CN115166637A - 一种立木空间位置测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立木空间位置测量方法，包括如下步骤：（1）被测立木上设置测距接收终端，（2）飞行器搭载主动测距模块，启动主动测距模块，飞行器在5个以上空间位置移动，在每个空间位置向每株被测立木上接收终端发射信号，信号内容包括主动测距模块的设备编号、信号发送时间和位置坐标；（3）将数据采集终端连接测距接收终端，接收测距接收终端存储的主动测距模块发射信号以及测距接收终端的设备编号和信号接收时间；（4）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置。本发明测量精度可靠，测量速度快速，测量过程简单，可以批量快速完成多立木空间位置测量工作。

Description

一种立木空间位置测量方法
技术领域
本发明属于农林测量器械和仪器技术领域，具体涉及一种立木空间位置测量方法。
背景技术
掌握林分立木空间位置，可以用于获取林分密度及了解林木竞争关系，对于优化森林经营方案，提升林分结构和质量具有重要作用。目前对于立木空间位置的测量常使用罗盘仪或是全站仪按三角测量方法进行，费力耗时，测量速度和准确度较低，新方法集中在使用激光雷达、手机图像识别等方法，设备价格昂贵，计算处理流程复杂。
综上所述，亟需提供一种测量精度可靠，测量速度快，测量过程简单，可以批量快速完成多立木空间位置测量的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度可靠，测量速度快，测量过程简单，可以批量快速完成多立木空间位置测量的方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种立木空间位置测量方法，包括如下步骤：
（1）被测立木上设置测距接收终端；
（2）飞行器搭载主动测距模块，启动主动测距模块，飞行器在5个以上空间位置移动，所述主动测距模块在每个空间位置向每株被测立木上测距接收终端发射信号，信号内容包括主动测距模块的设备编号、信号发送时间和位置坐标；
（3）将数据采集终端连接测距接收终端，接收测距接收终端存储的主动测距模块发射信号以及测距接收终端的设备编号和信号接收时间；
（4）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置。
本发明提出一种立木空间位置测量方法，通过在飞行器搭载主动测距模块，在立木上绑定测距接收终端，通过获取飞行器5个以上空间位置的主动测距模块空间坐标，基于欧氏距离建立多元线性方程组反解出接收终端坐标。本发明测量精度可靠，测量速度快速，测量过程简单，可以批量快速完成多立木空间位置测量工作。
进一步的技术方案是，所述步骤（4）中机载主动测距模块到测距接收终端的距离计算公式如下：
Figure 685581DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为飞行器第
Figure 938707DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置时主动测距模块的位置坐标，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为 第
Figure 723867DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为光速，
Figure 378840DEST_PATH_IMAGE008
为第
Figure 397611DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收 终端，对飞行器第
Figure 403613DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置发射信号的接收时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 962771DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收 终端的钟差，
Figure 878774DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器第
Figure 428966DEST_PATH_IMAGE004
个位置时主动测距模块信号发射时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
为机载主动测 距模块的钟差，其中
Figure 532052DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 691638DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 196568DEST_PATH_IMAGE011
为未知量；
其中，飞行器搭载的主动测距模块利用RTK模块，飞行器的空间位置
Figure 681776DEST_PATH_IMAGE012
是时刻 变化且已知，对立木
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
的
Figure 131212DEST_PATH_IMAGE014
测量计算时，测距接收终端的钟差
Figure 969855DEST_PATH_IMAGE009
和测量机载主动测 距模块的钟差
Figure 594871DEST_PATH_IMAGE011
未知，但均为常量，在方程式求解中可以消除，计算方程组如下：
Figure 483937DEST_PATH_IMAGE016
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 420669DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 797423DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
分别为飞行器第1~5个空间 位置主动测距模块的位置坐标，
