CN110470208A - 一种立木胸径测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种立木胸径测量方法及装置，涉及树木测量设备技术领域，该立木胸径测量装置包括：左切臂、右切臂、中间尺臂、控制器、第一角度传感器、第二角度传感器；其中，所述左切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第一旋转关节；所述右切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第二旋转关节；所述中间尺臂上设置有一中顶尖；所述中顶尖距第一旋转关节的距离与中顶尖距第二旋转关节的距离相等；该立木胸径测量装置的测量效率高、准确度高、便携性好、适用于大树胸径测量。

Description

一种立木胸径测量方法及装置

技术领域

本发明涉及树木测量设备技术领域，尤其涉及一种立木胸径测量方法及装置。

背景技术

立木胸径为距根茎1.3m处的树木直径，是森林勘测中最重要的测量因子，精确可靠地获取胸径数据非常重要。传统的立木胸径测量方法效率低、需人工读取和记录，通常采用围尺、卡尺等工具。围尺不适用于测量带树刺、分泌物的树木，其较宽的尺面会导致较大的测量误差，而且测量时勘测人员需双手闭合环绕树木后将尺头绕树干一周再将尺面紧贴树皮最后在尺头和尺尾的会合处进行读数，整个过程繁琐。考虑到普通人的臂长范围，如果树木胸径超过40cm则单人将难以双手闭合环绕树木或者也有可能超出围尺量程，则需要多人协助将尺头与尺尾会合或者单人标记树干后分多次测量再累加读数，大幅降低了测量效率。卡尺测量时勘测人员只需将两侧卡杆咬合树干即可进行读数，虽然操作方便，但卡杆和尺体的尺寸若过短则量程小，若过长则携带性差，所以也不适宜测量胸径过大的树木。

当今国内外新兴的胸径测量装置或方法主要分为非接触式和接触式两类。非接触式是指在不接触到立木树干的情况下通过光学原理进行胸径测量；其代表性的仪器或方法有：RD1000型快特能测树仪、无人机、激光扫描仪、智能手机、相机、超站仪和全站仪等；但存在着测量效率低、操作复杂、成本高、野外携带不便等问题。接触式通常是在传统围尺、卡尺的机械原理的基础上进行电子化和数字化的改造，其代表性的仪器或方法有MD-I I型电子测径仪、电子条码尺、拉绳传感器等，但仍以测量长度这种单一的方式来换算胸径，并未从根本上解决传统围尺的适用性差、操作复杂、效率低和传统卡尺的携带性差、量程短等问题。

中国专利CN201811391520.4公开了一种树木外径测量装置及方法，其中，该树木外径测量装置包括：左侧直尺、右侧直尺、中间直尺、控制器、第一角度传感器、第二角度传感器；其中，所述左侧直尺与中间直尺转动连接，在连接处形成有第一旋转关节；所述右侧直尺与中间直尺转动连接，在连接处形成有第二旋转关节；所述第一角度传感器集成在第一旋转关节中，用于测量左侧直尺与中间直尺之间的第一角度；所述第二角度传感器集成在第二旋转关节中，用于测量右侧直尺与中间直尺之间的第二角度；所述控制器分别用于从第一角度传感器、第二角度传感器读取第一角度、第二角度，并根据第一角度和第二角度计算待测树木的外径。该树木外径测量装置的计算过程较为复杂，导致测量效率较低。

因此，现今的森林资源清查工作迫切需要一款测量效率高、准确度高、便携性好、适用于大树胸径测量的树木胸径测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种立木胸径测量方法及装置，其中，该立木胸径测量装置的测量效率高、准确度高、便携性好、适用于大树胸径测量。

该立木胸径测量装置包括：左切臂、右切臂、中间尺臂、控制器、第一角度传感器、第二角度传感器；其中，所述左切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第一旋转关节；所述右切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第二旋转关节；

所述第一角度传感器集成在第一旋转关节中，用于测量左切臂与中间尺臂之间的第一角度；所述第二角度传感器集成在第二旋转关节中，用于测量右切臂与中间尺臂之间的第二角度；

所述中间尺臂上设置有一中顶尖；所述中顶尖距第一旋转关节的距离与中顶尖距第二旋转关节的距离相等；

所述控制器分别用于从第一角度传感器、第二角度传感器读取第一角度、第二角度，并根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径。

