劉海洋 馮仲科 呼 諾 劉金成 于新文

(1.北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所， 北京 100091)

0 引言

在森林資源清查過(guò)程中，立木胸徑的測(cè)量是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。立木胸徑是評(píng)價(jià)林業(yè)立地質(zhì)量、森林生長(zhǎng)情況以及森林經(jīng)營(yíng)管理的重要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，是我國(guó)森林資源連續(xù)清查中非常重要的調(diào)查因子?，F(xiàn)階段，我國(guó)森林資源連續(xù)清查測(cè)量作業(yè)主要采用人工接觸式的測(cè)徑圍尺測(cè)量方法，是通過(guò)測(cè)徑圍尺進(jìn)行手工測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中一般需要兩個(gè)人配合作業(yè)，一人測(cè)量一人記錄，測(cè)量效率較低，測(cè)量精度難以得到保障。因此，設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精準(zhǔn)、作業(yè)效率高的立木胸徑測(cè)量設(shè)備，解決林業(yè)調(diào)查人員的實(shí)際工作需求，具有較高的實(shí)用價(jià)值[3-7]。

隨著科技的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者不斷提出了新的測(cè)量方法，并先后開(kāi)發(fā)了新一代胸徑測(cè)量設(shè)備，其中主要測(cè)量方法體現(xiàn)在遙感反演[8-11]、三維激光掃描[12-14]、攝影測(cè)量等領(lǐng)域。國(guó)外立木胸徑測(cè)量設(shè)備價(jià)格昂貴，且操作性差，不適用于大面積的林業(yè)資源調(diào)查工作[15-16]。國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者們?yōu)榱诉m應(yīng)我國(guó)林業(yè)信息化和智能化的發(fā)展需求，也對(duì)立木測(cè)量設(shè)備與方式進(jìn)行了大量的研究[17-21]，但目前國(guó)內(nèi)研制的儀器還存在系統(tǒng)落后、便攜性差、精度較差、操作復(fù)雜等問(wèn)題。

本文以滿足國(guó)家森林資源連續(xù)清查實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，考慮立木胸徑測(cè)量過(guò)程中設(shè)備所需的便攜性、高精度、高效率等作業(yè)特點(diǎn)，將手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備與安卓手機(jī)數(shù)據(jù)接收客戶端軟件結(jié)合，設(shè)計(jì)基于電子信息技術(shù)和機(jī)械原理的胸徑傳感器，以期實(shí)現(xiàn)立木胸徑的高精度測(cè)量。

1 原理與方法

1.1 硬件設(shè)計(jì)

手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備主要包括Arduino芯片、胸徑傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)ROM(Read only memory)/RAM(Random access memory)、WiFi通訊模塊、LCD顯示屏、時(shí)間模塊、控制按鍵和電源等部分組成。外殼采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的金屬外殼，雙USB(Universal serial bus)接口提供數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備設(shè)置和外部充電等。其中Arduino芯片采用Arduino Yun Min，是利用ATmege 32u4 MCU和QCA MIPS 24K SoC CPU(工作頻率高達(dá)400 MHz)開(kāi)發(fā)的面包板，胸徑傳感器模塊由本文設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)設(shè)備RAM為64 MB DDR2，存儲(chǔ)ROM容量為4 GB，通訊模塊采用內(nèi)置WiFi(IEEE 802.11b/g/n運(yùn)行時(shí)最高150 Mb/s 1x1 2.4 GHz)，LCD顯示屏采用四位共陰紅色高亮數(shù)字顯示管，時(shí)間模塊采用DS1037高精度時(shí)鐘芯片，采用電壓5 V、電容量10 000 mA·h鋰電池供電。圖1a為硬件設(shè)計(jì)圖，圖1b為試驗(yàn)樣機(jī)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1胸徑測(cè)量設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

在Arduino IDE 1.7.8開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)胸徑測(cè)量設(shè)備軟件，利用C++編程語(yǔ)言的Arduino語(yǔ)法編寫(xiě)嵌入式代碼，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括胸徑測(cè)量主程序模塊、按鍵控制程序模塊、時(shí)間控制程序模塊、校準(zhǔn)與歸零點(diǎn)設(shè)置程序模塊等，最終集成為完整的嵌入式胸徑測(cè)量設(shè)備軟件，嵌入式程序流程圖如圖2所示。

圖2 嵌入式程序流程圖Fig.2 Flow chart of embedded program

為提高胸徑測(cè)量設(shè)備的作業(yè)效率和實(shí)用性，開(kāi)機(jī)后主程序會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到胸徑測(cè)量功能，開(kāi)機(jī)到可測(cè)徑過(guò)程僅需1 s，其余操作需通過(guò)按鍵完成操作，在測(cè)量過(guò)程中所有按鍵操作均會(huì)被記時(shí)，在10 s內(nèi)如不能完成剩余操作，程序會(huì)放棄當(dāng)前操作直接跳轉(zhuǎn)至胸徑測(cè)量，這種操作設(shè)計(jì)可將胸徑測(cè)量設(shè)備調(diào)整到隨時(shí)可測(cè)量狀態(tài)，提高作業(yè)效率。

