CN201463881U

CN201463881U - 数字式多功能测树仪

Info

Publication number: CN201463881U
Application number: CN2009200628477U
Authority: CN
Inventors: 鄢前飞; 曾思齐; 刘发林; 李际平; 曹小玉
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-01-08

Abstract

本实用新型公开了一种数字式多功能测树仪，由机械和电子两大部分组成，其特征是：机械部分包括三角架，三角架上装有三角架座，机座通过轴承装在三角架座上，机座上固定有瞄准镜架，瞄准镜通过轴安装在瞄准镜架上，机座上设有壳体，在壳体的面板上设有指南针；电子部分由与中央处理器电连接的单轴倾角传感器、双轴倾角传感器、转角传感器、存储单元、通讯接口单元、AD转换单元以及显示器、按键电源组成。本数字式多功能测树仪可以测量树木的高度、距离、方位角、坡度、两点高差、立木任一部位形率数据，具有操作简单方便，测量范围大，精度高，数据结果直观，数据处理全部实现智能化，传统的各类测量工具的功能实现仪器集中化等优点。

Description

数字式多功能测树仪

技术领域

本实用新型属于测量仪器，具体涉及森林资源调查中树高测量、林地水平距离测量、林业上方位角测量、林地坡度测量、两点高差测量和立木任一部位形率测量的数字式多功能测树仪。

背景技术

对于森林资源调查而言，树高测量、水平距离测量、方位角测量、林地坡度测量包括标准地测量和单株立木的材积测量都是一项基本的工作。现常用的工具树高测量采用的是布鲁菜斯测高器，然而布鲁莱斯测高器虽然构造简单、轻便，但要求丈量所限定的水平距离(15m、20m、30m等)，比较麻烦，况且在坡度较陡、植被茂密的山地，按此距离并非是良好视测点和站立点，因此，按三角原理查近似刻度值而设计的布鲁莱斯测高器在林业生产实际运用中精度与效率并不高，而林地水平距离测量、方位角测量、林地坡度测量以及标准地境界测量仍采用罗盘仪(森林罗盘仪和地质罗盘仪)和皮尺、测绳、花杆等常用工具。皮尺、测绳测距如果林下杂灌丛生、地形破碎，皮尺或测绳拉平拉直很困难，坡陡时还需测坡度再进行斜坡改正。因此，测量环境条件不利皮尺或测绳的测量精度和效率将降低。罗盘仪在测方位角和坡度，标准地境界测量和样点引线定位等实际工作中如果地形不利情况下则仪器精平比较困难，且存在读数不便，读数粗放的问题，标准地闭合差在山地测量环境下往往难达到调查规定的精度要求。对于立木材积的测定目前林业上几乎很少采用仪器直接测量，多数是查材积表和形高表或者采用粗略的近似数模估计方法，其原因是还没有实用有效的工具测定树干中央部位直径或树干胸高形率，以此来推算树干胸高形数从而计算立木材积。

因此，基于林业森林资源调查工具的落后性不利于现代林业信息采集手段数字化、信息化的要求，研制符合林业生产实际需要的低成本，高精度与实用、简便的数字式森林计测工具是我国林业现代化发展迫切要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，高精度、高效率、操作简单方便，且集多功能于一体的数字式多功能测树仪，用来进行森林资源调查中树高测量、林地水平距离测量、林业上方位角测量、林地坡度测量、两点高差测量和立木任一部位形率测量。

实现本实用新型目的采用的技术方案是：数字式多功能测树仪由机械和电子两大部分组成：

机械部分包括三角架，三角架上装有三角架座，机座通过轴承装在三角架座上，机座上固定有瞄准镜架，瞄准镜通过轴安装在瞄准镜架上，机座上设有壳体，在壳体的面板上设有指南针；

电子部分由与中央处理器电连接的单轴倾角传感器、双轴倾角传感器、转角传感器、存储单元、通讯接口单元、AD转换单元以及显示器、按键电源组成，其中：

转角传感器安装在机座的基准平面上，转角传感器的轴与三角架座固定在一起；当机座旋转时，转角传感器随之旋转，而转角传感器的轴与三角架座保持不动，从而使转角传感器和其轴产生相对转动，从而测量机座相对三角架的转角；

