高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

便携式树木胸径测量系统的研制

孙林豪 方陆明 唐丽华 刘江俊

孙林豪, 方陆明, 唐丽华, 刘江俊. 便携式树木胸径测量系统的研制[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
引用本文: 孙林豪, 方陆明, 唐丽华, 刘江俊. 便携式树木胸径测量系统的研制[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
Sun Linhao, Fang Luming, Tang Lihua, Liu Jiangjun. Developing portable system for measuring diameter at breast height[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
Citation: Sun Linhao, Fang Luming, Tang Lihua, Liu Jiangjun. Developing portable system for measuring diameter at breast height[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102

便携式树木胸径测量系统的研制

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
基金项目: 

浙江省科技重点研发计划资助项目 2018C02013

详细信息
    作者简介:

    孙林豪。主要研究方向:林业信息技术。Email:495639484@qq.com 地址:311300 浙江省临安市浙江农林大学信息工程学院

    通讯作者:

    方陆明,博士,教授。主要研究方向:林业智能监测和信息处理。Email:fluming@126.com 地址:同上

  • 中图分类号: S758.5

Developing portable system for measuring diameter at breast height

图(12) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  763
  • HTML全文浏览量:  174
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-22
  • 修回日期:  2018-01-26
  • 刊出日期:  2018-09-01

便携式树木胸径测量系统的研制

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
    基金项目:

    浙江省科技重点研发计划资助项目 2018C02013

    作者简介:

    孙林豪。主要研究方向:林业信息技术。Email:495639484@qq.com 地址:311300 浙江省临安市浙江农林大学信息工程学院

    通讯作者: 方陆明,博士,教授。主要研究方向:林业智能监测和信息处理。Email:fluming@126.com 地址:同上
  • 中图分类号: S758.5

摘要: 目的树木胸径为距根茎1.3m处的树木直径,是森林调查最基本的因子之一。简便、快速、准确的测量与入库是森林调查追求的目标。为解决传统测量方法效率低、难以数字化及新产品成本高、便携性差、数据分析难以扩展等问题,急需研制集低成本、高精度、操作简便、耗时短等优点的便携式树木胸径测量系统。方法本文设计的便携式树木胸径测量系统,由嵌入式装置和上位机软件平台组成。嵌入式装置主要包含了绝对式编码器、无线通信模块、显示屏、按键和超声波传感器等元件;上位机软件平台由上位机、数据库、数据管理分析软件组成。测量时,首先在上位机设置好测量参数,按下开关1,启动超声波传感器测定离地的高度,当屏幕显示1.3米高度时,用编码器的拉绳绕树一周,按下开关2,测得胸径数据通过上位机上传到数据库。结果实验表明:系统胸径测量精度达99.97%, 平均单株树耗时5.3s,无需人工读取数据、手工录入数据和数据勘误,工作效率显著提升。结论本文的便携式树木胸径测量系统,在保证测量精度和效率的情况下,集测量、数据传输、存储、分析等功能于一体,实现了嵌入式、移动端、数据库、Web端的多平台联动,同时为胸径渐变生长持续感知与分析研究奠定了良好的基础。

English Abstract

孙林豪, 方陆明, 唐丽华, 刘江俊. 便携式树木胸径测量系统的研制[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
引用本文: 孙林豪, 方陆明, 唐丽华, 刘江俊. 便携式树木胸径测量系统的研制[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
Sun Linhao, Fang Luming, Tang Lihua, Liu Jiangjun. Developing portable system for measuring diameter at breast height[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
Citation: Sun Linhao, Fang Luming, Tang Lihua, Liu Jiangjun. Developing portable system for measuring diameter at breast height[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(9): 82-89. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180102
  • 树木胸径,是森林调查最基本因子之一;简便、快速、准确测量与入库是森林调查追求的目标[1]。然而,传统胸径测量采用卡尺、钩尺、测径围尺等,方式落后、功能单一、不够精准[2-4],人工读取、记录数据易错,数据难以及时入库,严重制约着森林资源调查工作[5-11]。目前,胸径测量仪和测量方法可分为非接触式和接触式测量两大类。非接触式测量,主要通过全站仪[12-13]、智能手机[14-15]、经纬仪[16-17]、激光[18-19]、相机[20-22]等设备在距离树木一定距离处获取胸径数据,虽然可以达到胸径测量数字化入库,但是因选取参考点问题、林木生长的不规则性和周边生长环境的复杂性问题以及便携性和成本等问题并没有得到广泛应用。接触式测量上需先将电子条形码[23]或容栅传感器[24-25]安装于树干,而后获取胸径数据,虽能保证一定的精度,但测量过程繁琐,不适合大规模的森林资源调查。再者,国外的装置[26](如:美国RD1000快特能测树仪)价格过于昂贵、后期维护较为困难、功能难以扩展,影响实际应用。

