一种适用于中小型乔木的单株立木材积无损测定方法与流程

一种适用于中小型乔木的单株立木材积无损测定方法
一、技术领域
1.本发明涉及一种计算单株立木材积的方法，主要是利用智能手机计算单株立木材积的方法。
二、技术背景
2.森林生态系统对动物和人类的生存至关重要，不仅在碳循环，水土保持，调节气候和生物多样性等方面提供服务，而且还为人类提供食品，木材和能源。森林蓄积量是森林中所有立木材积的总量，森林蓄积量不仅是评估森林资源状态和森林管理水平的重要因子，也是评估森林减少气候变化风险能力的重要指标，因此森林蓄积量是森林调查的主要因子之一。测量立木材积是准确评价森林蓄积量的基础，同时也是长期以来树木研究的重点。
3.在早期主要通过树干分析方法测量立木的材积，将样木伐倒后分析树干，获取编制材积表所需的建模样本，该方法耗时费力且对森林具有破坏性。相应地，一些研究人员提出建立非破坏性的木材体积估算方法，比如实验形数法、形点法、正形数法和望高法等。然而，因为操作繁琐和测量精度低等不利因素，这些方法的使用是有限的。因此，国内外学者希望建立一个可以快速准确测量木材体积的无损检测方法。近年来，地面观测技术、遥感技术、摄影测量技术、3d激光扫描技术等为森林资源清查提供了有效的解决方案，已被用于提取各种林业属性，但是如三维激光扫描仪和地面激光雷达等因为成本高而且数据处理也很困难，更适合应用在大规模的森林资源调查。在中国，如手持式电子测树枪、ccd超站仪、森林智能测绘记算器、微型超站仪、激光摄影测树仪等多功能综合测树仪的相继出现，形成了比较完整的森林地面调查技术体系。尽管上述技术可以解决立木材积的测量问题，但是这些相关的测量仪器需要较高的成本或者专业培训。目前的林业观测装备仍然存在成本较高、测量精度较低、集成度不高、便携性差和功能单一等缺点。计算机视觉的进步帮助研究人员开发了一些非常适用于森林调查的方法，具备精度高，价格低的特点。通过计算机视觉和地面观测技术获取立木材积，该方法的可行性已经被验证，但是使用该技术的设备通常是独立的数码相机，需要将像片导入电脑软件中处理，并且不能现场解算得到测量结果。在现有的森林调查方法中，尤其是在计算立木材积方面依然存在测量精度低、操作复杂、设备笨重或成本高等问题。这些因素不仅限制了该类设备在森林调查中推广应用，也制约了现代林业的计算机化。
4.本发明设计并开发了森林电子测树仪，它高度集成了具备蓝牙数据传输功的智能手机和激光测距仪，结合基于java语言开发的运行在智能手机中的森林调查软件，集成了测量角度和距离的功能，可以实时、快速、准确的测量立木的材积。森林电子测树仪的优点是比3d激光扫描仪便宜，携带方便，操作简单，不需要后期处理。本发明与传统方法相比减少了现场工作时间和工作量，一个人可以独立操作，无需额外的人员协助，实现真正意义上的非接触实时测量。此外，分别将全站仪和森林电子测树仪用于测量立木的材积，对获取的立木的材积数据进行了比较和分析，验证了使用森林电子测树仪精确测量立木材积的可行性。
三、

技术实现要素：

5.针对现有的计算单株立木材积技术存在的弊端和不足，补充传统的单株立木材积测量方法。本发明提供了一个既不损伤树木，又能以较高精度、较低成本、获取单株立木材积的方法。实现本发明的目的是提供一种用于中小型乔木 (5m～30m)的单株立木材积无损测定方法。
6.主要

