CN114279431A

CN114279431A - 一种用于密郁闭度森林的林木位置测量方法及其装置

Info

Publication number: CN114279431A
Application number: CN202111388086.6A
Authority: CN
Inventors: 范光鹏; 齐永良; 王永国; 高超
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本申请涉及一种用于密郁闭度森林的林木位置测量方法及其装置。在郁闭度较高的森林中，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信号被林木冠层遮挡严重。在一些森林调查任务中，林业调查人员需要在郁闭度高、定位信号若的森林中获取准确的树木位置。本发明提供了一种用于较高郁闭度森林环境的林木位置测量方法及其装置。集成智能手机和多种传感器(感应盒子)的装置，并配有专门开的智能空间参数测定软件。基于树木相对位置测量原理处理传感器数据并计算出待测立木的位置，根据“林分观测点转移”的模式进行测量功能得出树木位置。考虑到森林资源监测中面临的存在坡地的情形，从便携性的角度考虑，将多种高精度传感器(包括角度传感器、方向传感器、陀螺仪和激光测距模块)集成在一个便于携带的微小的盒子内。

Description

一种用于密郁闭度森林的林木位置测量方法及其装置

一、技术领域

本发明涉及一种林木位置测量方法，是一种利用智能手机与高精度传感器集成测量林木相对位置的技术方法及其装置。

二、技术背景

森林在维护生态系统平衡、保护环境、应对气候变化、固碳、保持水土和提供森林产品等方面提供了重要作用，掌握和了解详细的森林信息有助于我们加强对森林的保护。其中树木位置对于准确计算和测量森林特征并阐述森林变化是非常必要的，尤其在建立固定样地的工作中需要获取准确的树木位置。早期调查阶段主要使用罗盘获取方位角和测绳获取水平距离的方法测定树木的相对位置。随着GNSS在林业中的应用，基于GNSS的林分定位技术逐渐成熟。因此，基于智能手机的GNSS定位技术在树木密度较大的林分中也会有产生较大的测量误差。

一些研究者利用智能手机具备多种传感器的优势如角度传感器、方向传感器、陀螺仪等，将智能手机应用于森林资源监测中。一些研究者提出了基于智能手机测量林分关键参数，如树种、胸径、树高和树木位置，并将测定的林分参数保存在智能手机的数据库中。一些研究者利用三角函数原理开发了运行在智能手机的树高测量软件，这些研究理论上可以测量精确的几何长度，但是许多智能手机自身的传感器精度如角度传感器和方向传感器存在较大偏差。一般情况下智能手机可以满足大众娱乐或者游戏消费级别的精度，但是应用在森林资源监测等专业领域时，由于智能手机内置的传感器灵敏性不同，会导致测量误差的不稳定。一些研究者利用智能手机的CNSS功能应用在林分定位中，但是此类方法存在较大的局限性，受林分密度影响较大。尤其在一些GNSS信号较弱或者没有信号的森林地区，导致智能手机定位的精度较低或者定位功能无法使用。一些研究者将智能手机、激光测距仪和三脚架进行组合在森林中作业，该方法虽然满足了森林资源调查的功能需求，但是在实际作中也会产生携带性较差的问题，尤其在面临坡地的情况会影响工作人员的观测。智能手机在森林资源调查中发挥了重要的作用，虽然智能手机内部的传感器如陀螺仪、角度传感器等可以满足娱乐或者游戏大众需求，但是在专业的森林资源监测方面测量精度略显不足。很少人研究利用智能手机通过相对定位技术树木位置。也很少人研究以智能手机为平台，发挥摄影测量价格相对低廉的优势将其移植到智能手机中进行森林资源监测。目前基于智能手机监测森林资源的研究中，存在由于传感器精度较低导致测量误差不稳定的问题，也存在着功能单一或者携带性较差的问题。

三、发明内容

在郁闭度较高的森林中，全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)信号被林木冠层遮挡严重。在一些森林调查任务中，林业调查人员需要在郁闭度高、定位信号若的森林中获取准确的树木位置。本发明提供了一种用于高郁闭度森林环境的林木位置测量方法及其装置。