Figure 136001DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 431853DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 91767DEST_PATH_IMAGE026
分别为第
Figure 272212DEST_PATH_IMAGE006
株被测立 木上测距接收终端，对飞行器第1~5个空间位置发射信号的接收时间，通过上述方程组求解 出立木
Figure 996455DEST_PATH_IMAGE006
测距接收终端的位置坐标
Figure 604154DEST_PATH_IMAGE005
。
进一步的技术方案是，所述主动测距模块包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、RTK模块、计时器和电源模块，微处理器完成数据测量的计算、存储和控制，UWB发射模块发送超宽基带脉冲广播主动测距模块参数，UWB天线对UWB发射模块信号进行放大，RTK模块获取主动测距模块的实时空间位置坐标，存储模块存储微处理器记录数据，计时器用于提供高精度计时，电源模块提供电能；所述步骤（3）中微处理器依据计时器时间，按固定时间间隔驱动UWB发射模块发射无线信号并通过UWB天线放大广播，向测距接收终端传输包括设备编号、发射时计时器时间、发射时RTK模块测定坐标。主动测距模块工作时，微处理器按用户设定时间间隔要求，从RTK模块获取当前空间位置坐标，从计时器获取当前时间，在增加设备编号参数后，由UWB发射模块发射并经UWB天线放大广播。
进一步的技术方案是，所述测距接收终端包括微处理器、UWB接收模块、UWB天线、无线通信模块、计时器和电源模块，微处理器用于完成数据测量的计算、存储和控制，UWB接收模块接收主动测距模块发射无线信号；UWB天线对UWB发射模块信号进行放大；电源模块为微处理器提供电源；无线通信模块用于同数据采集终端连接，完成数据交换；存储模块存储微处理器记录数据；计时器用于提供高精度计时。
所述步骤（3）和步骤（4）中微处理器通过UWB天线和UWB接收模块接收主动测距模块广播的信息和传输参数，微处理器存储设备编号、接收的主动测距模块无线信号、计时器时间到存储模块中。微处理器通过无线通信模块和移动数据终端连接，将存储模块中存储数据交换与数据采集终端存储和计算。
进一步的技术方案是，所述数据采集终端包括具有强大计算、存储、网络能力的手机、平板电脑、笔记本或移动工作站。
进一步的技术方案是，所述飞行器为无人机。
相比于现有技术，本发明中树高测量的结果主要由距离测定的精度决定，UWB测距精度和RTK空间位置坐标精度直接影响空间位置测量精度。目前UWB是无线测距中精度最高的方式，可以达到0.1m精度，无人机RTK模块可以实现1cm水平定位精度，1.5cm的垂直定位精度，5cm的平面建图水平绝对精度，按最低精度决定最终测量精度，本发明中UWB的测距精度决定最终结果精度，最终空间位置可以实现0.1m的定位精度，满足林业调查规划设计中对立木定位精度要求。
其次，在被测立木上固定测距接收终端，放飞载有主动测距模块的无人机，就可以获得测量数据，无需其他测量过程，测量流程简单。由于每个立木测量只需要5个飞行点位，测量数据取决于主动测距模块发生时间间隔，UWB发送脉冲时间间隔极短(小于1ns)，可以实现快速测量。
再次，可以同时对多个立木绑定测距接收终端，可以一次无人机放飞就可以实现大范围、批量的立木空间位置测量，使用移动采集终端连接获取每个测距接收终端数据即可以完成结果计算，可实现批量化测量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的立木空间位置测量方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参照图1，一种立木空间位置测量方法，包括如下步骤：
（1）被测立木上设置测距接收终端，启动测距接收终端；
（2））飞行器搭载主动测距模块，启动主动测距模块，飞行器在5个以上空间位置移动，所述主动测距模块在每个空间位置向每株被测立木上测距接收终端发射信号，信号内容包括主动测距模块的设备编号、信号发送时间和位置坐标；
（3）将数据采集终端连接测距接收终端，接收测距接收终端存储的主动测距模块发射信号以及测距接收终端的设备编号和信号接收时间；
（4）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置。
本发明提出一种立木空间位置测量方法，通过在飞行器搭载主动测距模块，在立木上绑定测距接收终端，通过获取飞行器5个以上空间位置的主动测距模块空间坐标，基于欧氏距离建立多元线性方程组反解出接收终端坐标。本发明测量精度可靠，测量速度快速，测量过程简单，可以批量快速完成多立木空间位置测量工作。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤（4）中机载主动测距模块到测距接收终端的距离计算公式如下：
Figure 922002DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure 765193DEST_PATH_IMAGE003
为飞行器第
Figure 484888DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置时主动测距模块的位置坐标，
Figure 388122DEST_PATH_IMAGE005
为 第
Figure 927687DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 715515DEST_PATH_IMAGE007
为光速，
Figure 647305DEST_PATH_IMAGE008
为第
Figure 596807DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收 终端，对飞行器第
Figure 748303DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置发射信号的接收时间，
