CN115308724B - 一种立木树高测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立木树高测量方法，包括如下步骤：（1）被测立木上设置测距接收终端；（2）飞行器上搭载主动测距模块，测量计算每个被测立木的空间位置；（3）依据测量计算的立木空间位置，飞行器依次飞行到每个被测立木空间位置的上方预定点位停留并测量主动测距模块至树梢距离，主动测距模块将包括测量数据、测量处的位置坐标信息发送至被测立木上的测距接收终端；（4）将数据采集终端连接测距接收终端，获取接收终端存储的数据；（5）计算被测立木树高。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树高测量工作。

Description

一种立木树高测量方法
技术领域
本发明属于农林测量器械和仪器技术领域，具体涉及一种立木树高测量方法。
背景技术
树高是立地质量的指标因子，是重要的测树因子，但对树高的测量并不容易，尤其是对林分紧密、树冠紧密相邻的同龄林中，很难确定立木的主干树梢位置。目前树高测量仪器主要使用相似三角形或是三角函数测量方法，需要进行望稍和测量水平距，工序复杂，测量精度不高，计算复杂。实际工作中主要采用立木胸径和树高曲线模拟生成树高。
综上所述，亟需提供一种测量精度可靠，测量速度快速，测量过程简单，可以批量快速完成多立木树高测量工作的立木树高测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量精度可靠，测量速度快速，测量过程简单，可以批量快速完成多立木树高测量工作的立木树高测量方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种立木树高测量方法，包括如下步骤：
（1）被测立木上设置测距接收终端；
（2）飞行器上搭载主动测距模块，测量计算每个被测立木的空间位置；
（3）依据测量计算的立木空间位置，飞行器依次飞行到每个被测立木空间位置的上方预定点位停留并测量主动测距模块至树梢距离，主动测距模块将包括测量数据、测量处的位置坐标信息发送至被测立木上的测距接收终端；
（4）将数据采集终端连接测距接收终端，获取接收终端存储的数据；
（5）计算被测立木树高；
（5.1）数据归类和标记：依据步骤（2）中获得的立木的坐标位置以及步骤（3）中的数据接收终端存储的测量处的主动测距模块的坐标位置，对在限定平面坐标范围内的测量数据集认定为一组数据，对此组测量数据按立木编号进行标记；
（5.2）树高计算公式为：
Figure 962701DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 906387DEST_PATH_IMAGE002
为立木高度，
Figure 465544DEST_PATH_IMAGE003
为主动测距模块到测距接收终端的距离，
Figure 194597DEST_PATH_IMAGE004
为主动测距模块到树梢的距离，
Figure 915428DEST_PATH_IMAGE005
为测距接收终端到地面的距离，
Figure 549672DEST_PATH_IMAGE004
由步骤（3）中测得，
Figure 646941DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式为：
Figure 479768DEST_PATH_IMAGE006
Figure 387812DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 306089DEST_PATH_IMAGE008
分别为步骤（5.1）中同组数据中的测量处主动测距模块的 位置坐标和第
Figure 207049DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 832066DEST_PATH_IMAGE005
的数据通过实测已知。
进一步的技术方案是，所述步骤（2）中测量步骤具体如下：
（2.1）飞行器在5个以上空间位置移动，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；
（2.2）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；
（2.3）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置：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 160279DEST_PATH_IMAGE010
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为飞行器在第
Figure 844813DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置时主动测距模块的位置坐标，
Figure 549464DEST_PATH_IMAGE008
为 第
Figure 294566DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 793681DEST_PATH_IMAGE013
为光速，
Figure 437283DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 680045DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终 端，对飞行器第
Figure 76392DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置发射信号的接收时间，
Figure 949670DEST_PATH_IMAGE015
为第
Figure 64256DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终端 的钟差，
Figure 595863DEST_PATH_IMAGE016
为飞行器第
Figure 377874DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置时主动测距模块信号发射时间，
Figure 218791DEST_PATH_IMAGE017
为机载主动测距 模块的钟差，其中
Figure 23936DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 608501DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 995751DEST_PATH_IMAGE017
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 7570DEST_PATH_IMAGE018
是时刻 变化且已知，对立木