单轴倾角传感器安装在瞄准镜上，可以测量瞄准镜的瞄准线的倾角；

双轴倾角传感器安装在机座的基准平面上，可以测量机座的基准平面的前后左右两个方向的倾角；

显示器、按键、单片机、AD转换单元、存储单元、通讯接口单元、电源单元等电子元器件安装在电路板上，电路板安装在机座壳体内。

本数字式多功能测树仪根据数学中三角函数的基本原理，结合现代传感器技术和计算机技术，成功地克服了传统测量工具和测量方法的缺陷，将树木的高度、距离、方位角、坡度、两点高差、立木任一部位形率数据测量方法和工具，提高到了一个新的水平，从而使测量操作简单方便，测量范围大，精度高，数据结果直观，数据处理全部实现智能化，传统的各类测量工具的功能实现仪器集中化。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中面板的俯视图。

图3是图1的左视图。

图4是本实用新型的电路框图。

图5是测高、测距原理图。

图6是测两点间的高差原理图。

图7、图8是测树干任意形率原理图。

具体实施方式

本实用新型如图1至图4所示，由机械和电子两大部分组成：

机械部分包括三角架，三角架上装有三角架座3，机座5通过轴承4装在三角架座3上，机座5上固定有瞄准镜架8，瞄准镜10通过轴9安装在瞄准镜架8上，机座5上设有壳体6，在壳体6的面板7上设有指南针11；

电子部分由单轴倾角传感器20、双轴倾角传感器21、转角传感器22、转角传感器23、电路板24、显示器25、按键26、中央处理器单片机、AD转换单元、存储单元、通讯接口单元、电源单元组成；单轴倾角传感器20、双轴倾角传感器21、转角传感器22、存储单元、通讯接口单元与单片机电连接、显示器25通过AD转换单元与单片机电连接(参见图4)。

转角传感器22安装在机座5的基准平面14上，转角传感器22的轴23与三角架座3固定在一起；当机座5旋转时，转角传感器22随之旋转，而转角传感器22的轴23与三角架座3保持不动，从而使转角传感器22和其轴23产生相对转动，从而测量机座5相对三角架3的转角；

单轴倾角传感器20安装在瞄准镜10上，可以测量瞄准镜10的瞄准线17的倾角；

双轴倾角传感器21安装在机座5的基准平面14上，可以测量机座5的基准平面的前后左右两个方向的倾角；

显示器25、按键26、单片机、AD转换单元、存储单元、通讯接口单元、电源单元等电子元器件安装在电路板24上，电路板24安装在机座壳体6内。

所述安装在机座面板7上的指南针11，它随着机座转动，但其指针始终指向正北方向。

所述三角架由下腿1和上腿2组成，它们是由两节管子制成，互相之间用螺纹联接，通过旋转下腿1，可以调节三角架腿1的长度，从而可以实现三角架座3的水平姿态的调整；三角架上腿2和三角架座3之间，用铰链联接。

所述机座5通过轴承4与三角架座3连接，机座轴线12与三角架座轴线13彼此重合，机座5在三角架座3上绕其自身的轴线12旋转。

所述机座5、机座壳体6和瞄准镜架8，三者通过铸造，连成一个刚性体。

所述机座基准平面14与机座轴线12垂直。

所述瞄准镜架8的轴线15与机座基准平面14垂直；瞄准镜轴9的轴线16与机座基准平面14平行。

所述瞄准镜10与瞄准镜轴9通过铆接，互相连接成为一个刚性体；瞄准镜轴9安装在瞄准镜架8上；瞄准镜10可以绕瞄准镜轴9旋转。

本数字式多功能测树仪的测量原理：

1、测高、测距。

测高与测距的原理如发明专利“一种林木空间参数测量的方法及其装置”(发明专利申请号：200510010864.2，)和“数字式测高测距仪”(专利号：ZL200720104623.9)所述。