1.2.2Android手機(jī)數(shù)據(jù)接收端設(shè)計(jì)

利用Java語(yǔ)言匯編實(shí)現(xiàn)手機(jī)數(shù)據(jù)接收端APP，在Android Studio 2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境下集成，通過(guò)WiFi通訊方式和測(cè)量設(shè)備連接，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)提取調(diào)用、數(shù)據(jù)編輯、導(dǎo)出Excel等功能。進(jìn)入主程序功能選擇界面，可對(duì)數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)格式、編碼進(jìn)行預(yù)設(shè)置，設(shè)置后可在測(cè)量過(guò)程中自動(dòng)生成數(shù)據(jù)目錄、編碼等，記錄測(cè)量時(shí)間、GPS狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，可對(duì)胸徑測(cè)量設(shè)備已測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、調(diào)用、編輯(包括增加、刪除、修改、查詢等)、導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)等。

1.3 胸徑測(cè)量原理

手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備的胸徑測(cè)量值由胸徑傳感器中鋼絲拉伸長(zhǎng)度決定，即胸徑傳感器通過(guò)鋼絲拉伸長(zhǎng)度不同而輸出不同的電壓信號(hào)值，本文設(shè)計(jì)的胸徑傳感器原理如圖3所示。

圖3 胸徑傳感器原理圖Fig.3 DBH sensor principle diagram1.精密螺紋 2.中心軸 3.精密螺母 4.中心軸a處鋼絲線圈 5.中心軸b處齒輪 6.外部傳動(dòng)軸 7.有齒滑動(dòng)桿 8.滑動(dòng)變阻器 9.鋼絲 10.外殼

胸徑傳感器由外殼、螺母和設(shè)置在外殼內(nèi)部的中心軸、齒輪、鋼絲、外部傳動(dòng)軸和滑動(dòng)變阻器組成，在測(cè)量樹(shù)木胸徑時(shí)，鋼絲被向外拉伸，中心軸上的鋼絲伸出，拉抻帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)中心軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)外部傳動(dòng)軸，外部傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的有齒滑動(dòng)桿滑動(dòng)，有齒滑動(dòng)桿滑動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的電阻絲長(zhǎng)度發(fā)生變化，電阻絲長(zhǎng)度的變化量對(duì)應(yīng)樹(shù)木胸徑，利用滑動(dòng)變阻器分壓式連接方法可將電阻變量轉(zhuǎn)換為電壓變量，利用Arduino芯片讀取并計(jì)算電壓變化值，從而得出胸徑實(shí)際測(cè)量值。

胸徑D與鋼絲長(zhǎng)度L關(guān)系為

(1)

鋼絲長(zhǎng)度L與電阻變化量Ri關(guān)系為

L=RiA

(2)

式中A——設(shè)備電阻系數(shù)

電阻變化量Ri與測(cè)量變化關(guān)系為

(3)

式中V1——測(cè)量時(shí)電壓

V0——未測(cè)量時(shí)初始電壓

V——電源電壓

R——滑動(dòng)變阻器最大電阻

由式(1)～(3)可以推導(dǎo)出胸徑D與測(cè)量時(shí)電壓V1間的關(guān)系為

(4)

由于式(4)中V0、V、R、A都為常量，可化簡(jiǎn)為

D=K(V1-V0)

(5)

式中K——試驗(yàn)系數(shù)，可經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)求得

由式(5)可看出，測(cè)量時(shí)電壓V1與胸徑D呈線性相關(guān)。

為了保證高精度胸徑測(cè)量，中心軸內(nèi)部鋼絲采用單圈纏繞方式，并在中心軸與外殼間設(shè)計(jì)了精密螺紋和螺母，鋼絲單圈纏繞寬度與螺紋的單圈寬度相同并反向安裝，當(dāng)鋼絲被拉伸時(shí)，鋼絲圈數(shù)減少，出線位置向上移，將螺紋反向安裝，中心軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生向下位移與線圈位移相互抵消，最終確保鋼絲出線口與鋼絲始終保持平行，可以確保鋼絲拉伸長(zhǎng)度與中心軸旋轉(zhuǎn)角度成線性正相關(guān)關(guān)系，從而提高測(cè)量精度。在傳動(dòng)軸外部還設(shè)有彈簧裝置，拉伸鋼絲后可自動(dòng)彈回。

