CN209570137U - 一种测量树木树干横截面形状的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于林业测试仪器技术领域，尤其涉及一种测量树木树干横截面形状的装置。包括：测量绳、容栅位移传感器、RFID阅读器和RFID线圈，容栅位移传感器由柔性导电材料制成；RFID阅读器安装在容栅位移传感器的外表面上，且RFID阅读器位于测量绳的中点位置；RFID阅读器中设置有两个RFID线圈；测量绳的内部设置有若干个RFID线圈，且该RFID线圈每隔相等的一段距离安装一个；RFID阅读器中设置有数据处理模块，以存储和计算树干周长及测量绳RFID的位置信息。本实用新型基于RFID相位差测距原理，考虑树干形状的实际生长特点，设计的测量树干横截面形状的真正不仅测量结果更加接近实际，速率快，成本低，而且本实用新型的测量真正能够满足野外条件下测量的准确性要求。

Description

一种测量树木树干横截面形状的装置

技术领域

本实用新型属于林业测试仪器技术领域，尤其涉及一种快速、精确测量树木树干横截面形状的装置。

背景技术

本实用新型背景技术公开的信息仅仅旨在增加对本实用新型总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在林业研究中，树木树干断面积是至关重要的测量指标，通常是假设树木横截面是标准的圆形，通过测量胸径估测树干断面积，然而，本实用新型认为，由于生长过程中的内外因素，树干形状很难是标准的圆柱形，圆柱形的假设使得过高估计了截面积，很难真正实现对树木横截面面积的精确测量。由于以上的缺陷，准确的测量横截面形状成为必要，目前的树干横截面形状的测量基于激光扫描，激光扫描可以非常准确的获得树干横截面的形状，但是其仪器测量速度较慢，价格也较为昂贵，不适合大面积收集树干横截面形状数据。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型旨在提供一种测量树木树干横截面形状的装置及方法和应用，基于RFID(无线射频识别技术)相位差测距原理，考虑树干形状的实际生长特点，设计的测量树干横截面形状的装置不仅使测量结果更加接近实际，速率快，成本低，而且本实用新型能够满足野外条件下测量的准确性要求。

为实现上述目的，本实用新型公开了下述技术方案：

首先，本实用新型公开一种测量树木树干横截面形状的装置，所述装置包括：测量绳、容栅位移传感器、RFID阅读器和RFID线圈，其中：

所述容栅位移传感器由柔性导电材料制成，且包裹在测量绳外表面，容栅位移传感器长度和测量绳长度一致。

所述RFID阅读器安装在容栅位移传感器的外表面上，且RFID阅读器位于测量绳的一端；所述RFID阅读器中设置有两个能够接收测量绳内部的RFID线圈信号的RFID线圈。

所述测量绳的内部设置有若干个RFID线圈，且该RFID线圈每隔相等的一段距离安装一个。

所述RFID阅读器中设置有数据处理模块，以便于存储和计算树干周长及测量绳RFID的位置信息。

所述容栅位移传感器的主要作用是测量测量绳围绕在树干上形成闭合的圆环的周长，进而测量测量绳交点处两侧的两个RFID线圈之间的距离，原理为：当测量绳围绕在树干上形成闭合的圆环后，测量绳交点处两侧的两个RFID线圈之间的距离会出现两种情形：(1)两个RFID线圈之间的距离恰好为原始的等距离设置的RFID线圈之间的距离；(2)两个RFID线圈之间的距离不等于原始的等距离设置的RFID线圈之间的距离。在实际使用中，出上述现(2)情形的概率远大于出现(1)情形的概率，此时，如果按照原始的等距离设置的RFID线圈之间的距离计算交点处两侧的两个RFID线圈之间的距离，必然导致测量的周长不准确；而设置容栅位移传感器后，在测量绳的上述交点处，容栅位移传感器接触形成闭合回路，然后根据回路计算出测量绳形成的闭合圆环的周长；然后，减去闭合圆环内其他的RFID线圈之间的总长度，即为测量绳交点处两侧的两个RFID线圈之间的实际距离，由于测量绳上RFID线圈的设置是已知的等距离设置，根据闭合圆环内RFID线圈的数量即可得知闭合圆环内其他的RFID线圈之间的总长度。

作为进一步的技术方案，所述RFID阅读器中两个线圈之间的距离为2-10cm；优选为5cm。RFID阅读器中两个线圈的主要作用是：辅助确定测量绳内部每个RFID线圈的位置，进而测量测量绳内部的RFID线圈之间的直线距离。

