CN110736960A - 一种立木位置测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种立木位置测量装置及方法，涉及树木位置测量技术领域，该立木位置测量装置包括：基站、移动装置；该基站包括有一支架、四杆件：第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件；所述支架具有一节点，四杆件的一端均固定在节点上，另一端均设置有第一UWB通信模块；第一杆件、第二杆件、第三杆件位于同一水平面内且互成120°角；第四杆件垂直于水平面设置；移动装置内集成有可与第一UWB通信模块进行通信的第二UWB通信模块；第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间进行通信，以测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；移动装置根据测量的距离测算自身位置。本装置在测量树木位置时，快捷高效、使用方便、且成本较低。

Description

一种立木位置测量装置及方法

技术领域

本发明涉及树木位置测量技术领域，尤其涉及一种立木位置测量装置及方法。

背景技术

树木位置分布对预测森林密度、树木生长竞争有重要的参考依据。然而单树位置通常采用全站仪进行测量，例如，中国专利CN201110164568.3公开了一种基于电子经纬仪和全站仪的森林计测方法。在该专利文献的技术方案中，以电子经纬仪和全站仪为工具采集林分各因子数据，由PDA(Personal Digital Assistant，个人电子助理)进行数据存储和处理，采用电子经纬仪和全站仪从抽样测点直接观测树的坐标。全站仪不仅可以测量方形样地，还可以测量圆形样地和多边形样地，相对于传统的人工皮尺测量，采用全站仪进行测量更为为准确，但全站仪过于笨重，野外携带不便，费时耗力，成本高。此外，目前还有一些新提出或实现了许多新方法，例如地面激光扫描、带有tof相机的手机、近影摄影测量等，它们的核心方法都是基于点云来提取数据，所以它们的设备价格贵，对处理器的计算性能要求高。

因此，目前缺少一种方快捷高效、使用方便、成本较低的立木位置测量方式。

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，提出一种立木位置测量装置及方法，在测量树木位置时，快捷高效、使用方便、且成本较低。

该立木位置测量装置包括：

基站；该基站包括有一支架、四杆件：第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件；所述支架具有一节点，四杆件的一端均固定在节点上，另一端均设置有第一UWB通信模块；第一杆件、第二杆件、第三杆件位于同一水平面内且互成120°角；第四杆件垂直于水平面设置；所述节点位置设置有电子装置；

移动装置；所述移动装置内集成有可与第一UWB通信模块进行通信的第二UWB通信模块；第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间进行通信，以测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；所述移动装置根据与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置。

进一步地，所述移动装置内集成有用于存储测量数据的存储模块。

进一步地，所述移动装置上设置有数据传输接口，以便将测量数据上传至上位机中。

进一步地，所述移动装置上设置有用于指示第二UWB通信模块与第一UWB通信模块是否开始通信的指示灯。

进一步地，所述移动装置上还设置有用于交互的显示屏和按键。

进一步地，所述基站的电子装置内还集成有GPS。

进一步地，移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p；其中，c为光速，t_p为第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的单程通信时长。

进一步地，四杆件的长度均为1米；

所述移动装置根据与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置的计算过程如下：

在4个等式：

中每次取3个，共有4种组合；记4种组合通过三元一次方程解出的坐标分别为：(X_n1,Y_n1,Z_n1),(X_n2,Y_n2,Z_n2),(X_n3,Y_n3,Z_n3),(X_n4,Y_n4,Z_n4)；

计算移动装置坐标(X_n,Y_n,Z_n)的计算式如下：

其中，AE_n、BE_n、CE_n、DE_n分别为移动装置距离第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件上的第一UWB通信模块的距离；(X_n,Y_n,Z_n)为移动装置在OXY坐标系中的坐标；OXY坐标系的坐标原点为支架的节点，X轴正向沿第一杆件方向设置，Y轴为X轴沿水平面以俯视角度观察逆时针转90度获得，Z轴正向沿第四杆件方向设置。

进一步地，所述基站的电子装置内还集成有可测量的欧拉姿态角的陀螺仪和可测量海拔高度的海拔计；

所述移动装置测算自身位置的计算过程还包括：

将移动装置坐标(X_n,Y_n,Z_n)转换至东-北-天坐标系下的坐标(X_n'，Y_n'，Z_n'),转化计算式如下：

其中，ψ、θ、Φ分别为偏航角、俯仰角、滚转角，由陀螺仪测量；H为电子装置的海拔高度。

另一方面，本申请还提出了一种立木位置测量方法，该立木位置测量方法应用于立木位置测量装置，包括步骤：

通过第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的通信，测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；