进一步地，所述控制器设置在中间尺臂内。

进一步地，所述中间尺臂上集成有显示屏，所述显示屏可用于显示测量到的树木胸径。

进一步地，所述控制器中集成有蓝牙模块，用于将测量数据传输至上位机中。

进一步地，所述控制器中还集成有存储卡，用于存储测量数据。

进一步地，所述控制器还集成有GPS，用于记录测量地点的GPS信息。

进一步地，所述控制器根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径d的公式如下：

d＝r₁+r₂

其中，

其中，αi(i＝1,2)分别为第一角度、第二角度的测量值；s为第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的距离的二分之一；第一旋转关节的转动中心距左切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离，以及第二旋转关节的转动中心距右切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离均为w；h为中顶尖的测量点距离第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的连线的垂直距离。

进一步地，第一角度传感器和第二角度传感器通过采样得到的电压信号计算角度，角度的计算公式如下：

式中，Un为角度传感器当前输入电压的AD采样值，Uc_i为角度传感器信号线输出电压的AD采样值，Vz_i为初始化时角度传感器在角度α_i＝0°的参考值，Vr为初始化时角度传感器输入电压的参考值。

另一方面，本发明还示出了一种立木胸径测量方法，所述立木胸径测量方法应用于立木胸径测量装置的控制器，其中，中间尺臂的中顶尖、左切臂、右切臂均相切于待测树木的一横截面的圆周表面上；所述立木胸径测量方法包括步骤：

从第一角度传感器读取第一角度，从第二角度传感器读取第二角度；其中，第一角度为第一角度传感器测量的左切臂与中间尺臂之间的角度，第二角度为第二角度传感器测量的右切臂与中间尺臂之间的角度；

根据第一角度、第二角度计算待测树木的胸径。

该立木胸径测量装置包括：左切臂、右切臂、中间尺臂、控制器、第一角度传感器、第二角度传感器；其中，所述左切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第一旋转关节；所述右切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第二旋转关节；所述中间尺臂上设置有一中顶尖；所述中顶尖距第一旋转关节的距离与中顶尖距第二旋转关节的距离相等；该立木胸径测量装置的测量效率高、准确度高、便携性好、适用于大树胸径测量。

附图说明

图1是本发明实施例示出的立木胸径测量装置的结构示意图。

图2是本发明实施例示出的立木胸径测量装置的内部结构示意图。

图3是本发明实施例示出的立木胸径测量装置在测量状态下的简化示意图。

图4是本发明实施例示出的立木胸径测量装置在另一测量状态下的简化示意图。

图5是本发明实施例示出的立木胸径测量装置的示意框图。

图6是本发明实施例示出的立木胸径测量装置的示意性数据流图。

图7是本发明实施例示出上位机中测量数据的展示图。

图8是本发明实施例示出的立木胸径测量方法的流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

本发明实施例示出了一种立木胸径测量装置，参考图1和图2，该立木胸径测量装置包括：左切臂1、右切臂2、中间尺臂3、控制器4、第一角度传感器1a、第二角度传感器2a；其中，所述左切臂1与中间尺臂3转动连接，在连接处形成有第一旋转关节p1；所述右切臂2与中间尺臂3转动连接，在连接处形成有第二旋转关节p2；

所述第一角度传感器1a集成在第一旋转关节p1中，用于测量左切臂1与中间尺臂3之间的第一角度；所述第二角度传感器2a集成在第二旋转关节p2中，用于测量右切臂2与中间尺臂3之间的第二角度；

所述中间尺臂3上设置有一中顶尖5；所述中顶尖5距第一旋转关节p1的距离与中顶尖5距第二旋转关节p2的距离相等；

所述控制器4分别用于从第一角度传感器1a、第二角度传感器2a读取第一角度、第二角度，并根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径。