见图5，其依次包括下列步骤：

(1)、靠立木树干竖立3m长的标尺，标尺上有二个观察标志线，离地面0.7米的标志线为基础高H_0.7，3米处标志线为固定高H₃。

(2)、任意选定一观测点O。

(3)、在O点分别测量基础高点H_0.7，固定高点H₃，和树顶点的视线倾角θ1、θ2、θ3。

(4)、根据三角原理：

基础高与固定高间距ΔH＝H_固-H_基＝3-0.7＝2.3＝D(tgθ2-tgθ1)，

所以，水平距离S＝ΔH/(tgθ2-tgθ1)＝2.3/(tgθ2-tgθ1)

树高H＝S(tgθ3-tgθ1)+H_基＝2.3×(tgθ3-tgθ1)/(tgθ2-tgθ1)+0.7

数模中凡仰角为正值，俯角为负值，数模具有通用性。

由此可见，树的距离S和高度H都是倾角的函数，只要求得这三个倾角，就可解得树距S和树高H数值。

2、测方位角。

方位角的数字化原理是：当双轴倾角传感器21显示0°，磁针处于静止时，转动机座5，当指南针11的指针指向正北时，按下方位角计数键，此时，设定转角传感器22的角度为方位角0度；这时仪器顺时针旋转，方位角变量等于原方位角加水平旋传角度，若仪器反时针旋转则等于原方位角减水平旋传角度，在不断左右调节对准目标时，通过水平旋传角度的正负变化，再次按下方位角计数健则显示方位角数字读数。

3、测坡度。

将仪器对准观测点的标高为仪器高时，这时从数字显示屏上直接显示倾角传感器的倾角值即为观测点地面至仪器点地面两点间的平均坡度。

4、测两点间的高差

如图6所示，测量地形A点与B点的高差，即高差Δh＝AB’，

其依次包括下列步骤：

(1)、仪器设置在A与B之间任意选定一观测点O。

(2)、在A地形与B地形分别竖立一3m长的标尺(或者标尺在A点测完后，后移到B点)，标尺上有二个观察标志线，离地面0.7米的标志线为基础高H_0.7，3米处标志线为固定高H₃

(3)、在O点首先对A地形标尺两标志点进行观测，测量基础高点H_0.7，固定高点H₃的视线倾角θ_A0.7、θ_A3。

(4)然后在O点首先对B地形标尺两标志点进行观测，测量基础高点H_0.7，固定高点H₃的视线倾角θ_B0.7、θ_B3。

(4)、设A与O两点间的水平距离为SAO，B与O两点间的水平距离为SBO，

根据三角函数原理：

标尺上基础高与固定高间距ΔH＝H_固-H_基＝3-0.7＝2.3＝SAO(tgθ_A3-tgθ_A0.7)＝SBO(tgθ_B3-tgθ_B0.7)，

所以，水平距离SAO＝ΔH/(tgθ_固-tgθ_基)＝2.3/(tgθ_A3-tgθ_A0.7)；

水平距离SBO＝ΔH/(tgθ_固-tgθ_基)＝2.3/(tgθ_B3-tgθ_B0.7)，

又由于A点与B点两点的高差h＝AB’，实际上为同样标尺在固定高或基础高在水平线上的高度值之差，以标尺固定高3米为例，在A点固定高3米的标志在水平线上垂直高等于SAO×tgθ_A3，同样，在B点固定高3米的标志在水平线上垂直高等于SBO×tgθ_B3，因此，高差h＝SAO×tgθ_A3-SBO×tgθ_B3＝2.3[tgθ_A3/(tgθ_A3-tgθ_A0.7)-tgθ_B3/(tgθ_B3-tgθ_B0.7)]，同理：h＝SAO×tgθ_A0.7-SBO×tgθ_B0.7＝2.3[tgθ_A0.7/(tgθ_A3-tgθ_A0.7)-tgθ_B0.7/(tgθ_B3-tgθ_B0.7)]。