Figure 34432DEST_PATH_IMAGE019
的
Figure 422688DEST_PATH_IMAGE020
测量计算时，测距接收终端的钟差
Figure 913712DEST_PATH_IMAGE015
和测量机载主动测 距模块的钟差
Figure 867672DEST_PATH_IMAGE017
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 444146DEST_PATH_IMAGE021
式中：
Figure 573776DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 450466DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 820398DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 618590DEST_PATH_IMAGE026
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 551911DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 486369DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 276470DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 578270DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 846440DEST_PATH_IMAGE031
分别为第
Figure 104246DEST_PATH_IMAGE009
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 65249DEST_PATH_IMAGE009
测 距接收终端的位置坐标
Figure 838033DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步的技术方案是，所述主动测距模块包括激光测距模块，所述步骤（3）中采用激光测距模块垂直测量主动测距模块至树梢的距离。
进一步的技术方案是，所述主动测距模块还包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、电源模块、RTK模块、存储模块、数据接口、计时器和指示灯，所述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，数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用。
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，从激光测距模块获取当前主动测距模块距离障碍物距离，在增加设备编号参数后，由UWB发射模块经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、存储模块、数据接口和电源模块，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；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。
测距接收终端工作时，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、接收主动测距模块参数、计时器时间到存储模块中。微处理器通过无线通信模块和数据采集终端连接，将存储模块中存储数据交换与数据采集终端存储。
进一步的技术方案是，所述步骤（3）的测量步骤如下：
（3.1）主动测距模块实时接收并存储激光测距模块记录的测量距离；
（3.2）主动测距模块固定时间向外广播发射信号和参数：主动测距模块的微处理器依据计时器时间，按固定间隔驱动UWB发射模块通过UWB天线发射无线信号，向测距接收终端传输设备编号、UWB发射模块发射时计时器时间、UWB发射模块发射时RTK模块测定坐标以及激光测距模块测量的距离值。
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，本发明的优势在于：
无线测距精度高：
本发明中树高测量的结果由距离测定精度决定，UWB测距精度和RTK空间位置坐标采集直接影响距离测量精度。目前UWB是无线测距方法中精度最高的方式，可以达到0.1m精度，激光测距可以实现±2mm测量精度，按最低精度决定测量精度，本发明中UWB的测距精度决定最终结果的精度，目前UWB可以实现0.1m的测量精度，满足林业调查规划设计中对立木高度精度要求。
测量流程简单，实现快速测量：
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。
可以批量测量和计算：
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、批量立木的树高测量，使用移动采集终端使用手动或是自动连接方式获取每个测距接收终端的存储数据即可以完成立木树高的测量。
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的原理示意图；
图2为本发明一种实施方式所涉及的立木树高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，图2，一种立木树高测量方法，包括如下步骤：
（1）被测立木上设置测距接收终端；
（2）飞行器上搭载主动测距模块，测量计算每个被测立木的空间位置；
（2.1）飞行器在5个以上空间位置移动，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；
（2.2）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；
（2.3）求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置：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 660626DEST_PATH_IMAGE010
式中：
Figure 38518DEST_PATH_IMAGE011
为飞行器在第
Figure 904843DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置时主动测距模块的位置坐标，
Figure 430502DEST_PATH_IMAGE008
为第
Figure 40475DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 817414DEST_PATH_IMAGE013