    为解决上述问题,本文研制了一款集低成本、高精度、操作简便、耗时短等优点,集测量、数据上传、管理和分析等功能于一体的便携式树木胸径测量系统。

    • 系统主要由嵌入式装置和上位机软件平台两部分组成。每套装置的成本在人民币500元以内。

      嵌入式装置主要包括6个部分:PCB电路主板,含电源及保护电路,用于搭载并连接其它模块;CPU模块,采用MK60D10芯片(ARM-CortexM4内核,32位处理器);绝对式光电编码器的主传感器模块;RS04超声波辅助传感器模块;蓝牙通信模块;按键、开关、显示屏等交互模块。

      上位机软件平台主要包括3个部分:Android上位机;MySQL数据库;数据管理分析软件。

    • 系统流程按初始化、测量和数据分析3个环节设计(图 1)。

      图  1  系统流程图

      Figure 1.  System flowchart

      (1) 初始化:调查员在智能手机的Android上位机上完成通信参数、校正参数、测量树种、地点的初始化设置,与嵌入式装置进行配对。

      (2) 测量胸径:完成配对后,调查员按下开关1启动嵌入式装置上的超声波传感器判断离地的高度。当显示屏上的高度为1.3m左右时,用编码器的拉绳绕树一周,按下开关2获取胸径数据自动上传至Android上位机并记录,中途可修改树种类别和删除错误数据。重复上述操作来完成所有测量作业,经确认上传至数据库存储。

      (3) 数据处理:数据完成存储后,通过Web环境下的数据管理分析软件对数据进行查询、统计和分析等处理。

    • 嵌入式装置具有外部环境量采集、多硬件环境支持以及交互与通信3大功能,其结构如图 2所示。

      图  2  嵌入式装置结构图

      Figure 2.  Structure of embedded device

      (1) 外部环境量采集:通过CPU模块控制主传感器模块和辅助传感器模块对外部环境量的采集,并自动换算成相关数据。

      (2) 多硬件环境支持:通过PCB电路主板对其他模块实现了各种芯片不同电压上的电源供应,基于充电、放电、防短路、防倒流上的电路保护,将各相关的电子原件之间数字电路或模拟电路联成一体。

      (3) 交互与通信:通过交互模块向CPU模块发送相关的操作指令来控制其他模块。并将采集的数据由通信模块传至上位机软件平台。

    • PCB电路使用Altium Designer软件进行原件库、原理图的绘制和PCB工程文件的设计,具有连接电子原件之间数字电路或模拟电路、充电保护、放电保护、电压转换、电源测量等功能。

    • 基于Keil Vision5软件,对CPU芯片的GPIO输入输出口、FTM输入捕捉、ADC模数转化、UART串口通信、PIT定时中断、SPI串行外设接口等诸多功能进行编程与实现。

    • RS04超声波传感器提供2~400cm的非接触式距离感测功能,感应角度不大于15°,测距精度可达3mm。已知声速v为344m/s,当CPU模块对RS04的脉冲触发引脚输入不少于10μs的高电平方波后,外部输入中断记录下声波往返时间t,根据式(1)得到设备的离地距离Dis。

      $$ \mathrm{Dis}=v \times t / 2 $$ (1)

      绝对式光电编码器,通过光电检测元件来确定码盘上的刻线位置,最后通过转换电路输出相应的方波(其原理如图 3所示);与增量式编码器相比较,可直接读出刻线位置的绝对值,无累积误差,断电后位置信息不丢失,精度取决于刻线的位数,适用于测量树木胸径这类静态变量。

      图  3  编码器内部原理图

      Figure 3.  Internals of encoder

      本系统使用的绝对式光电编码器线数n为500线,内径d为50cm,由式(2)得最小分辨率a为1mm。已知圆周率π,设正向零点漂移量为z,量程漂移比为p%,使用CPU模块分5次进行FTM输入捕捉,在PIT定时中断中记录下每次的脉冲数Nr,再由式(3)计算校正得该树的胸径Dt(本文中胸径的最小位取到0.01mm)。

      $$ a=d / n $$ (2)
      $$ D_{\mathrm{t}}=\left(\sum\limits_{i=1}^{5} N_{\mathrm{r} i} \times a / 5-z\right) / \pi \times p / 100 $$ (3)
    • 上位机软件平台构造如图 4所示。该平台主要实现两大功能:

