CN110736961B - 一种树木位置的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种树木位置的测量系统及方法，涉及树木位置测量技术领域，该树木位置的测量系统包括：设置于四个不同位置的四个锚点、设置于待测树木位置的主装置；四个锚点为：第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点；其中，任意三个锚点之间不共线；每个锚点上均设置有第一通信模块；主装置上设置有海拔计和第二通信模块；海拔计用于测量主装置自身的海拔高度；第二通信模块用于与第一通信模块进行无线通信以测量主装置与各个锚点之间的距离；主装置可根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置，测量过程实现成本较低，且快捷高效。

Description

一种树木位置的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及树木位置测量技术领域，尤其涉及一种树木位置的测量系统及方法。

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。

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，提出一种树木位置的测量系统及方法，在测量树木位置分布时快捷高效且成本较低。

该树木位置的测量系统包括：

设置于四个不同位置的四个锚点：第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点；其中，任意三个锚点之间不共线；每个锚点上均设置有第一通信模块；

设置于待测树木位置的主装置；所述主装置上设置有海拔计和第二通信模块；所述海拔计用于测量主装置自身的海拔高度；所述第二通信模块用于与第一通信模块进行无线通信以测量主装置与各个锚点之间的距离；

所述主装置可根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置。

进一步地，所述第一通信模块和第二通信模块均为UWB通信模块；

主装置与各个锚点的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p，其中，c为光速，t_p为锚点与主装置之间的单程通信时长。

进一步地，所述主装置上还设置有用于存储测量数据的存储卡。

进一步地，所述主装置上还设置有用于将存储卡中存储的测量数据上传的蓝牙通信模块。

进一步地，所述主装置上还设置有用于显示测量数据的显示屏。

进一步地，所述主装置自身位置的坐标计算式如下：

坐标点Q_n(X_n,Y_n)为主装置在OXY水平坐标系中的位置，该OXY水平坐标系的原点O为第一锚点的所在位置，X轴正方向指向第二锚点；

其中，a_n为主装置与第一锚点之间的水平距离；b_n为主装置与第二锚点之间的水平距离；c_n为主装置与第三锚点之间的水平距离；d_n为主装置与第四锚点之间的水平距离；

式中，A_n为主装置与第一锚点之间的距离；B_n为主装置与第二锚点之间的距离；C_n为主装置与第三锚点之间的距离；D_n为主装置与第四锚点之间的距离；H_n为主装置自身的海拔高度，由主装置自身的海拔计测量获得；H_A为第一锚点的海拔高度；H_B为第二锚点的海拔高度；H_C为第三锚点的海拔高度；H_D为第四锚点的海拔高度；

其中，确定X₁,Y₁的方程组为：

确定X₂,Y₂的方程组为：

确定X₃,Y₃满的方程组为：

确定X₄,Y₄的方程组为：

其中，(X_A,Y_A)为第一锚点的坐标位置、(X_B,Y_B)为第二锚点的坐标位置、(X_C,Y_C)为第三锚点的坐标位置、(X_D,Y_D)为第四锚点的坐标位置；

(X_A,Y_A)＝(0,0)

(X_B,Y_B)＝(0,dis_AB)

式中，dis_AB为第一锚点与第二锚点之间的水平距离；dis_BC为第二锚点与第三锚点之间的水平距离；dis_AC为第一锚点与第三锚点之间的水平距离；dis_AD为第一锚点与第四锚点之间的水平距离；dis_BD为第二锚点与第四锚点之间的水平距离。

进一步地，第一锚点与第二锚点之间的水平距离dis_AB、第二锚点与第三锚点之间的水平距离dis_BC、第一锚点与第三锚点之间的水平距离dis_AC、第一锚点与第四锚点之间的水平距离dis_AD、第二锚点与第四锚点之间的水平距离dis_BD的计算式如下：

式中，Dis_AB为第一锚点与第二锚点之间的距离；Dis_BC为第二锚点与第三锚点之间的距离；Dis_AC为第一锚点与第三锚点之间的距离；Dis_AD为第一锚点与第四锚点之间的距离；Dis_BD为第二锚点与第四锚点之间的距离。