为光速，
Figure 57902DEST_PATH_IMAGE014
为第
Figure 805278DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接 收终端，对飞行器第
Figure 484521DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置发射信号的接收时间，
Figure 368164DEST_PATH_IMAGE015
为第
Figure 45133DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收 终端的钟差，
Figure 764958DEST_PATH_IMAGE016
为飞行器第
Figure 716734DEST_PATH_IMAGE012
个空间位置时主动测距模块信号发射时间，
Figure 720462DEST_PATH_IMAGE017
为机载主 动测距模块的钟差，其中
Figure 365070DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 572191DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 530920DEST_PATH_IMAGE017
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 389155DEST_PATH_IMAGE018
是时刻 变化且已知，对立木
Figure 470243DEST_PATH_IMAGE019
的
Figure 413928DEST_PATH_IMAGE020
测量计算时，测距接收终端的钟差
Figure 458239DEST_PATH_IMAGE015
和测量机载主动测距 模块的钟差
Figure 374242DEST_PATH_IMAGE017
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 360653DEST_PATH_IMAGE032
式中：
Figure 57213DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 154482DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 924992DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 830107DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 748384DEST_PATH_IMAGE026
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 649344DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 539940DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 868153DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 758880DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 729110DEST_PATH_IMAGE031
分别为第
Figure 270950DEST_PATH_IMAGE009
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 973326DEST_PATH_IMAGE009
测距接收终端的位置坐标
Figure 600617DEST_PATH_IMAGE008
。
（3）依据测量计算的立木空间位置，飞行器依次飞行到每个被测立木空间位置的上方预定点位停留并测量主动测距模块至树梢距离，主动测距模块将包括测量数据、测量处的位置坐标信息发送至被测立木上的测距接收终端；
（3.1）主动测距模块实时接收并存储激光测距模块记录的测量距离；
（3.2）主动测距模块固定时间向外广播发射信号和参数：主动测距模块的微处理器依据计时器时间，按固定间隔驱动UWB发射模块通过UWB天线发射无线信号，向测距接收终端传输设备编号、UWB发射模块发射时计时器时间、UWB发射模块发射时RTK模块测定坐标以及激光测距模块测量的距离值。
（4）将数据采集终端连接测距接收终端，获取接收终端存储的数据；
（5）计算被测立木树高；
（5.1）数据归类和标记：依据步骤（2）中获得的立木的坐标位置以及步骤（3）中的数据接收终端存储的测量处的主动测距模块的坐标位置，对在限定平面坐标范围内的测量数据集认定为一组数据，对此组测量数据按立木编号进行标记；
（5.2）树高计算公式为：
Figure 594112DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 256037DEST_PATH_IMAGE002
为立木高度，
Figure 129315DEST_PATH_IMAGE003
为主动测距模块到测距接收终端的距离，
Figure 243902DEST_PATH_IMAGE004
为主动测距模块到树梢的距离，
Figure 24776DEST_PATH_IMAGE005
为测距接收终端到地面的距离，
Figure 557520DEST_PATH_IMAGE004
由步骤（3）中 测得，
Figure 398437DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式为：
Figure 319DEST_PATH_IMAGE006
Figure 788147DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 159085DEST_PATH_IMAGE008
分别为步骤（5.1）中同组数据中的测量处主动测距模块的位 置坐标和第
Figure 184286DEST_PATH_IMAGE009
株被测立木上测距接收终端的位置坐标，
Figure 7885DEST_PATH_IMAGE005
的数据通过实测已知。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述主动测距模块包括激光测距模块，所述步骤（3）中采用激光测距模块垂直测量主动测距模块至树梢的距离。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述主动测距模块还包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、电源模块、RTK模块、存储模块、数据接口、计时器和指示灯，所述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，数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用。