主要发明内容：

1.设计了一种集成智能手机和多种传感器(感应盒子)的装置，并配有专门的林木参数测定软件。通过感应盒子收集到的距离、姿态、方位角等多种高精度的传感器数据，开发了树木相对位置测量算法处理并计算出待测立木的位置，根据“林分观测点转移”的模式逐点进行林木位置的测量。

2.考虑到森林资源监测中面临的存在坡地的情形，从便携性的角度考虑，将多种高精度传感器(包括角度传感器、方向传感器、陀螺仪和激光测距模块)集成在一个便于携带的微小的盒子内——本发明定义为“感应盒子”，“感应盒子”通过磁铁薄片与智能手机的背面紧密连接，这种无缝连接方式使得森林调查人员携带更加方便。

3.感应盒子为本发明测定树木位置提供了多种高精度的传感器数据。通过相对位置测定算法计算出待测立木的位置。首先建立了树木位置坐标系O-xy,坐标系的原点O为第一个观测点。Ox和Oy表示观测点坐标。x和y表示树木坐标，L分别表示计算盒子提供的观测点到树木的距离，α为感应盒子计算的方位角。每棵树木的坐标可以使用三角函数计算，例如第一个树木立木的平面坐标计算方法如下，其他树木坐标计算也使用相似的方法。

还可以通过立木像片测量算法计算单木的胸径和树高。

x，y为像点的像平面坐标，f为智能手机的相机焦距，X，Y，Z为观测点的物方空间坐标，a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为待测树木像片的3个外方位角元素组成的9个方向余弦。

在本文的场景中，物方空间坐标系和像空间坐标系的原点重合，并且摄影中心S和像方空间坐标点、物方空间坐标点在一条直线上，简化旋转矩阵，如下算法。

假定空间点A₁的物方空间点坐标为(X_A,Y_A,Z_A)。通过以下算法可以解算立木像片上像点的物方坐标。

求得(X_i,Y_i,Z_i)为待测立木的物方空间坐标，L代表观测点与待测立木的水平距离。x_i和y_i是像平面坐标(2D)，f是相机的焦距。联立以下公式，得到树高的计算公式。

and the tree height is

式中的x_iy_i对应胸径和树高的像平面坐标，在待测立木的像片上分别选取树顶点A₁和树底点A₂，在S处获取像片上对应的像平面坐标分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，X_i、Y_i、Z_i为待测立木树顶和树底的物方空间点坐标。λ_i为尺度参数

f为智能手机的定焦相机的焦距，L代表观测点与待测树木的水平距离。同理分别在待测树木像片上选取胸径左侧点A₃和右侧点A₄，在S处获取像片上对应的像点坐标(像片平面坐标)分别为(x₃，y₃)和(x₄，y₄)，则使用如下算法计算胸径。

4.通过“林分观测点转移”模式逐点获取林木位置。本文为测量人员设计了一种“林分观测点转移”的观测模式，根据树木密度的大小将待测林分划分为两个或者四个大小相差无几的地块或者人为设立分割标志。观测原则是由低密度的地块向高密度的地块过渡。当划分为两个地块时，应该线先观测树木密度较小的地块。当划分为四个地块时，每个地块所占一个象限。首先将树木密度最小的地块作为第一象限，根据临近的地块树木密度的大小来确定逆时针或者顺时针观测顺序。当整个林分被划分后，测量人员便可以开始针对每棵待测立木的测定工作。当感应盒发射的激光无法投影到树干时，测量人员可以更换站立的位置并设立第二观测点，第二观测点的选择依据和第一个观测点(原点)相同。使用感应盒子提供的距离数据L以及根据前一棵树木的坐标或者附近已经测量的树木坐标去反算第二观测点坐标，然后继续观测。根据实际需要，第三或者第四观测点设置方式以此类推。

本发明与现有方法相比具有以下优点：

(1)普通激光测距仪注重获取距离，无法获取姿态数据。本发明的装置不仅具有激光测距功能，还有姿态测量功能。普通的激光测距仪无法做到和智能手机无缝连接，测量人员需要单独智能手机和激光测距仪，它们的组合无法被作为一个整体；

(2)大多数方法在GNSS信号较弱时，无法获取准确的树木位置。本发明获取的树木相对位置，可以转成GNSS绝对位置。本发明只需测量一次观测点与待测立木的水平距离，测距的精度非常高并且误差波动较小。