另一方面，本申请还提出了一种树木位置的测量方法，该树木位置的测量方法应用于主装置，所述主装置测量时设置于待测树木的位置，该树木位置的测量方法包括步骤：

与设置于四个不同位置的四个锚点进行无线通信，以测量主装置与各个锚点之间的距离；

获取海拔计测量的主装置自身的海拔高度；

根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算主装置自身所在的位置。

进一步地，所述无线通信为UWB通信。

在本申请中，该树木位置的测量系统具有设置于四个不同位置的四个锚点、设置于待测树木位置的主装置，所述主装置可根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置，测量过程实现成本较低，且快捷高效。

附图说明

图1是本申请实施例中一种树木位置的测量系统的示意框图。

图2是本申请实施例示中四个锚点的布置示意图。

图3是本申请实施例示中主装置的示意框图。

图4是本申请实施例示中锚点的示意框图。

图5是本申请实施例示中四个锚点空间位置的示意图。

图6是本申请实施例示中四个锚点水平投影位置的示意图。

图7是本申请实施例示中主装置位置估算的辅助几何图。

图8是本申请实施例示中主装置位置估算的另一辅助几何图。

图9是本申请实施例示中一种树木位置的测量方法的流程图。

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。

图1是本申请实施例示出的一种树木位置的测量系统的示意框图。参考图1，该树木位置的测量系统包括：设置于四个不同位置的四个锚点、设置于待测树木位置的主装置10；其中，四个锚点为：第一锚点21、第二锚点22、第三锚点23、第四锚点24；任意三个锚点之间不共线；每个锚点上均设置有第一通信模块；主装置10上设置有海拔计和第二通信模块；所述海拔计用于测量主装置10自身的海拔高度；所述第二通信模块用于与第一通信模块进行无线通信以测量主装置10与各个锚点之间的距离；主装置10可根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置。

在本实施例中，测量树木位置时，主装置10放置在待测树木的位置上。

主装置10通过无线通信测算与各个锚点之间的距离，并通过内部的海拔计测算自身的海拔高度，进而根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置，即待测树木所在的位置。上述测量过程实现成本较低，且快捷高效。

需要说明的是，第一锚点21、第二锚点22、第三锚点23、第四锚点24是固定不动的，因此，可事先对他们的坐标和海拔高度进行测量，以用于计算主装置10所在的位置。

参考图2，四个锚点的布置过程如下：首先，将第一锚点布置在样方的某一顶点，通过设备记录下第一锚点的海拔；再步行样方的另一顶点布置第二锚点，通过设备记录下第二锚点的海拔，以及第一锚点与第二锚点之间的距离；再步行样方的另一点布置第三锚点，通过设备记录下第三锚点的海拔、第三锚点与第一锚点之间的距离、第三锚点与第二锚点之间的距离；最后步行样方的另一点布置第四锚点，通过设备记录下第四锚点的海拔、第四锚点与第一锚点之间的距离、第四锚点与第二锚点之间的距离。

参考图3，主装置10具体可包括：微处理器11、存储卡12、蓝牙通信模块13、UWB通信模块14、显示屏15、按键16、海拔计17、电源模块；其中，电源模块包括：锂电池、电源管理芯片、开关。

在一些实施方式中，参考图3，存储卡12用于存储测量数据、蓝牙通信模块13用于将存储卡中存储的测量数据上传、显示屏15用于显示测量数据。具体地，存储卡12可用于存储历史的测量数据，以供操作人员调取查看；蓝牙通信模块13可用于将测量数据上传至终端设备，例如个人计算机、服务器或智能手机；显示屏可用于在测量之后立刻显示测量结果，以便操作人员能够马上看到测量结果。

参考图4，锚点20具体可包括：UWB通信模块21、电源22。

在一些实施方式中，第一通信模块和第二通信模块均为UWB通信模块；第一通信模块为UWB通信模块21，第二通信模块为UWB通信模块14，两者之间可进行通信，信号以光速直线传播。主装置10与各个锚点的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p，其中，c为光速，t_p为锚点与主装置10之间的单程通信时长。