根据移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算移动装置的位置。

在本申请中，该立木位置测量装置包括：基站、移动装置；在测量时，基站设置在固定位置，调查人员手持移动装置进行测量；基站上设置有四个第一UWB通信模块，移动装置上设置有第二UWB通信模块；第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间进行通信，以测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；所述移动装置根据与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置。该立木位置测量装置在测量树木位置时，快捷高效、使用方便、且成本较低。

附图说明

图1是本申请实施例中立木位置测量装置的结构示意图。

图2是本申请实施例中立木位置测量装置测量立木位置的示意图。

图3是本申请实施例中基站电路的示意框图。

图4是本申请实施例中移动装置的示意框图。

图5是本申请实施例中立木位置测量方法的流程图。

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。

参考图1，该立木位置测量装置包括：基站10、移动装置20；其中，该基站10包括有一支架11、四杆件：第一杆件12、第二杆件13、第三杆件14、第四杆件15；所述支架11具有一节点16，四杆件的一端均固定在节点16上，另一端均设置有第一UWB通信模块；第一杆件12、第二杆件13、第三杆件14位于同一水平面内且互成120°角；第四杆件15垂直于水平面设置；所述节点16位置设置有电子装置16a。

具体地，第一杆件12远离节点16的一端设置有第一UWB通信模块12a；第二杆件13远离节点16的一端设置有第一UWB通信模块13a；第三杆件14远离节点16的一端设置有第一UWB通信模块14a；第四杆件15远离节点16的一端设置有第一UWB通信模块15a。

移动装置20内集成有可与第一UWB通信模块进行通信的第二UWB通信模块；第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间进行通信，以测量移动装置20与基站10上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；所述移动装置20根据与基站10上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置。

参考图2，该立木位置测量装置在测量时，将基站10放置固定样地的标记点P，对基站进行初始化设置；森林调查人员手持移动装置20依次靠近每一棵待测树木的树干，以测算移动装置20与基站10上第一UWB通信模块12a、第一UWB通信模块13a、第一UWB通信模块14a、第一UWB通信模块15a之间的距离，分别记为：AEn、BEn、CEn、DEn。根据距离AEn、BEn、CEn、DEn计算移动装置20的坐标位置，即待测树木的树干所在的位置。

在本申请实施例中，移动装置20可较为方便的进行手持，在测量时只需要将手持移动装置20依次靠近每一棵待测树木的树干，即可获得该待测树木树干所在的坐标位置，具有较高的测量效率。且本申请技术方案中所涉及的设备成本较低。

进一步地，移动装置20与基站10上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p；其中，c为光速，t_p为第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的单程通信时长。

需要说明的是，UWB信号具有较好的抗干扰能力，较好的穿透性，所测量的距离较为精确。

图3是本申请实施例中基站10的示意框图，如图所示，其包括有：微处理器、陀螺仪、存储模块、数据接口、四路UWB模块、GPS、显示屏、按键、海拔计、电源模块；其中，电源模块包括锂电池、电源管理芯片、开关。存储模块用于存储测量数据；数据接口用于与上位机进行通信，将测量数据上传至上位机；显示屏可用于显示测量结果；海拔计用于测量海拔高度；GPS用于测量样地的大致位置；陀螺仪用于测定基站10在东-北-天坐标系下的三个姿态角；电源模块用于供电。四路UWB模块即为第一UWB通信模块12a、第一UWB通信模块13a、第一UWB通信模块14a、第一UWB通信模块15a，分别设置在四杆件远离节点16的一端。其他组件集中设置在节点16位置的电子装置16a中。

图4是本申请实施例中移动装置的示意框图。如图所示，移动装置20包含有：微处理器、存储模块、数据接口、单路UWB模块、显示屏、按键、指示灯、电源模块；其中，电源模块包括锂电池、电源管理芯片、开关。存储模块用于存储测量数据，数据接口用于与上位机进行通信，将测量数据上传至上位机；显示屏可用于显示测量结果；单路UWB模块为第二UWB通信模块；按键可用于相应的设定操作。

在本申请实施例中，移动装置20内集成有用于存储测量数据的存储模块；所述移动装置20上设置有数据传输接口，以便将测量数据上传至上位机中。

在本申请实施例中，所述移动装置20上设置有用于指示第二UWB通信模块与第一UWB通信模块是否开始通信的指示灯。操作者可通过指示灯了解通信状态。

在本申请实施例中，移动装置20上还设置有用于交互的显示屏和按键。

在本申请实施例中，四杆件的长度均为1米；即各第一UWB通信模块距离节点16的距离为1米。

首先，建立OXY坐标系；OXY坐标系的坐标原点为支架11的节点16，X轴正向沿第一杆件12方向设置，Y轴为X轴沿水平面以俯视角度观察逆时针转90度获得，Z轴正向沿第四杆件15方向设置。(X_n,Y_n,Z_n)为移动装置20在OXY坐标系中的坐标位置。