      图  4  上位机软件构造图

      Figure 4.  Structure of upper computer software platform

      (1) 数据提取、保存和上传:通过安卓软件从嵌入式装置的通信模块上按照特定的通信协议和数据格式提取相关数据保存本地,并可将其上传至数据库。

      (2) 数据管理分析:通过数据管理分析软件,能进行数据增、删、改等相关操作,实现数据的查询、统计与分析等功能。

    • 系统的功能级数据流图遵循自顶向下、逐层分解的设计思路,如图 5所示。

      图  5  数据流图

      Figure 5.  Data flow diagram

    • Android上位机,基于Android Studio 3.0版本开发平台使用Kotlin编程语言设计。

      (1) 运行模型:该模型如图 6所示。

      图  6  运行模型图

      Figure 6.  Running module flowchart

      (2) 流程设计:软件流程如图 7所示。

      图  7  软件流程图

      Figure 7.  Software flowchart

      (3) 具体设计:调用了Button、EditText、ListView等控件进行了XML的界面设计;调用了Bluetooth、Sqlite和HttpUrl包等以及使用Handler进行跨线程软件设计。实际运行如图 8所示。

      图  8  Android上位机界面

      Figure 8.  Android upper computer interface

    • 系统使用Html、JS、PHP语言在Apache服务器上搭建。其主要功能:

      (1) 数据查询:根据一定的规则(例如树种、上次时间、地点等)查询数据并以表格的形式呈现、可导出Excel格式文件。

      (2) 数据管理:对数据实施更新、删除、插入等基本操作以及相应的安全管理。

      (3) 数据分析:将所采集得到的数据进行计算分析(如求平均值、标准差、中位数、方差分析、直线回归分析等)。

      系统基于MySQL数据库存储数据,设计了设备管理Device表、数据记录Data表,用于设备的登记注册和数据的记录。数据库的E-R模型如图 9所示。

      图  9  数据库E-R模型

      Figure 9.  Database E-R model

    • 实验材料有:嵌入式装置(图 10)、装有Android上位机的智能手机、电子秒表、传统的测径围尺(太平洋牌测树钢围尺,其测量结果作为实验数据的参考值)。

      图  10  嵌入式装置图

      Figure 10.  Embedded device

    • 为验证系统胸径测量准确性与效率, 实验按照本文1.1.2中前两个步骤, 在A地(浙江农林大学东湖校区)、B地(玉环湿地国家公园)各选取了100株树木进行胸径测量和测量耗时统计。选取测试样木的胸径分布范围为10~40cm, 且所测数据均为单次测量值, 无重复,不指定树种。同时,采用传统围尺测量胸径,并手工录入到本系统所开发的数据管理分析软件中和记录所耗时间及勘误时间。

    • A地的两种测量结果拟合如图 11所示, 其胸径测量的相对误差范围为-1.455%~0.497%, 平均相对误差为-0.13%, R2为0.99。B地的两种测量结果拟合如图 12所示, 测量相对误差范围为-1.663%~0.565%,平均相对误差为-0.213%, R2为0.99。

      图  11  A地测量结果图

      Figure 11.  Result of measurement in A place

      图  12  B地测量结果图

      Figure 12.  Result of measurement in B place

      分析后得出, 系统测量的平均精度为99.97%, 其测量结果与传统围尺测量值基本一致,平均胸径测量的精度误差在±1.7%以内。

    • 表 1可得:传统的围尺测量方式在A、B两地测量时间共消耗57min 27s,数据录入时间和勘误时间共消耗31min 11s, 平均每株树胸径测量需要26.59s。系统在A、B两地测量时间共消耗17min 56s,无录入和勘误时间,平均每株树胸径测量需要5.8s,约为传统方式的1/5,测量效率显著提升。

      表 1  耗时实验

      Table 1.  Time-consuming experiment

      方法
      Method
      测量时间
      Measuring time
      录入及勘误时间
      Recorded and corrected time
      总耗时
      Total time
      单株树平均耗时
      Average time of single tree
      传统围尺测量Traditional measurement by tape meter 57min 27s 31min 11s 88min 38s 26.59s
      本系统测量Measurement by this system 17min 56s 0min 0s 17min 56s 5.8s
    • (1) 系统的树木胸径测量精度高,实验测量精度达99.97%, 能够满足森林资源调查的精度要求。同时, 测量耗时短,平均单株树耗时5.3s,无需人工读取数据、手工录入数据和数据勘误,效率显著提升。

      (2) 与全站仪、经纬仪、激光相比,系统成本更低,携带方便。与智能手机、相机相比,系统精度更高,无需考虑枝叶遮挡胸径的情况,可适应各类测量环境。与电子条形码、容栅传感器、国外的装置相比,系统一体化程度高,数据分析扩展性强。

      (3) 系统具有集成性,融测量、数据传输、存储、分析等功能于一体,实现了嵌入式、移动端、数据库、Web端的多平台联动。

      (4) 系统采用编码器的拉绳绕树一周测量胸径,仍有不便且影响效率;胸径渐变生长持续测量的硬件封闭和树体安装;多节点网络测量系统研制,实现林分持续测量等问题都有待于进一步研究。

参考文献 (26)

目录

    /

    返回文章
    返回