激光摄影测树仪设计与试验

杨立岩 冯仲科 范光鹏 吴发云

(1.北京林业大学精准林业北京市重点实验室， 北京 100083； 2.国家林业局调查规划设计院， 北京 100714)

0 引言

根颈以上1.3 m处的直径称为胸高直径，简称为胸径[1]。树干的根颈处或地面至主干梢顶的长度称为树高。胸径与树高的测量是评价立地质量与林木生长状况的重要依据。测定直径的工具种类很多，常用的有轮尺、直径卷尺和钩尺等[2]。树高一般用测高器测定，测高器种类繁多，其测高原理均比较简单，如布鲁莱斯测高器、超声波测高器[3-5]。林分空间结构是反映林分内林木空间位置的重要特征，是林木的分布格局及属性在空间上排列方式的直观反映[6-10]。目前林分空间结构参数主要有角尺度、大小比和混交度[11-15]。在计算角尺度时，需测量中心树与4株最邻近树的相对位置，常用方法主要有判角器直接判读以及全站仪测量每棵树坐标进行计算，两种方法分别存在人工判读误差大和全站仪昂贵、笨重的问题。由于林地地形的不确定性，使得测量人员无法到达某些地块或者无法现场开展人工测量。为了克服这些不利因素的影响，非接触式的测量方式愈发受到重视。

随着信息智能化时代来临，利用更加集成化、智能化、精准化的林业调查观测装备成为了森林资源调查的主流[16]。冯仲科等[17-21]研发了 3D 电子角规、测树电子经纬仪、测树全站仪、远程摄影超站仪、测树超站仪等设备，可对胸径、树高进行测量。黄晓东等[22]研制了多功能便携式微型超站仪，可测量胸径和树高。侯鑫新等[23]提出了一种基于单电荷耦合器件图像传感器CCD相机与经纬仪相结合的胸径测量方法。赵芳等[24]利用全站仪实现树高、材积的测量，并对其精度进行验证分析。邱梓轩等[25]研制了森林智能测绘记算器，可以对胸径、树高进行测量。徐伟恒等[26-27]研制了多功能电子测树枪，实现树高测量、任意高度处直径测量、林分空间结构参数测量等。近年来，国内研制的仪器已基本解决了设备功能单一、便携性差等问题，但仍存在精度较差、效率低、设备成本较高等问题。

针对上述情况，本研究针对林业调查重要基础因子与林分空间结构参数测定的实际需求，利用CCD摄像头、倾角传感器、电子罗盘、激光笔等，基于摄影测量学原理和测树学原理，由安卓系统嵌入自动解算胸径、树高、林分空间结构参数等程序，设计一种林分空间结构参数一站式摄影测树仪器——激光摄影测树仪，实现胸径测量、树高测量、角尺度测量、大小比测量、混交度测量等功能。

1 激光摄影测树仪构成

1.1 硬件构成

激光摄影测树仪的硬件包括CCD镜头、光源笔、激光器以及精准林业北京市重点实验室自主研发制造的掌上PDA和云台，见图1。CCD 镜头选用伸缩式定焦光学镜头，背照式CMOS(Exmor R CMOS)传感器，6组7片(4片非球面镜片，其中含AA镜片)的镜头结构，F1.8～F4.9最大光圈，LED补光灯，Micro SD/Micro SDHC存储卡，NP-BN/NP-BN1锂电池，200张续航能力。激光器采用优质亚力克镜片组成的光学透镜，5 mW功率管芯，优质亚克力镜片可以投射一束可视激光束。掌上PDA由CPU、GPU、RAM、ROM、陀螺仪、重力传感器、WiFi芯片、电子罗盘、GNSS芯片、彩色触控显示屏、电源等高度集成并设计铝合金外壳，仪器硬件总体框架见图2。

图1 激光摄影测树仪Fig.1 Photo of laser photogrammetric instrument

图2 硬件总体框架Fig.2 Framework of hardware

图3 主程序和3个功能模块流程图Fig.3 Flow charts of main system and three function modules

掌上PDA模块中选用高通骁龙617处理器(MSM8952)，八核A53，1.5 GHz核心频率，用于解释指令和处理数据；GPU选用Adreno 530，处理位数64位，用于处理获取图像信息；RAM选用双通道LPDDR4X，容量2 GB，最高频率1 866 MHz；ROM选用C8051F410片内闪存设计，16 GB，速度级别 Class 10，最高传输速度80 MB/s；5.5英寸显示屏幕，分辨率 1 920像素×1 080像素，像素密度 401PPI。陀螺仪与电子罗盘采用三轴陀螺仪传感器L3G4200D和三轴磁场传感器LSM303DLH用于测量仪器的磁方位角；重力传感器采用三轴加速度传感器LIS331DLH，用于测量设备倾斜角，WiFi芯片采用双频MT6625，支持802.11a/b/g/n无线协议，用于连接CCD镜头，控制拍摄及传输图像；GNSS芯片采用了支持GPS和北斗双星定位系统模块L218，用于标定样地位置。光源笔采用变焦广角微型电筒，LED灯，18650锂电池，用于昏暗情况下光源供给，提高树木边缘辨识度。

