：Cx = A·S1/S + B·S2/S内插直线段中点的空腐值；其中Cx为所求面c点的空腐数值，A为上表面a点的空腐数值，B为下表面b点的空腐数值，S为a点到b点的距离，S1为a点到c点的距离，S2为b点到c点的距离；同理求出断面外轮廓线上的空腐值；

（5）根据测点间连线的空腐状况，确定整个内插断面空腐状况；从而完成树干空腐三维分布数据。