1.4 胸徑測(cè)量技術(shù)流程

(1)在立木測(cè)量時(shí)將高精度胸徑測(cè)量設(shè)備圍于被測(cè)樹(shù)木距地面高度1.3 m胸徑處，拉出鋼絲環(huán)繞胸徑一周，鋼絲頂部金屬帽與出線口重新對(duì)齊。

(2)測(cè)量結(jié)束時(shí)，可按確認(rèn)鍵，胸徑測(cè)量設(shè)備會(huì)讀取當(dāng)前胸徑，并暫時(shí)顯示到液晶屏中，如需重新測(cè)量按設(shè)備返回鍵即可。數(shù)據(jù)需要保存時(shí)，再按一次確認(rèn)鍵即可自動(dòng)編碼保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(3)打開(kāi)手機(jī)數(shù)據(jù)接收端APP，可實(shí)時(shí)接收測(cè)量數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)測(cè)量樣地名稱、編號(hào)、樹(shù)種名稱等信息，手機(jī)APP可根據(jù)預(yù)設(shè)信息自動(dòng)編碼，也可測(cè)量后提取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，根據(jù)樣地名稱、測(cè)量編號(hào)、樹(shù)種名稱、測(cè)量時(shí)間等信息進(jìn)行調(diào)用，在APP中管理、編輯、調(diào)用和導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)并保存。如圖4a所示為胸徑測(cè)量作業(yè)圖，圖4b為數(shù)據(jù)接收APP結(jié)果顯示。

圖4 胸徑測(cè)量作業(yè)和數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.4 DBH measurement and data results

測(cè)量作業(yè)操作需要注意：手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備使用前需進(jìn)行校正，校正歸零點(diǎn)即鋼絲未測(cè)量拉出時(shí)狀態(tài)，校準(zhǔn)固定測(cè)量值時(shí)狀態(tài)(本文采用直徑為20 cm的圓柱體進(jìn)行校準(zhǔn))，確保測(cè)量精度。測(cè)量胸徑時(shí)拉出金屬絲呈環(huán)形圍繞胸徑后，鋼絲頂部金屬帽與出線口對(duì)齊，并將出線口緊貼樹(shù)干(金屬帽為中空直徑7 mm管，頂部中心于鋼絲連接，尾部根據(jù)拉伸姿勢(shì)調(diào)節(jié)與樹(shù)木間隙小于3.5 mm)，防止拉伸冗余產(chǎn)生測(cè)量誤差。

2 試驗(yàn)

2.1 材料與方法

試驗(yàn)材料為手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備1臺(tái)，測(cè)徑圍尺2個(gè)，電子條碼測(cè)徑尺1個(gè)(精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制)，安裝配套APP的智能手機(jī)2部，攝影測(cè)量設(shè)備1套。測(cè)量結(jié)果以測(cè)徑圍尺作為標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)前調(diào)整手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備并校驗(yàn)，并檢查APP各項(xiàng)功能。

分別對(duì)手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備、測(cè)徑圍尺、電子條碼測(cè)徑尺與攝影測(cè)量設(shè)備進(jìn)行工作效率對(duì)比試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中需要記錄樣地名稱、樹(shù)木編號(hào)、胸徑結(jié)果等信息，并以Excel數(shù)據(jù)結(jié)果為最終結(jié)果，對(duì)比和分析不同方法的測(cè)量時(shí)間。

測(cè)徑圍尺與手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量樣地名稱、編號(hào)、樹(shù)種、胸徑等信息并以測(cè)徑圍尺為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量精度。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1胸徑測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

在西山試驗(yàn)林場(chǎng)、松山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)、香山公園、北京植物園等地，選取不同徑階的黑松、油松、雪松、側(cè)柏等針葉樹(shù)，蒙古櫟、白蠟、欒樹(shù)、楓樹(shù)等闊葉樹(shù)進(jìn)行立木胸徑測(cè)量試驗(yàn)。選擇測(cè)徑圍尺與手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量精度對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量高度均在樹(shù)木距地面高度1.3 m處，取單次測(cè)量值無(wú)重復(fù)測(cè)量，驗(yàn)證手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備的精度同時(shí)檢驗(yàn)適用范圍及其測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 對(duì)比試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.5 Contrast test results

立木胸徑精度測(cè)試試驗(yàn)分別測(cè)量了294棵樹(shù)，胸徑均勻分布在5～40 cm之間，從測(cè)量數(shù)據(jù)分析得出其測(cè)量相對(duì)誤差為0.264 6～1.351 4 cm，平均絕對(duì)誤差為0.004 1 cm，平均相對(duì)誤差為0.03%，測(cè)量的平均精度為99.97%。

2.2.2不同樹(shù)種精度分析

將測(cè)量數(shù)據(jù)按樹(shù)種進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同樹(shù)種數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of different tree species data