1.2 软件设计

PDA内嵌软件在Android Studio 2.2开发环境下利用Java语言编译，采用模块化结构设计，分别为胸径测量模块、树高测量模块和林分空间结构参数测量模块。图3a为软件主程序流程图，用户根据实际的测量工作需求，选择进入不同的功能模块。图3b～3d为3个主要测量模块的程序流程图。测量结果数据均通过SQLite数据库进行读写操作，可通过USB接口传输。

1.3 主要功能参数

激光摄影测树仪包括胸径测量、树高测量、林分空间结构参数测量3项功能，其中林分结构参数测量集成了角尺度测量、大小比数测量和混交度测量的功能。激光器激光等级为Ⅱ级，激光波长532 nm，功率100 mW，光斑直径小于等于10 mm，室内外兼用，可选择在连续激光和脉冲激光之间切换，可微调照射角度；倾角测量范围为-75°～75°，测量精度为0.3°；方位角测量范围为0～360°，测量精度为1°。操作系统为Android 5.0.2，CPU为1.8 GHz八核处理器，储存16 GB ROM，内存2 GB RAM。GNSS芯片支持GPS和BDS双星定位，同时支持LBS(基站定位)和AGPS(辅助定位)功能，内嵌EPOTM技术和秒定技术，实现快速定位。单点定位精度为2 m，SBAS精度小于1 m。PDA尺寸为150.7 mm×75.3 mm×8.2 mm，电源容量为3 140 mA·h，可连续工作时间8 h。CCD感光度为ISO 160～6400，WiFi无线传输支持802.11b/g/n，有效像素2 020万，曝光补偿 ±3 EV(1/3 EV步长)，最高图像分辨率5 472像素×3 648像素，支持实时取景，用于获取图像信息，其电池连续工作时间为5 h。云台尺寸为160 mm×78 mm×70 mm。可变焦光源笔支持散光和强光，功率为3～10 W，射程200 m以上，持续照射时间2 h以上。

2 激光摄影测树仪测量原理

2.1 激光摄影测树仪检校

激光摄影测树仪在测量时主要存在两种系统误差，分别为CCD镜头光学畸变误差和CCD主光轴与激光器主光轴偏移误差，为了提高测量精度，需将两种系统误差进行消除或减弱[16]。

采用直接线性变换(DLT)模型求解CCD镜头的内方位元素和畸变参数，具体检校方法见文献[28]。为了减弱CCD主光轴与激光器主光轴的偏移误差，制作60 cm×100 cm的棋盘格检校板，方格大小为10 cm×10 cm，打开CCD镜头和激光器，并在实时影像画面中生成以像主点为中心的十字正交线，首先左右微调激光器，使激光点与十字线的竖线重合。安置好激光摄影测树仪，将检校板依次放置在距离仪器3 m和10 m左右的位置N点和F点拍摄像片，并依次读取像片中激光点的像方坐标，激光器主光轴与CCD主光轴夹角φ计算式为

(1)

式中mN、mF——近点和远点拍摄的像片比例系数

(uN,vN)、(uF,vF)——激光点在近点和远点拍摄的像方坐标

LN、LF——激光点在近点和远点拍摄时镜头至检校板距离

L——CCD镜头至检校板距离

f——CCD镜头焦距

Dab——在棋盘格中任意选择的a点与b点距离

(ua,va)、(ub,vb)——影像中a点与b点的像方坐标

m——像片比例系数

若φ为“+”，则向上微调激光器；反之，向下微调激光器。经过多次调整，使φ接近0，即激光器主光轴平行于CCD主光轴，完成检校。以最后一次检校的CCD主光轴与激光器主光轴的距离K作为仪器常数，与CCD检校参数一起嵌入软件端。K的计算式为

(2)

2.2 胸径测量

由图像中激光点至像主点的像方距离与对应的物方距离K，可解算像片比例系数m，提取像片中胸径左侧和右侧的像方坐标并计算胸径的像方距离，根据单幅像片摄影测量原理，计算得到立木胸径。

(3)

式中D——胸径 (uL,vL)、(uR,vR)——胸径左侧和右侧的像方坐标

(ul,vl)——激光点的像方坐标

图4为激光摄影测树仪胸径测量界面。

图4 胸径测量界面Fig.4 Interface of DBH measurement

2.3 树高测量

树高测量主要利用单幅像片摄影测量原理和三角函数原理进行测算，树高测量方法见图5。同胸径测量方法类似，获取像片比例系数m，根据CCD焦距f和像片拍摄时倾角θ，计算摄影中心至单木的平距d，获取仪器瞄准树根时倾角α和瞄准树顶时倾角β，计算得到立木树高H。

H=d(tanβ-tanα)

(4)