在测量树木的胸径时，中间尺臂3、左切臂1、右切臂2环绕在待测树木的一横截面的圆周表面上；使中间尺臂3的中顶尖5与树干横截面的圆周表面相切，并将两侧的左切臂1、右切臂2调整至与树干相切。此时，控制器4可从第一角度传感器1a、第二角度传感器2a读取第一角度、第二角度，并根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径。

测量装置在中顶尖5处与树干相切，且中顶尖5位于中间尺臂3的中间位置，即距第一旋转关节p1的距离与中顶尖5距第二旋转关节p2的距离相等；设置中顶尖5可简化几何关系，进而可简化胸径的计算式。

参考图3和图4，在本发明实施例中，中间尺臂3、左切臂1、右切臂2环绕在树干的横截面的圆周表面上；其中，左切臂1与树干的相切于A点；右切臂2与树干相切于C点；中间尺臂3的中顶尖5与树干相切于B点，B处的切线与第一旋转关节的转动中心、第二旋转关节的转动中心之间的连线平行，且距离为h，也即测量点B距离连线的距离。中顶尖5距第一旋转关节p1的距离与中顶尖5距第二旋转关节p2的距离相等，中顶尖5距第一旋转关节p1或第二旋转关节p2的水平距离为s，等于第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的距离的二分之一。w为第一旋转关节的转动中心距左切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离，也即第二旋转关节的转动中心距右切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离；其中测量表面为中间尺臂3、左切臂1、右切臂2靠近待测树木一侧的表面；当转动中心可位于中间尺臂3、左切臂1、右切臂2的中线上，这时w为中间尺臂3、左切臂1、右切臂2宽度的二分之一。第一角度α1和第二角度α2是通过第一角度传感器1a、第二角度传感器2a测量获得。

进一步地，可通过两段圆弧来计算立木胸径；圆弧AB的圆心为O1，半径为r1；圆弧BC的圆心为O2，半径为r2；立木胸径为两段圆弧的半径之和。通过两段圆弧来计算立木胸径，可减小测量误差。

在一些实施方式中，所述控制器4根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径d的公式如下：

d＝r₁+r₂

其中，

其中，αi(i＝1,2)分别为第一角度、第二角度的测量值；s为第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的距离的二分之一；第一旋转关节的转动中心距左切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离，以及第二旋转关节的转动中心距右切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离均为w；h为中顶尖的测量点距离第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的连线的垂直距离。

需要说明的是，上述计算式不包含有根号运算，无需迭代算法，计算速度更快，对微处理器的处理能力要求低。因此，可采用计算能力较弱微处理器，成本上更低。

在一些实施方式中，所述控制器4设置在中间尺臂3内。

参考图5，控制器4具有微处理器、SD卡、蓝牙、GPS、按键、温湿度计，以及电源模块；其中，电源模块包括有锂电池、电源管理芯片、开关。

在一些实施方式中，所述控制器4中集成有蓝牙模块，用于将测量数据传输至上位机中。

在一些实施方式中，所述控制器4中还集成有存储卡，用于存储测量数据。

在一些实施方式中，所述控制器4还集成有GPS，用于记录测量地点的GPS信息。

在一些实施方式中，所述中间尺臂3上集成有显示屏6，所述显示屏6可用于显示测量到的树木胸径。

在一些实施方式中，第一角度传感器和第二角度传感器通过采样得到的电压信号计算角度，角度的计算公式如下：

式中，Un为角度传感器当前输入电压的AD采样值，Uc_i为角度传感器信号线输出电压的AD采样值，Vz_i为初始化时角度传感器在角度α_i＝0°的参考值，Vr为初始化时角度传感器输入电压的参考值。

该立木胸径测量装置的一示意性的操作流程如下：(1)到达测量地点后，通过显示屏的主菜单先设置测量地点的编号并记录该样地的温湿度和GPS信息。(2)张开左右切臂，将中间尺臂的中顶尖与树干1.3m处相切，再将左右切臂闭合并相切于树干，按下记录键记录该树胸径。若该立木树干较不规则，再完成一次测量后改变装置三臂与树干1.3m处的相切位置并按下平均键，可重复上述操作进行多次记录，最终可自动求出平均值。(3)在测量地点依次完成每株立木的胸径测量后，通过PC端的上位机软件提取装置上的数据并上传至Web端或导出excel。