数模中凡仰角为正值，俯角为负值，数模具有通用性。

由此可见，只要通过仪器安装的倾角传感器测量出四个倾角值，即可得出两点地形间的高差数据。

5、测树干任意形率。

如图7与图8所示，在O点(或其它某一适宜观察点上)，利用仪器分别观测树干任意部位C两边M与N相切的倾斜线，测量出OM与ON在水平投影面◇0mn上的水平角Q_C。以同样的方法，在O点测量出胸径部位两边K与F相切的倾斜线，测量出OK与OF在水平投影面◇0kf上的水平角Q_1.3。设部位C的直径为d_C，胸高部位D1.3的直径为d_1.3，O点至树的水平距离为S，按照水平投影园两射线相切的原理，则有d_C＝2S×sin(Q_C/2)，d_1.3＝2S×sin(Q_1.3/2)，

因此，形率q2＝d_C/d_1.3＝sin(Q_C/2)/sin(Q_1.3/2)。

可见，测量树干某形率q2只要测出树干某处的两边的水平夹角以及胸高直径1.3米两边的水平夹角即可求出，依次方法，同样可以测量出树干中央部位的胸高形率，以至推算出胸高形数和树干材积。

具体操作方法：

在测量操作时，首先，通过旋转三角架腿1，来调整三角架腿1的长度，从而使双轴倾角传感器21的前后左右两个方向的倾角值输出为零度，使机座5处于水平状态。

测高、测距：

用瞄准镜10的瞄准线17分别对准树的顶点、标尺的0.7米和3米处的两条标志线，按下面板上的数据测量键26后，由单轴倾角传感器20输出这三点的倾角α数字信号，由单片机读取这组数据，代入前面原理说明中的计算数模，求得树木的高度和距离值。

测高差：

将标尺分别立于待测的两个地点，用瞄准镜10的瞄准线17对标尺上1.3米高度处和3米高度处的标志线，按下面板上的数据测量键26后，由单轴倾角传感器20输出这四点的倾角α数字信号，由单片机读取这组数据，代入前面原理说明中的计算数模，求得两点间高差值。

测形率：

用瞄准镜10的瞄准线17分别瞄准树干上1.3米高度处和任意高度处两处树干的两边，按下面板上的数据测量键26后，由转角传感器22输出对应的角度差值θ信号，经AD电路转换成数字信号后，由单片机读取这组数据，代入前面原理说明中的计算数模，计算树的半径，求得树的形率。

测方位角：

在指南针11的指针指向正北时，按下方位角计数键；再用瞄准镜10的瞄准线17瞄准目标树木的树干，再次按下方位角计数键，由转角传感器22输出与初始0度的角度差值，求得树木的方位角。

测坡度：

用瞄准镜10的瞄准线17瞄准观测点上的仪器高度点，这时单轴倾角传感器20输出的倾角值即为观测点地面至仪器点地面两点间的平均坡度。

这些数据结果，可以直接在显示器上显示十进制的结果数字，同时写入存储器，也可以向其它计算机传送。

在单片机中。还可以编缉一些数据处理的功能模块，如数据显示、存储、传输，等等。

Claims

1.一种数字式多功能测树仪，由机械和电子两大部分组成，其特征是：

电子部分由与中央处理器电连接的单轴倾角传感器、双轴倾角传感器、转角传感器、存储单元、通讯接口单元、AD转换单元以及显示器、按键电源组成，其中：转角传感器安装在机座的基准平面上，转角传感器的轴与三角架座固定在一起；单轴倾角传感器安装在瞄准镜上；双轴倾角传感器安装在机座的基准平面上；显示器、按键、单片机、AD转换单元、存储单元、通讯接口单元、电源单元等电子元器件安装在电路板上，电路板安装在机座壳体内。

2.根据权利1所述的数字式多功能测树仪，其特征在于：机座、机座壳体和瞄准镜架，三者通过铸造连成一个刚性体。

3.根据权利1所述的数字式多功能测树仪，其特征在于：机座基准平面与机座轴线垂直。

4.根据权利1所述的数字式多功能测树仪，其特征在于：瞄准镜架的轴线与机座基准平面垂直；瞄准镜轴的轴线与机座基准平面平行。