移动装置20根据与基站10上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置的计算过程如下：

在4个等式：中每次取3个，共有4种组合；记4种组合通过三元一次方程解出的坐标分别为：(X_n1,Y_n1,Z_n1),(X_n2,Y_n2,Z_n2),(X_n3,Y_n3,Z_n3),(X_n4,Y_n4,Z_n4)；

计算移动装置20坐标(X_n,Y_n,Z_n)的计算式如下：

其中，AE_n、BE_n、CE_n、DE_n分别为移动装置20距离第一杆件12、第二杆件13、第三杆件14、第四杆件15上的第一UWB通信模块的距离；

在一些实施方式中，基站10的电子装置16a内还集成有可测量的欧拉姿态角的陀螺仪和可测量海拔高度的海拔计；

所述移动装置20测算自身位置的计算过程还包括：

将移动装置20坐标(X_n,Y_n,Z_n)转换至东-北-天坐标系下的坐标(X_n'，Y_n'，Z_n'),转化计算式如下：

其中，ψ、θ、Φ分别为偏航角、俯仰角、滚转角，由陀螺仪测量；H为电子装置16a的海拔高度。

图5是本申请实施例中立木位置测量方法的流程图；该立木位置测量方法应用于立木位置测量装置，包括步骤：

步骤S501，通过第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的通信，测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；

步骤S502，根据移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算移动装置的位置。

在测量时，森林调查人员手持移动装置依次靠近每一棵待测树木的树干，因此步骤S502中所获得的移动装置的位置为待测树木所在的位置。

由于本实施例中示出的立木位置测量方法应用于立木位置测量装置，相关的内容已经在立木位置测量装置的实施例中进行了详细的描述，这里不再赘述。

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 (10)

1.一种立木位置测量装置，其特征在于，该立木位置测量装置包括：

基站；该基站包括有一支架、四杆件：第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件；所述支架具有一节点，四杆件的一端均固定在节点上，另一端均设置有第一UWB通信模块；第一杆件、第二杆件、第三杆件位于同一水平面内且互成120°角；第四杆件垂直于水平面设置；所述节点位置设置有电子装置；

移动装置；所述移动装置内集成有可与第一UWB通信模块进行通信的第二UWB通信模块；第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间进行通信，以测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；所述移动装置根据与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置。

2.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述移动装置内集成有用于存储测量数据的存储模块。

3.根据权利要求2所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述移动装置上设置有数据传输接口，以便将测量数据上传至上位机中。

4.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述移动装置上设置有用于指示第二UWB通信模块与第一UWB通信模块是否开始通信的指示灯。

5.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述移动装置上还设置有用于交互的显示屏和按键。

6.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述基站的电子装置内还集成有GPS。

7.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p；其中，c为光速，t_p为第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的单程通信时长。

8.根据权利要求1所述的立木位置测量装置，其特征在于，四杆件的长度均为1米；

所述移动装置根据与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算自身位置的计算过程如下：

在4个等式：中每次取3个，共有4种组合；记4种组合通过三元一次方程解出的坐标分别为：(X_n1,Y_n1,Z_n1),(X_n2,Y_n2,Z_n2),(X_n3,Y_n3,Z_n3),(X_n4,Y_n4,Z_n4)；

计算移动装置坐标(X_n,Y_n,Z_n)的计算式如下：

其中，AE_n、BE_n、CE_n、DE_n分别为移动装置距离第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件上的第一UWB通信模块的距离；(X_n,Y_n,Z_n)为移动装置在OXY坐标系中的坐标；OXY坐标系的坐标原点为支架的节点，X轴正向沿第一杆件方向设置，Y轴为X轴沿水平面以俯视角度观察逆时针转90度获得，Z轴正向沿第四杆件方向设置。

9.根据权利要求8所述的立木位置测量装置，其特征在于，所述基站的电子装置内还集成有可测量的欧拉姿态角的陀螺仪和可测量海拔高度的海拔计；

所述移动装置测算自身位置的计算过程还包括：

将移动装置坐标(X_n,Y_n,Z_n)转换至东-北-天坐标系下的坐标(X_n'，Y_n'，Z_n'),转化计算式如下：

其中，ψ、θ、Φ分别为偏航角、俯仰角、滚转角，由陀螺仪测量；H为电子装置的海拔高度。

10.一种立木位置测量方法，其特征在于，该立木位置测量方法应用于立木位置测量装置，包括步骤：

通过第二UWB通信模块与第一UWB通信模块之间的通信，测量移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离；

根据移动装置与基站上各杆件上的第一UWB通信模块之间的距离测算移动装置的位置。

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