(3)本发明还可以用于测量树木的胸径和树高。三角函数测树算法需要分别测量观测点与树顶和树底之间的角度，需要先求出树高再利用其他算法计算胸径。本发明通过改进的单片摄影测量算法，在拍摄一张包含立木完整信息的照片后同时测量胸径和树高。

四、附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1为感应盒子构造示意图；

图2为集成了感应盒子的智能手机测量树木示意图；

图3林分观测点转移示意图；

图4树木相对位置示意图；

图5发明装置附带的树木相对位置测定软件。

五、具体实施方式：

基于感应盒子与智能手机集成装置，采用树木位置计算方法获得林木相对位置。本发明具体实施方式如下:

(1)打开运行在智能手机中的程序，接受并处理“感应盒”内的传感器数据，并且可以计算待测立木的相对位置。该应用程序使用感应盒子提供的距离和方位角来计算树木的相对位置，使用陀螺仪的数据去校准智能手机的相机并获取固定焦距。

(2)将调查人员所在的位置设定为原点，打开智能手机中的林分测定软件并进入测量功能的相机拍摄界面，连接感应盒子并将激光水平投影在树干上任意处。当激光点出现在相机的界面中，在尽可能保持手臂稳定的同时点击“确定”按钮。

(3)实施“林分观测点转移”模式。通过林木相对位置测定算法和立木像片测量算法处理智能手机收集到的感应盒子提供传感器数据，并分别计算出待测立木的位置。

(4)在树干或者树梢被遮挡时，采用“林分观测点转移”的模式进行地块划分。感应盒发射的激光无法投影到树干时，更换站立的位置设立第二观测点继续观测。

Claims

1.设计了一种集成智能手机和多种传感器(感应盒子)的装置，并配有专门的林木参数测定软件，通过设计的相对位置测量原理处理通过智能手机收集到的传感器数据并计算出待测立木的位置，根据“林分观测点转移”的模式逐点获取林木位置。

2.根据权利要求1所述的集成传感器，考虑到森林资源监测中面临的存在坡地的情形，从便携性的角度考虑，将多种高精度传感器(包括角度传感器、方向传感器、陀螺仪和激光测距模块)集成在一个便于携带的微小的盒子内——本发明定义为“感应盒子”，“感应盒子”通过磁铁薄片与智能手机的背面紧密连接，这种连接方式使得森林工作者携带更加方便。

3.根据权利要求1所述的林木参数测定软件，是为发明装置配备的一款运行在智能手机中的林木参数测定软件，它可以接受并处理“感应盒”内的传感器数据，并且可以计算立木的相对位置、胸径和树高，在Windows 10操作系统下，构建了基于Android Studio 3.3+AndroidSDK(Java开发工具包)+Java JDK 8(Java开发工具包)+ADT(Android开发工具)的应用程序开发环境，使用Java语言编写林分测定软件，软件运行在基于Android操作系统的智能手机(Android 4.4或更高版本)，该应用程序使用感应盒子提供的距离和方位角来计算树木的相对位置，并使用陀螺仪的数据去校准智能手机的相机并获取固定焦距。

4.根据权利要求1所述的通过相对位置测定算法和立木像片测量算法处理智能手机收集到的传感器数据，并分别计算出待测立木的位置、胸径和树高，感应盒子为本发明测定树木位置提供了距离、姿态、方位角等多种高精度的传感器数据。

5.根据权利要求1所述的“林分观测点转移”，即为据树木密度的大小将待测林分划分为两个或者四个大小相差无几的地块或者人为设立分割标志，观测原则是由低密度的地块向高密度的地块过渡，当划分为两个地块时，应该线先观测树木密度较小的地块，当划分为四个地块时，每个地块所占一个象限，首先将树木密度最小的地块作为第一象限，根据临近的地块树木密度的大小来确定逆时针或者顺时针观测顺序，当整个林分被划分后，测量人员便可以开始针对每棵待测立木的测定工作，当感应盒发射的激光无法投影到树干时，测量人员可以更换站立的位置并设立第二观测点，第二观测点的选择依据和第一个观测点(原点)相同，使用感应盒子提供的距离数据以及根据前一棵树木的坐标或者附近已经测量的树木坐标去反算第二观测点坐标，然后继续观测，根据实际需要，第三或者第四观测点设置方式以此类推。