作为进一步的技术方案，所述测量绳上每相邻两个RFID线圈之间的距离为1mm-2cm，RFID线圈安装越密集，测量精度会越高。

优选地，所述测量绳上每相邻两个RFID线圈之间的距离为1cm，选择该间距时，既能够保证良好的测量精度，又能够维持较低的成本。

作为进一步的技术方案，所述包裹了容栅位移传感器的测量绳直径为5-10mm。

作为进一步的技术方案，所述容栅位移传感器也可以为长条形结构，其贴覆在测量绳的外表面，而不用完全包覆测量绳。

其次，本实用新型公开利用所述装置测量树木树干横截面形状的方法，包括如下步骤：

(1)将测量绳围绕在树干待测部位，然后将测量绳的设置有RFID阅读器的一端作起点与测量绳交叉，使测量绳形成的环形空间恰好围绕待测部位一圈，测量绳上的容栅位移传感器测量闭合圆环的长度，并且根据测量绳形成闭合圆环的长度确定交点处两侧的测量绳上的两个RFID线圈之间的距离；

(2)设A、B分别为RFID阅读器中的两个RFID线圈，C为测量绳内部的一个RFID线圈，以A、B的连线为x轴，与x轴垂直的轴为y轴，且y轴穿过A与B连线的中点，x轴和y轴的交点为原点O,A、B之间的距离已知，长度AC、BC通过RFID阅读器中接收信号的RFID线圈测量可得；

(3)当AC≥BC时，C的位置坐标为当AC<BC时，C的位置坐标为其中S为三角形ABC的面积，p为三角形ABC周长的1/2；

(4)根据步骤(1)、(2)、(3)测得测量绳内部另一个与C相邻的RFID线圈的坐标位置为D；

(5)根据步骤(4)测得C、D的坐标数据，计算C、D之间的直线距离d，假设测量绳内部的每相邻两个RFID线圈之间的树干为规则圆弧，圆弧的半径R由如下公式计算：其中，α为圆心角，L为C、D之间测量绳的长度，即上述规则圆弧的弧长；如果C与D在测量绳未闭合时即为相邻RFID线圈，由于相邻RFID线圈在测量绳上等距离设置，且相邻RFID线圈之间的距离P已知，即L＝P；如果C与D是测量绳闭合后形成的相邻RFID线圈，则L＝CBH-(n-1)×P。其中CBH为步骤(1)中测量闭合圆环的长度(即树木树干周长)，n为所述闭合圆环包含的RFID线圈个数；

(6)根据步骤(5)的方法，计算出闭合圆环内上每相邻两个RFID线圈形成的圆弧的半径R和圆心角α，然后将这些半径R和圆心角α输入计算机中，计算机根据圆弧的半径R和圆心角α再绘制出其对应的圆弧，绘制出全部圆弧后，将这些圆弧按顺序合并连接，得到被测树木的树干横截面的形状。

最后，本实用新型公开所述测量树木树干横截面形状的装置及方法在林业领域中的应用，例如，可用于计算树木的胸径、评估过火木等的生长情况等。过火木由于经历火烧影响，树干的生长不能像正常树木一样生长，受伤的一侧形成疤痕而无法生长，本实用新型获得的树干横截面形状可以更为准确的描述过火木树干的生长情况。另外，由于树干横截面的形状已经通过本实用新型公开的装置测得，胸径的计算可以通过现有的软件计算获得，比如AutoCAD,ArcGIS等，属于这些软件的常规功能。

与现有技术相比，本实用新型取得了以下有益效果：本实用新型基于RFID(无线射频识别技术)相位差测距原理，考虑树干形状的实际生长特点，设计的测量树干横截面形状的装置不仅使测量结果更加接近实际值，速率快，成本低，而且本实用新型能够满足野外条件下测量的准确性要求。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型实施例1中测量树木树干横截面形状的装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例2中计算C的位置坐标的原理图。

图3为本实用新型实施例2中计算圆弧的半径R的原理图。

图4为本实用新型实施例2中模拟的树木树干横截面形状的示意图。

附图中标记分别代表：1-测量绳、2-容栅位移传感器、3-RFID阅读器、4-RFID阅读器中RFID线圈、5-测量绳上RFID线圈、6-树木。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本实用新型中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所述，由于生长过程中的内外因素，树干形状很难是标准的圆柱形，圆柱形的假设使得过高估计了截面积，很难真正实现对树木横截面面积的精确测量。因此，本实用新型提出一种测量树木树干横截面形状的装置及方法；现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步进行说明。

所述容栅位移传感器是一种以电容器为敏感元件的位移测量装置，其能够将机械位移量转换为电容量变化进行位移的测量，这种传感器的发展已经很成熟，制备本实用新型的测量装置时可直接采用市售的产品进行安装即可。

实施例1

一种快速测量树木树干横截面形状的装置，参考图1，包括：测量绳1、容栅位移传感器2、RFID阅读器3和RFID线圈，其中：

所述容栅位移传感器2由柔性导电材料制成，且包裹在测量绳1外表面，容栅位移传感器2长度和测量绳1长度一致。所述RFID阅读器3安装在容栅位移传感器2的外表面上，且RFID阅读器3位于测量绳1的中点位置；所述RFID阅读器3中设置有两个能够接收测量绳内部的RFID线圈信号的RFID线圈4。所述测量绳1的内部设置有若干个RFID线圈5，且该RFID线圈每隔相等的一段距离安装一个。所述RFID阅读器3中设置有数据处理模块，以便于存储和计算树干周长及测量绳RFID的位置信息。这种数据处理模块可以根据需要实现的功能向软件制作公司进行定制，属于常规的技术手段。或者通过RFID阅读器中的有数据处理模块将采集的信息通讯传输到其他的设备中进行处理等方式均可。