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，从激光测距模块获取当前主动测距模块距离障碍物距离，在增加设备编号参数后，由UWB发射模块经UWB天线放大广播。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，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、存储模块、数据接口和电源模块，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；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。
测距接收终端工作时，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、接收主动测距模块参数、计时器时间到存储模块中。微处理器通过无线通信模块和数据采集终端连接，将存储模块中存储数据交换与数据采集终端存储。
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。
进一步的技术方案是，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 (7)

1.一种立木树高测量方法，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)飞行器上搭载主动测距模块，测量计算每个被测立木的空间位置；
(2.1)飞行器在5个以上空间位置移动，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；
(2.2)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；
(2.3)求解测距接收终端坐标，确定立木空间位置：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 FDA0004255971570000011
式中：(xn，yn，zn)为飞行器在第n个空间位置时主动测距模块的位置坐标，(Xi，Yi，Zi)为第i株被测立木上测距接收终端的位置坐标，c为光速，TreeTin为第i株被测立木上测距接收终端，对飞行器第n个空间位置发射信号的接收时间，TreeΔTi为第i株被测立木上测距接收终端的钟差，UVAtn为飞行器第n个空间位置时主动测距模块信号发射时间，UVAΔt为机载主动测距模块的钟差，其中(Xi，Yi，Zi)，TreeΔTi，UVAΔt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(xn，yn，zn)是时刻变化且已知，对立木i的(Xi，Yi，Zi)测量计算时，测距接收终端的钟差TreeΔTi和测量机载主动测距模块的钟差UVAΔt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 FDA0004255971570000012
式中：(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z3)、(x5，y5，z5)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，TreeTi1、TreeTi2、TreeTi3、TreeTi4、TreeTi5分别为第i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i测距接收终端的位置坐标(Xi，Yi，Zi)；
(3)依据测量计算的立木空间位置，飞行器依次飞行到每个被测立木空间位置的上方预定点位停留并测量主动测距模块至树梢距离，主动测距模块将包括测量数据、测量处的位置坐标信息发送至被测立木上的测距接收终端；
(4)将数据采集终端连接测距接收终端，获取接收终端存储的数据；
(5)计算被测立木树高；
(5.1)数据归类和标记：依据步骤(2)中获得的立木的坐标位置以及步骤(3)中的数据接收终端存储的测量处的主动测距模块的坐标位置，对在限定平面坐标范围内的测量数据集认定为一组数据，对此组测量数据按立木编号进行标记；
(5.2)树高计算公式为：H树高＝H飞行器-终端-H飞行器-树梢+H终端-地面
其中，H树高为立木高度，H飞行器-终端为主动测距模块到测距接收终端的距离，H飞行器-树梢为主动测距模块到树梢的距离，H终端-地面为测距接收终端到地面的距离，H飞行器-树梢由步骤(3)中测得，H飞行器-终端的计算公式为：
Figure FDA0004255971570000021
(x测,y测,z测)和(Xi,Yi,Zi)分别为步骤(5.1)中同组数据中的测量处主动测距模块的位置坐标和第i株被测立木上测距接收终端的位置坐标，H终端-地面的数据通过实测已知。
2.根据权利要求1所述的立木树高测量方法，其特征在于，所述主动测距模块包括激光测距模块，所述步骤(3)中采用激光测距模块垂直测量主动测距模块至树梢的距离。
3.根据权利要求2所述的立木树高测量方法，其特征在于，所述主动测距模块还包括微处理器、UWB发射模块、UWB天线、电源模块、RTK模块、存储模块、数据接口、计时器和指示灯，所述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，数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用。
4.根据权利要求3所述的立木树高测量方法，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、存储模块、数据接口和电源模块，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；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。
5.根据权利要求4所述的立木树高测量方法，其特征在于，所述步骤(3)的测量步骤如下：
(3.1)主动测距模块实时接收并存储激光测距模块记录的测量距离；
(3.2)主动测距模块固定时间向外广播发射信号和参数：主动测距模块的微处理器依据计时器时间，按固定间隔驱动UWB发射模块通过UWB天线发射无线信号，向测距接收终端传输设备编号、UWB发射模块发射时计时器时间、UWB发射模块发射时RTK模块测定坐标以及激光测距模块测量的距离值。
6.根据权利要求4所述的立木树高测量方法，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。
7.根据权利要求1所述的立木树高测量方法，其特征在于，所述飞行器为无人机。
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