参考图5和图6，第一锚点A的海拔高度为H_A；第二锚点B的海拔高度为H_B；第三锚点C的海拔高度为H_C；第四锚点D的海拔高度为H_D；Dis_AB为第一锚点A与第二锚点B之间的距离；Dis_BC为第二锚点B与第三锚点C之间的距离；Dis_AC为第一锚点A与第三锚点C之间的距离；Dis_AD为第一锚点A与第四锚点D之间的距离；Dis_BD为第二锚点B与第四锚点D之间的距离。dis_AB为第一锚点A与第二锚点B之间的水平距离；dis_BC为第二锚点B与第三锚点C之间的水平距离；dis_AC为第一锚点A与第三锚点C之间的水平距离；dis_AD为第一锚点A与第四锚点D之间的水平距离；dis_BD为第二锚点B与第四锚点D之间的水平距离。

其中，

如图6所示，OXY水平坐标系的原点O为第一锚点A的所在位置，X轴正方向指向第二锚点B。(X_A,Y_A)为第一锚点A的坐标位置、(X_B,Y_B)为第二锚点B的坐标位置、(X_C,Y_C)为第三锚点C的坐标位置、(X_D,Y_D)为第四锚点D的坐标位置；

(X_A,Y_A)＝(0,0)

(X_B,Y_B)＝(0,dis_AB)

进一步地，主装置自身位置在OXY水平坐标系的坐标为(X_n,Y_n)，其计算式如下：

坐标点Q_n(X_n,Y_n)为主装置10在OXY水平坐标系中的位置，该OXY水平坐标系的原点O为第一锚点A的所在位置，X轴正方向指向第二锚点B；

其中，a_n为主装置10与第一锚点A之间的水平距离；b_n为主装置10与第二锚点B之间的水平距离；c_n为主装置10与第三锚点C之间的水平距离；d_n为主装置10与第四锚点D之间的水平距离；

式中，A_n为主装置10与第一锚点A之间的距离；B_n为主装置10与第二锚点B之间的距离；C_n为主装置10与第三锚点C之间的距离；D_n为主装置10与第四锚点D之间的距离；H_n为主装置10自身的海拔高度，由主装置10自身的海拔计测量获得；H_A为第一锚点A的海拔高度；H_B为第二锚点B的海拔高度；H_C为第三锚点C的海拔高度；H_D为第四锚点D的海拔高度。

其中，确定X₁,Y₁的方程组为：

确定X₂,Y₂的方程组为：

确定X₃,Y₃满的方程组为：

确定X₄,Y₄的方程组为：

上述计算式中，A_n、B_n、C_n、D_n为主装置通过与各个锚点进行无线通信进行测算得到，H_n为主装置10自身的海拔高度，由主装置10自身的海拔计测量获得。

需要说明的是，由于在森林调查的实际环境中,无线信号有可能会受到人体躯干、树木的干扰，传播途中会发生反射、绕射和散射,从而引起信号的衰减，造成通信时间略微变长，因此将导致测量获得的A_n、B_n、C_n、D_n的值比实际值略微偏长，a_n、b_n、c_n、d_n也会相应的偏长，因此，图7中的四个圆不会交于一点。

如图7所示，圆A以第一锚点A的位置为圆心，a_n为半径；圆B以第二锚点B的位置为圆心，b_n为半径；圆C以第三锚点C的位置为圆心，c_n为半径；圆D以第一锚点D的位置为圆心，d_n为半径；由于误差作用四个圆没有相交于主装置的位置点。

参考图8，从图7中的四个圆中选择三个圆，圆A、圆B、圆C，圆A和圆B相交形成的公共弦线为L2、圆A和圆C相交形成的公共弦线为L3、圆B和圆C相交形成的公共弦线为L1；L1、L2、L3相交于(X₁,Y₁)，三条直线的方程组为：

通过上述解上述方程组即可获得交点(X₁,Y₁)的坐标。

进一步地，从图7中的四个圆具有四中组合，从而可求得四个交点，即(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)、(X₄,Y₄)，通过加权计算获得最后的估算坐标点。

本申请实施例还示出了一种树木位置的测量方法，该树木位置的测量方法应用于树木位置的测量系统的主装置，所述主装置测量时设置于待测树木的位置。参考图9，该树木位置的测量方法包括步骤：

步骤S901，与设置于四个不同位置的四个锚点进行无线通信，以测量主装置与各个锚点之间的距离；

步骤S902，获取海拔计测量的主装置自身的海拔高度；

步骤S903，根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算主装置自身所在的位置。

进一步地，所述无线通信为UWB通信。

本实施例中，树木位置的测量方法应用于树木位置的测量系统，具体细节内容可参见树木位置的测量系统的实施例部分的内容，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 (8)