实施例2

一种快速测量树木树干横截面形状的装置，同实施例1，区别在于：所述RFID阅读器3中两个线圈之间的距离在2-10cm之间可选，优选为5cm。

实施例3

一种快速测量树木树干横截面形状的装置，同实施例1，区别在于：所述测量绳上每相邻两个RFID线圈之间的距离在1mm-2cm之间可选，优选为1cm，RFID线圈安装越密集，测量精度会越高。

实施例4

一种快速测量树木树干横截面形状的装置，同实施例1，区别在于：所述包裹了容栅位移传感器的测量绳直径在5-10mm之间可选。

实施例5

一种快速测量树木树干横截面形状的装置，同实施例1，区别在于：所述容栅位移传感器也可以为长条形结构，其贴覆在测量绳的外表面。

实施例6

利用实施例1所述装置测量树木树干横截面形状的方法，包括如下步骤：

(1)将测量绳围绕在树干待测部位，然后将测量绳的设置有RFID阅读器的一端作为起点与测量绳交叉，使测量绳形成的环形空间恰好围绕待测部位一圈，测量绳上的容栅位移传感器测量闭合圆环的长度，并且根据测量绳形成闭合圆环的长度确定交点处两侧的测量绳上的两个RFID线圈之间的距离；

(2)设A、B分别为RFID阅读器中的两个RFID线圈，C为测量绳内部的一个RFID线圈，以A、B的连线为x轴，与x轴垂直的轴为y轴，且y轴穿过A与B连线的中点，x轴和y轴的交点为原点,A、B之间的距离已知，长度AC、BC通过RFID阅读器中接收信号的RFID线圈测量可得；

(3)当AC≥BC时，C的位置坐标为当AC<BC时，C的位置坐标为其中S为三角形ABC的面积，p为三角形ABC周长的1/2；

(4)根据步骤(1)、(2)、(3)测得测量绳内部另一个与C相邻的RFID线圈的坐标位置为D；

(5)根据步骤(4)测得C、D的坐标数据，计算C、D之间的直线距离d，假设测量绳内部的每相邻两个RFID线圈之间的树干为规则圆弧，圆弧的半径R由如下公式计算：其中，α为圆心角，L为C、D之间测量绳的长度，即上述规则圆弧的弧长；如果C与D在测量绳未闭合时即为相邻RFID线圈，由于相邻RFID线圈在测量绳上等距离设置，且相邻RFID线圈之间的距离P已知，即L＝P；如果C与D是测量绳闭合后形成的相邻RFID线圈，则L＝CBH-(n-1)×P。其中CBH为步骤(1)中测量闭合圆环的长度(即树木树干周长)，n为所述闭合圆环包含的RFID线圈个数；

(6)根据步骤(5)的方法，计算出闭合圆环内上每相邻两个RFID线圈形成的圆弧的半径R和圆心角α，然后将这些半径R和圆心角α输入计算机中，计算机根据圆弧的半径R和圆心角α，假设圆弧的两端是C和D，由该圆弧确定的圆点为O，绘制圆弧时，以C为起点，绘制一个半径为R，圆心角为α的圆弧即可，再绘制出其对应的圆弧，绘制出全部圆弧后，将这些圆弧按顺序合并连接，即可得到被测树木的树干横截面的形状。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述装置包括：测量绳、容栅位移传感器、RFID阅读器和RFID线圈，其中：

所述容栅位移传感器由柔性导电材料制成，且包裹在测量绳外表面，容栅位移传感器长度和测量绳长度一致；

所述RFID阅读器安装在容栅位移传感器的外表面上，且RFID阅读器位于测量绳的一端；所述RFID阅读器中设置有两个能够接收测量绳内部的RFID线圈信号的RFID线圈；

所述测量绳的内部设置有若干个RFID线圈，且该RFID线圈每隔相等的一段距离安装一个；

所述RFID阅读器中设置有数据处理模块，以存储和计算树干周长及测量绳RFID的位置信息。

2.如权利要求1所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述RFID阅读器中两个线圈之间的距离为2-10cm。

3.如权利要求1所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述RFID阅读器中两个线圈之间的距离为5cm。

4.如权利要求1所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述测量绳上每相邻两个RFID线圈之间的距离为1mm-2cm。

5.如权利要求4所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述测量绳上每相邻两个RFID线圈之间的距离为1cm。

6.如权利要求1所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述包裹了容栅位移传感器的测量绳直径为5-10mm。

7.如权利要求1所述的测量树木树干横截面形状的装置，其特征在于，所述容栅位移传感器为长条形结构，其贴覆在测量绳的外表面。