图6是本发明实施例示出的立木胸径测量装置的示意性数据流图，该立木胸径测量装置可通过蓝牙将测量数据发送至移动端，进而上传至Web端。

图7是本发明实施例示出上位机中测量数据的展示图，图中包含有对同一立木的多次测量结果，测量时间、样地编号、GPS位置、测量地的湿度和温度。

图8是本发明实施例示出的立木胸径测量方法的流程图。所述立木胸径测量方法应用于立木胸径测量装置的控制器，其中，中间尺臂的中顶尖、左切臂、右切臂均相切于待测树木的一横截面的圆周表面上；参考图8，所述立木胸径测量方法包括步骤：

步骤S801，从第一角度传感器读取第一角度，从第二角度传感器读取第二角度；其中，第一角度为第一角度传感器测量的左切臂与中间尺臂之间的角度，第二角度为第二角度传感器测量的右切臂与中间尺臂之间的角度；

步骤S802，根据第一角度、第二角度计算待测树木的胸径。

由于本实施例示出的立木胸径测量方法应用于前述的立木胸径测量装置，相关的内容参见前述关于立木胸径测量装置的描述，这里不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“圆周”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种立木胸径测量装置，其特征在于，该立木胸径测量装置包括：左切臂、右切臂、中间尺臂、控制器、第一角度传感器、第二角度传感器；其中，所述左切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第一旋转关节；所述右切臂与中间尺臂转动连接，在连接处形成有第二旋转关节；

所述第一角度传感器集成在第一旋转关节中，用于测量左切臂与中间尺臂之间的第一角度；所述第二角度传感器集成在第二旋转关节中，用于测量右切臂与中间尺臂之间的第二角度；

所述中间尺臂上设置有一中顶尖；所述中顶尖距第一旋转关节的距离与中顶尖距第二旋转关节的距离相等；

所述控制器分别用于从第一角度传感器、第二角度传感器读取第一角度、第二角度，并根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径。

2.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述控制器设置在中间尺臂内。

3.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述中间尺臂上集成有显示屏，所述显示屏可用于显示测量到的树木胸径。

4.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述控制器中集成有蓝牙模块，用于将测量数据传输至上位机中。

5.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述控制器中还集成有存储卡，用于存储测量数据。

6.根据权利要求5所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述控制器还集成有GPS，用于记录测量地点的GPS信息。

7.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，所述控制器根据第一角度和第二角度计算待测树木的胸径d的公式如下：

d＝r₁+r₂

其中，

其中，αi(i＝1,2)分别为第一角度、第二角度的测量值；s为第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的距离的二分之一；第一旋转关节的转动中心距左切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离，以及第二旋转关节的转动中心距右切臂和中间尺臂的测量表面的垂直距离均为w；h为中顶尖的测量点距离第一旋转关节的转动中心与第二旋转关节的转动中心之间的连线的垂直距离。

8.根据权利要求1所述的立木胸径测量装置，其特征在于，第一角度传感器和第二角度传感器通过采样得到的电压信号计算角度，角度的计算公式如下：

式中，Un为角度传感器当前输入电压的AD采样值，Uc_i为角度传感器信号线输出电压的AD采样值，Vz_i为初始化时角度传感器在角度α_i＝0°的参考值，Vr为初始化时角度传感器输入电压的参考值。

9.一种立木胸径测量方法，其特征在于，所述立木胸径测量方法应用于立木胸径测量装置的控制器，其中，中间尺臂的中顶尖、左切臂、右切臂均相切于待测树木的一横截面的圆周表面上；所述立木胸径测量方法包括步骤：

从第一角度传感器读取第一角度，从第二角度传感器读取第二角度；其中，第一角度为第一角度传感器测量的左切臂与中间尺臂之间的角度，第二角度为第二角度传感器测量的右切臂与中间尺臂之间的角度；

根据第一角度、第二角度计算待测树木的胸径。