Figure 74242DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 362004DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收 终端的钟差，
Figure 747985DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器第
Figure 262143DEST_PATH_IMAGE004
个位置时主动测距模块信号发射时间，
Figure 250828DEST_PATH_IMAGE011
为机载主动测 距模块的钟差，其中
Figure 534042DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 717024DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 718478DEST_PATH_IMAGE011
为未知量；
其中，飞行器搭载的主动测距模块利用RTK模块，飞行器的空间位置
Figure 838749DEST_PATH_IMAGE012
是时刻 变化且已知，对立木
Figure 976470DEST_PATH_IMAGE013
的
Figure 350861DEST_PATH_IMAGE014
测量计算时，测距接收终端的钟差
Figure 574032DEST_PATH_IMAGE009
和测量机载主动测 距模块的钟差
Figure 29153DEST_PATH_IMAGE011
未知，但均为常量，在方程式求解中可以消除，计算方程组如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
式中：
Figure 381899DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 15005DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 991052DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 125230DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 971963DEST_PATH_IMAGE021
分别为飞行器第1~5个空间 位置主动测距模块的位置坐标，
Figure 431763DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 363947DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 301816DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 534214DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 509124DEST_PATH_IMAGE026
分别为第
Figure 817352DEST_PATH_IMAGE006
株被测立 木上测距接收终端，对飞行器第1~5个空间位置发射信号的接收时间，通过上述方程组求解 出立木
Figure 434278DEST_PATH_IMAGE006
测距接收终端的位置坐标
Figure 380237DEST_PATH_IMAGE005
。
主动测距模块，其PCB电路板上包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、电源模块、RTK模块、存储模块、数据接口、计时器。其中微处理器内含内存、计数器、A/D转换等，完成数据测量的计算、存储和控制；UWB发射模块发送超宽基带脉冲广播主动测距模块参数；UWB天线对UWB发射模块信号进行放大；电源模块由锂电池、电源管理芯片和开关组成，为微处理器提供电源；RTK模块获取主动测距模块的实时空间位置坐标；存储模块存储微处理器记录数据；数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用；计时器用于提供高精度计时。模块整体挂载在无人机上。
主动测距模块工作时，微处理器按用户设定时间间隔要求，从RTK模块获取当前空间位置坐标，从计时器获取当前时间，在增加设备编号参数后，由UWB发射模块发射并经UWB天线放大广播。
所述测距接收终端的PCB电路板上包括微处理器、UWB接收模块、UWB天线、电源模块、无线通信模块、存储模块、数据接口、计时器。其中微处理器内含内存、计数器、A/D转换等，完成数据测量的计算、存储和控制；UWB接收模块接收主动测距模块无线信号；UWB天线对UWB发射模块信号进行放大；电源模块由锂电池、电源管理芯片和开关组成，为微处理器提供电源；无线通信模块提供蓝牙/LORA/Wifi无线通信用于同数据采集终端连接，完成数据交换；存储模块存储微处理器记录数据；数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用；计时器用于提供高精度计时。
测距接收终端时，微处理器通过UWB天线和UWB接收模块接收主动测距模块广播的信息和传输参数，微处理器存储设备编号、接收的主动测距模块无线信号、计时器时间到存储模块中。微处理器通过无线通信模块和移动数据终端连接，将存储模块中存储数据交换与数据采集终端存储和计算。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述数据采集终端包括具有强大计算、存储、网络能力的手机、平板电脑、笔记本或移动工作站。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述飞行器为无人机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种立木空间位置测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）被测立木上设置测距接收终端；