技术实现要素：

7.1.一个使用森林调查智能测树仪(forest survey intelligent dendrometer，fsid) 计算单株立木材积的方法，其特征是：使用自主研发的fsid结合双点观测法，分别对立木进行照片获取，利用改进的伐倒木区分求积算法进行“立木区分求积”，通过立木树干分析与树干数据计算，最后进行立木材积计算，得出单株立木材积。
8.2.所述的fsid，由硬件和软件两部分组成。在硬件方面，搭载了android 8.0 操作系统，配备了角度传感器、摄像头、蓝牙等多种传感器。该仪器核心模块为手机，总重量小于2kg，携带方便，操作简单，与手机、激光测距仪和摄影平台高度集成。该仪器可以进行软件操作和实时数据处理，控制其他硬件模块的交互，激光测距仪测距后采用ble4.0低功耗蓝牙通信技术向手机提供高精度数据。摄影平台是一个三脚架，集成了硬件连接，用于放置和固定手机，可360
°
旋转，对地高度可任意调节。在软件方面，fsid在android studio 3.3开发平台上，使用java编程语言开发了森林调查软件，使用java native interface(jni)技术调用 open source computer vision library(opencv)接口处理立木照片。该软件可以实时测量立木的角度、距离和立木材积，对拍摄的立木进行照片拼接。用户可根据实际测量环境和测量工作要求对仪器进行调整，对角度数据、距离数据和图片进行处理。所有测量数据可以通过sqlite数据库存储或导出(.csv)格式。
9.3.所述的双点观测法，是在两个观测点，分别进行以下测量：(1)架设森林电子林木测量仪。打开森林测量软件，利用激光测距仪测量观测点到树干的水平距离。通过蓝牙将水平距离传输到手机。然后利用旋转平台，将摄像机中心的十字准线对准树顶的点和树底的点(树干与地面接触的部分)分别得到观测场地与树顶的角度和观测场地与树底的角度。(2)保持相机主光轴与地面平行，拍摄立木照片，测量参数包括观测站点和树顶的夹角α,观测站点和树底的夹角β,仪器和站之间的水平距离l，以及立木照片中校准线与树干的几个交点。当观测条件困难时对照片进行处理。
10.4.所述的照片处理，是指当观测地点离立木很近，或者待测的立木很高时，不可能通过拍照来包括立木的完整信息。因此，改变fsid的拍摄模式，对有重叠区域的树木进行多张照片拍摄。本方法所开发的软件通过水平倾斜的方式对所获得的照片进行逐个校正。将重叠部分的多张照片拼接在一起，形成一张包含直立木材完整信息的照片。在无法从一张照片上测量树体积的情况下，将两张或三张区域重叠的照片进行合并。
11.5.所述的树干图像分析，是指在对立木拍照后，软件界面会自动出现一条红色的校准线，将树干分成几个部分。沿垂直方向调整软件的红色校准线，将拍摄照片中的树干进行分段；水平方向滑动，确定各主干与标定线的左右交点，手动获取主干各截面与标定线的交点坐标。
12.6.所述的树干数据计算，是指软件根据下列公式自动计算出树干各部分底部的直径，标定线中点的坐标，以及根据公式计算出两条标定线之间的垂直高度。
13.h＝l(tanα tanβ)
[0014][0015][0016][0017]
h为树高。(p
tx
,p
ty
)和(p
bx
,p
by
)分别是树的顶部和底部的坐标。di是树干第 i点底部的直径。hi表示树干上两条相邻校准线在第i点处的垂直高度。(p
ilx
,p
ily
) 和(p
irx
,p
iry
)主干两侧在第i和定标线处的交点坐标。(p
itx
,p
ity
)和(p
ibx
,p
iby
) 分别表示主干两条相邻校准线在第i点的中点坐标。
[0018]
7.所述的立木材积计算，是指根据树干的几何形状和特征，使用fsid来近似整棵树的各部分。整个树干分为n个段，平均段长0.5～3m。将冠部视为一个圆锥体，冠部以下的部分视为圆锥体的截锥。最后，添加每个片段的体积，以获得整个站立木的体积。具体算法如下式所示。圆锥截锥体积计算公式为:
[0019][0020]
(i＝1,2，
…
，n)是圆锥截体的体积。h为圆锥的分段截锥的高度。du是圆锥截锥顶面的横截面直径，dd是圆锥截锥底面的横截面直径。圆锥体积计算公式为:
[0021][0022]vn
即圆锥体的体积。h
n-1
为圆锥体的高度(即冠的长度)，d
n-1
为圆锥体底部的直径(即圆锥体最低部分的直径)。总容积式v可表示为下式:
[0023][0024]
本项发明与现有方法相比具有以下优点：
[0025]
1.通过本方法分析获取单株立木材积，对树木没有损伤，适用于5～30m的乔木，适用于小范围的林木调查。
[0026]
2.本发明基于fsid和双点观测法，精度符合森林调查要求。
[0027]
3.本发明研发了一款便携式的森林智能测树仪器，经济成本较低。
[0028]
4.本发明便于推广和普及，操作简单和快捷。
四、附图说明
[0029]
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0030]
图1——森林调查智能树木测定仪示意图；
[0031]
图2——装备配套的软件示意图；
[0032]
图3——fsid的立木观测原理示意图；
[0033]
图4——立木材积模型示意图；
[0034]
图5——合并多张照片的摄影模式示意图；
[0035]
h为树高，hi为树干段高度，di树干段直径，l为观测点到立木的水平距离。α是观测站点和树顶的夹角,β是观测点到树底的角度，i＝1,2，
…
，n，其中dn＝0。
五、具体实施方式：
[0036]
基于双点观测法和fsid测定单株立木材积，具体实施方式是：
[0037]
1.选定测试立木，架设森林调查智能树木测定仪。打开森林测量软件，测量仪器和站之间的水平距离l。
[0038]
2.拍摄照片，若观测条件困难时对照片进行合并处理。测量观测站点和树顶的夹角α，观测站点和树底的夹角β，以及立木照片中校准线与树干的几个交点。
[0039]
3.通过app进行立木树干分析，将树干分为几段，并获取各主干与标定线的左右交点，手动获取主干各截面与标定线的交点坐标。
[0040]
4.利用获取的测量参数进行树干数据处理，最后进行立木材积计算，得出单株立木材积。
[0041]
5.本发明在androidstudio3.3开发平台上，使用java编程语言开发的森林调查软件，使用javanativeinterface(jni)技术调用opensourcecomputervisionlibrary(opencv)接口处理立木照片。该软件可以实时测量立木的角度、距离和立木体积。用户还可以根据实际工作需要，对拍摄的立木进行多张照片拼接。用户可根据实际测量环境和测量工作要求对仪器进行调整，通过各模块之间的信息传输和集成，对角度数据、距离数据和图片进行处理。所有生成体积数据、立木照片等测量参数可以通过sqlite数据库存储或导出(.csv)格式，也可使用jxl技术以电子表格形式导出数据。