由表1可以看出，本測(cè)量設(shè)備在不同樹(shù)種間測(cè)量平均絕對(duì)誤差在0.001 8～0.003 8 cm之間，各種不同樹(shù)種間測(cè)量精度范圍為99.97%～99.98%,不同樹(shù)種間的測(cè)量對(duì)胸徑測(cè)量設(shè)備精度影響較小，平均測(cè)量精度高達(dá)99.97%，本設(shè)備可適用于多樹(shù)種立木胸徑測(cè)量。

2.2.3不同徑階精度分析

為驗(yàn)證胸徑測(cè)量的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)所測(cè)的294組數(shù)據(jù)進(jìn)行徑階劃分。按照森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定進(jìn)行徑階劃分，采用上限排外法，以5.0～12.9 cm為小徑階(A)，13.0～24.9 cm為中徑階(B)，25.0～36.9 cm為大徑階(C)，37.0 cm以上為特大徑階(D)，將所測(cè)數(shù)據(jù)劃分為A、B、C、D共計(jì)4個(gè)徑階級(jí)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同徑階級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of different diameter class data

從表2可以看出，本胸徑測(cè)量設(shè)備的胸徑測(cè)量精度較高也較穩(wěn)定，但是隨著測(cè)量胸徑逐漸增大，胸徑測(cè)量絕對(duì)誤差開(kāi)始增加，主要原因是手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備采用機(jī)械原理研制，并通過(guò)精密螺紋與鋼絲位置位移互補(bǔ)矯正精度，測(cè)量量程增長(zhǎng)，螺紋旋轉(zhuǎn)周數(shù)增加矯正誤差會(huì)隨之增大，因此在較粗胸徑測(cè)量時(shí)測(cè)量絕對(duì)誤差也會(huì)增大。雖然絕對(duì)誤差有所增大，但測(cè)量精度依然不小于99.97%，高于國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定測(cè)徑20 cm以上、測(cè)量誤差小于1.5%的要求，符合國(guó)家森林資源連續(xù)清查的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4野外作業(yè)效率分析

選取西山試驗(yàn)林場(chǎng)中的一片小樣地進(jìn)行多種測(cè)量方式的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)樣地內(nèi)的62棵樹(shù)分別以測(cè)徑圍尺、普通攝影測(cè)量、電子條碼測(cè)徑尺和手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備4種測(cè)量?jī)x器對(duì)比測(cè)量，分別記錄測(cè)量所需外業(yè)、內(nèi)業(yè)所需要的時(shí)間，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 作業(yè)效率對(duì)比Tab.3 Comparison of work efficiency

由表3可以看出，在野外小樣地實(shí)地測(cè)量試驗(yàn)中傳統(tǒng)測(cè)量方式測(cè)徑圍尺和普通攝影測(cè)量方式，在外業(yè)測(cè)量后還需長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)業(yè)處理才能完成全部工作，耗時(shí)分別為22.5 min和23.5 min，相對(duì)較長(zhǎng)，電子條碼測(cè)徑尺無(wú)需內(nèi)業(yè)操作，工作效率得到明顯提升，工作總耗時(shí)11.5 min，但操作方式需固定好條碼、手機(jī)掃描才能讀取數(shù)據(jù)，測(cè)量操作較為復(fù)雜。手持式測(cè)徑設(shè)備解決了單人即可完成測(cè)量工作的需求，同時(shí)無(wú)需內(nèi)業(yè)操作，測(cè)量操作更簡(jiǎn)單，使用更方便，工作效率高于其他3種測(cè)量方法，測(cè)量效率是測(cè)徑圍尺的2倍以上。

3 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)的圍尺測(cè)徑原理基礎(chǔ)上，利用機(jī)械原理、電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種手持式高精度立木胸徑測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備可將測(cè)量的立木胸徑長(zhǎng)度信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，在電壓信號(hào)的變化量中提取精確的長(zhǎng)度數(shù)字信息，經(jīng)過(guò)內(nèi)置CPU解算得到立木胸徑，并將測(cè)量值顯示在LCD顯示屏中?？筛鶕?jù)需求記錄和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，與手機(jī)數(shù)據(jù)接收端APP協(xié)同使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)接收和讀取，及測(cè)量數(shù)據(jù)的調(diào)用、編輯、導(dǎo)出Excel等功能。

(2)設(shè)計(jì)的立木胸徑測(cè)量設(shè)備在不同樹(shù)種間測(cè)量精度不小于99.97%，滿足國(guó)家森林資源連續(xù)清查工作的精度要求。在測(cè)量作業(yè)實(shí)踐工作方面，單人測(cè)量作業(yè)即可完成，數(shù)據(jù)自動(dòng)編碼和記錄，無(wú)需內(nèi)業(yè)人員后處理等，與其他傳統(tǒng)方式相比，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，測(cè)量速度更快，在一定程度上節(jié)約了時(shí)間成本和人力成本。