（2）飞行器搭载主动测距模块，启动主动测距模块，飞行器在5个以上空间位置移动，所述主动测距模块在每个空间位置向每株被测立木上测距接收终端发射信号，信号内容包括主动测距模块的设备编号、信号发送时间和位置坐标；
（3）将数据采集终端连接测距接收终端，接收测距接收终端存储的主动测距模块发射信号以及测距接收终端的设备编号和信号接收时间；
（4）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置。
2.根据权利要求1所述的立木空间位置测量方法，其特征在于，所述步骤（4）中机载主动测距模块到测距接收终端的距离计算公式如下：
Figure 221996DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为飞行器在第
Figure 139398DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置时主动测距模块的位置坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第
Figure 468749DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为光速，
Figure 870911DEST_PATH_IMAGE008
为第
Figure 133265DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收终 端，对飞行器第
Figure 861050DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置发射信号的接收时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 943275DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上测距接收终 端的钟差，
Figure 149129DEST_PATH_IMAGE010
为飞行器第
Figure 30104DEST_PATH_IMAGE004
个空间位置时主动测距模块信号发射时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为机载主动 测距模块的钟差，其中
Figure 663210DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 232732DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 507855DEST_PATH_IMAGE011
为未知量；
其中，飞行器搭载的主动测距模块利用RTK模块，飞行器的空间位置
Figure 744802DEST_PATH_IMAGE012
是时刻变化 且已知，对立木
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的
Figure 142285DEST_PATH_IMAGE014
测量计算时，测距接收终端的钟差
Figure 340048DEST_PATH_IMAGE009
和测量机载主动测距模 块的钟差
Figure 153283DEST_PATH_IMAGE011
未知，但均为常量，在方程式求解中可以消除，计算方程组如下：
Figure 746201DEST_PATH_IMAGE016
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 580165DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 999645DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
分别为飞行器第1~5个空间位置 主动测距模块的位置坐标，
Figure 944467DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 624847DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 393827DEST_PATH_IMAGE026
分别为第
Figure 300603DEST_PATH_IMAGE006
株被测立木上 测距接收终端，对飞行器第1~5个空间位置发射信号的接收时间，通过上述方程组求解出立 木
Figure 580274DEST_PATH_IMAGE006
测距接收终端的位置坐标
Figure 521686DEST_PATH_IMAGE005
。
3.根据权利要求1或2所述的立木空间位置测量方法，其特征在于，所述主动测距模块包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、RTK模块、计时器和电源模块，微处理器完成数据测量的计算、存储和控制，UWB发射模块发送超宽基带脉冲广播主动测距模块参数，UWB天线对UWB发射模块信号进行放大，RTK模块获取主动测距模块的实时空间位置坐标，存储模块存储微处理器记录数据，计时器用于提供高精度计时，电源模块提供电能；所述步骤（3）中微处理器依据计时器时间，按固定时间间隔驱动UWB发射模块发射无线信号并通过UWB天线放大广播，向测距接收终端传输包括设备编号、发射时计时器时间、发射时RTK模块测定坐标。
4.根据权利要求3所述的立木空间位置测量方法，其特征在于，所述测距接收终端包括微处理器、UWB接收模块、UWB天线、无线通信模块、计时器和电源模块，微处理器用于完成数据测量的计算、存储和控制，UWB接收模块接收主动测距模块发射无线信号；UWB天线对UWB发射模块信号进行放大；电源模块为微处理器提供电源；无线通信模块用于同数据采集终端连接，完成数据交换；存储模块存储微处理器记录数据；计时器用于提供高精度计时。
5.根据权利要求4所述的立木空间位置测量方法，其特征在于，所述数据采集终端包括具有强大计算、存储、网络能力的手机、平板电脑、笔记本或移动工作站。
6.根据权利要求5所述的立木空间位置测量方法，其特征在于，所述飞行器为无人机。
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