其中

d=mfcosθ

图5 树高测量原理图Fig.5 Principle diagram of tree height measurement

图6为树高测量界面。

2.4 林分空间结构参数测量

图6 树高测量界面Fig.6 Interface of tree height measurement

林分空间结构参数反映了林木之间的竞争程度、大小差异和水平分布格局等。其中，角尺度反映

了林分树木分布的均匀程度，大小比数反映了树木生长分布的优势度，混交度反映了不同树种间空间隔离程度[29]。混交度、大小比数、角尺度的对应取值意义见图7。

激光摄影测树仪可一站式测量林分空间结构参数，仪器内部可以自动计算并保存角尺度、大小比数和混交度的值。在具体测量时，确定待测量中心树和最邻近的4棵树，将激光器瞄准中心树T0拍摄像片，根据胸径测量原理自动解算胸径D，并通过仪器获取倾角δ和方位角γ；与测量中心树T0的方法类似，按顺时针顺序依次测量邻近树Ti(i=1,2,3,4)，同时，人工判读邻近树与中心树是否为同一树种。仪器根据以上获取参数可自动计算角尺度、大小比数和混交度并将结果显示在屏幕上，同时保存到SQLite数据库中方便随时查看和导出，图8为角尺度测量原理。

图7 混交度、大小比数和角尺度示意图Fig.7 Sketch of mingling, dominance and uniform angle indexes

图8 角尺度测量原理图Fig.8 Uniform angle index measuring principle

中心树与4株邻近树的坐标计算式为

(i=0,1,2,3,4)

(5)

式中 (xi,yi)——第i株树木的平面坐标 (XP,YP)——安置仪器点P的坐标mi——测量第i株树时的像片比例系数δi——第i株树木的倾角γi——第i株树木的方位角Di——第i株树木的胸径

根据中心树与邻近树的坐标得到第i株树与第i+1株树的夹角，计算式为

(i=1,2,3)

(6)

式中S——各树之间的平距αi——第i株树与第i+1株树的夹角

角尺度计算式为

(7)

其中

(i=1,2,3,4)

(8)

大小比数计算式为

(9)

其中

(i=1,2,3,4)

(10)

混交度计算式为

(11)

其中

(i=1,2,3,4)

(12)

3 试验结果与分析

3.1 胸径树高测量试验

为了验证激光摄影测树仪的胸径、树高测量功能和测量精度，在北京海淀区北安河乡鹫峰国家森林公园进行了试验，选取不同立地条件下的林区树木对仪器测量功能展开试验，选择21株树作为测量样本，其中包含杨树、油松、刺槐等7种树木。以胸径尺测量的胸径作为胸径真值，以全站仪测量的树高作为树高真值，将激光摄影测树仪测量的胸径和树高与真值进行比较。经计算，胸径和树高相对误差绝对值的平均值分别为2.55%和2.82%，测量结果见表1。

3.2 林分空间结构参数测量试验

为了验证激光摄影测树仪的林分空间结构参数测量功能和测量精度，在北京海淀区北安河乡鹫峰国家森林公园内选择了1块样地进行试验。在样地内选择15株中心树，1名操作者用激光摄影测树仪测量法对选择的中心树进行测量，2名操作者使用传统测量法复测。在使用传统测量法时，角尺度测量使用判角器进行直接判读，大小比数测量使用胸径尺进行逐一测量并判读，混交度测量使用直接判读法，判读结果均用纸质记录。将两种方法测量结果进行对比，如表2所示，结果表明角尺度与大小比数测量相对误差绝对值的平均值分别为2.50%和2.86%，混交度测量结果相同，即3个林分空间结构参数测量相对误差绝对值的平均值均不超过3%，能够满足测量精度要求。

表1 胸径与树高测量结果Tab.1 Result of DBH and tree height measurements

表2 林分空间结构参数测量结果Tab.2 Result of forest stand spatial structure measurement

4 结论

(1)设计了一种由CCD镜头、激光器、光源笔、PDA和云台组成的激光摄影测树仪。根据摄影测量学原理、测树学原理，利用图像处理技术和Java开发技术，实现了胸径测量、树高测量和林分空间结构参数测量3项功能，其中林分空间结构参数测量功能实现了角尺度、大小比数和混交度的一站式测量。经在北京海淀区北安河乡鹫峰国家森林公园内开展的激光摄影测树仪功能和精度验证，结果表明：胸径测量相对误差绝对值的平均值为2.55%，树高测量相对误差绝对值的平均值为2.82%，角尺度测量相对误差绝对值的平均值为2.50%，大小比数测量相对误差绝对值的平均值为2.86%，混交度测量结果与传统测量方法相同，能够满足林业调查的精度要求。

(2)研制的激光摄影测树仪实现了无纸化自动测量，可对数据进行存储和导出，减少了内业处理工作量，且成本造价较低。另外，该仪器在作业时为无接触测量，可见即可测。与激光测距类型的仪器相比，避免了激光测距仪在测量时，树皮的不平整造成返回信号弱或返回信号有偏差等问题。因此，该仪器在林业基础调查和林分空间结构参数测量相关领域具有较好的应用前景。

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