1.一种树木位置的测量系统，其特征在于，该树木位置的测量系统包括：

设置于四个不同位置的四个锚点：第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点；其中，任意三个锚点之间不共线；每个锚点上均设置有第一通信模块；

设置于待测树木位置的主装置；所述主装置上设置有海拔计和第二通信模块；所述海拔计用于测量主装置自身的海拔高度；所述第二通信模块用于与第一通信模块进行无线通信以测量主装置与各个锚点之间的距离；

所述主装置可根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算自身所在的位置；

所述主装置自身位置的坐标计算式如下：

坐标点Q_n(X_n,Y_n)为主装置在OXY水平坐标系中的位置，该OXY水平坐标系的原点O为第一锚点的所在位置，X轴正方向指向第二锚点；

其中，a_n为主装置与第一锚点之间的水平距离；b_n为主装置与第二锚点之间的水平距离；c_n为主装置与第三锚点之间的水平距离；d_n为主装置与第四锚点之间的水平距离；

式中，A_n为主装置与第一锚点之间的距离；B_n为主装置与第二锚点之间的距离；C_n为主装置与第三锚点之间的距离；D_n为主装置与第四锚点之间的距离；H_n为主装置自身的海拔高度，由主装置自身的海拔计测量获得；H_A为第一锚点的海拔高度；H_B为第二锚点的海拔高度；H_C为第三锚点的海拔高度；H_D为第四锚点的海拔高度；

其中，确定X₁,Y₁的方程组为：

确定X₂,Y₂的方程组为：

确定X₃,Y₃满的方程组为：

确定X₄,Y₄的方程组为：

其中，(X_A,Y_A)为第一锚点的坐标位置、(X_B,Y_B)为第二锚点的坐标位置、(X_C,Y_C)为第三锚点的坐标位置、(X_D,Y_D)为第四锚点的坐标位置；

(X_A,Y_A)＝(0,0)

(X_B,Y_B)＝(0,dis_AB)

式中，dis_AB为第一锚点与第二锚点之间的水平距离；dis_BC为第二锚点与第三锚点之间的水平距离；dis_AC为第一锚点与第三锚点之间的水平距离；dis_AD为第一锚点与第四锚点之间的水平距离；dis_BD为第二锚点与第四锚点之间的水平距离。

2.根据权利要求1所述的树木位置的测量系统，其特征在于，所述第一通信模块和第二通信模块均为UWB通信模块；

主装置与各个锚点的距离Dis的计算式为：Dis＝c×t_p，其中，c为光速，t_p为锚点与主装置之间的单程通信时长。

3.根据权利要求1所述的树木位置的测量系统，其特征在于，所述主装置上还设置有用于存储测量数据的存储卡。

4.根据权利要求3所述的树木位置的测量系统，其特征在于，所述主装置上还设置有用于将存储卡中存储的测量数据上传的蓝牙通信模块。

5.根据权利要求1所述的树木位置的测量系统，其特征在于，所述主装置上还设置有用于显示测量数据的显示屏。

6.根据权利要求1所述的树木位置的测量系统，其特征在于，第一锚点与第二锚点之间的水平距离dis_AB、第二锚点与第三锚点之间的水平距离dis_BC、第一锚点与第三锚点之间的水平距离dis_AC、第一锚点与第四锚点之间的水平距离dis_AD、第二锚点与第四锚点之间的水平距离dis_BD的计算式如下：

式中，Dis_AB为第一锚点与第二锚点之间的距离；Dis_BC为第二锚点与第三锚点之间的距离；Dis_AC为第一锚点与第三锚点之间的距离；Dis_AD为第一锚点与第四锚点之间的距离；Dis_BD为第二锚点与第四锚点之间的距离。

7.一种树木位置的测量方法，其特征在于，该树木位置的测量方法应用于权利要求1-6任一项所述的树木位置的测量系统，所述主装置测量时设置于待测树木的位置，该树木位置的测量方法包括步骤：

与设置于四个不同位置的四个锚点进行无线通信，以测量主装置与各个锚点之间的距离；

获取海拔计测量的主装置自身的海拔高度；

根据自身的海拔高度，以及与各个锚点之间的距离计算主装置自身所在的位置。

8.根据权利要求7所述的树木位置的测量方法，其特征在于，所述无线通信为UWB通信。

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