周玉晨,李 昀,林珂卉,沈皓晴,朱 琳,王佐銘

(北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,北京 100083)

森林調(diào)查是獲取森林信息,為林業(yè)管理決策和經(jīng)營(yíng)方案制訂提供依據(jù)的重要工作。盡管各種先進(jìn)的遙感技術(shù)在林業(yè)調(diào)查中被廣泛應(yīng)用[1-2],但地面人工外業(yè)調(diào)查仍是不可或缺的信息采集方式。隨著信息化的發(fā)展,包括從早期的掌上電腦PDA到現(xiàn)在的智能手機(jī)、平板電腦在內(nèi)的各種智能終端設(shè)備被引入到了野外調(diào)查的數(shù)據(jù)采集記錄中[3-8],取代了傳統(tǒng)以紙質(zhì)媒介記錄數(shù)據(jù)的方式,大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率。

隨著技術(shù)進(jìn)步和智能終端設(shè)備性能的提升,利用智能設(shè)備內(nèi)置的各種傳感器采集信息并集成到數(shù)據(jù)采集軟件中的相關(guān)文獻(xiàn)也不斷涌現(xiàn),如從地理坐標(biāo)和高程信息的采集、記錄[1,3-7],到實(shí)現(xiàn)樹(shù)高測(cè)量[7],更有研究提出利用智能手機(jī)內(nèi)置相機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬角規(guī)的原理[8]。本文正是在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于Android的森林調(diào)查數(shù)據(jù)采集軟件,實(shí)現(xiàn)了虛擬角規(guī)的功能,同時(shí)利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了在胸徑-樹(shù)高散點(diǎn)圖上繪制隨手曲線的功能,為標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查提供了方便手段,本系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理于一體,適合于生產(chǎn)、科研和教學(xué)等實(shí)際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到外業(yè)和內(nèi)業(yè)的分工,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為移動(dòng)端模塊和PC端模塊兩部分,移動(dòng)端軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理等外業(yè)工作,而PC端則是和移動(dòng)端對(duì)接,獲取移動(dòng)端采集的數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、存儲(chǔ)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理等內(nèi)業(yè)工作。移動(dòng)端APP軟件主要分為三大功能,即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和軟件設(shè)置；PC端軟件同樣有三大功能,即數(shù)據(jù)導(dǎo)入,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。具體各個(gè)部分的功能可參見(jiàn)系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)圖(圖1)。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.1 移動(dòng)端軟件

1) 在移動(dòng)端三大模塊中,數(shù)據(jù)采集模塊的功能是根據(jù)小班調(diào)查過(guò)程中所需要采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)實(shí)際調(diào)查需要,本系統(tǒng)在制表界面提供胸徑表、樹(shù)高表、角規(guī)表這3種基本表的記錄存儲(chǔ)功能,并在算表界面的其他子界面提供了郁閉度的測(cè)算記錄以及標(biāo)準(zhǔn)木信息的記錄存儲(chǔ)功能,如圖2、圖3所示。虛擬角規(guī)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)同樣記錄在角規(guī)表中。根據(jù)李軼濤[9]調(diào)查數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法,所有基本表均選擇Excel作為數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)格式,且考慮并實(shí)現(xiàn)了滿足不同Excel版本的兼容性要求。系統(tǒng)會(huì)利用手機(jī)存儲(chǔ)卡的不同目錄對(duì)不同類(lèi)型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行組織存儲(chǔ)。并且每個(gè)數(shù)據(jù)文件將以測(cè)量時(shí)間、測(cè)量地點(diǎn)和樣地號(hào)等信息作為文件名,方便用戶對(duì)測(cè)量記錄進(jìn)行查看檢索。

2) 數(shù)據(jù)處理模塊滿足了小班調(diào)查中對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理需求。制表界面提供了徑階表的自動(dòng)生成功能,通過(guò)對(duì)原始胸徑表和樹(shù)高表的自動(dòng)徑階整化得到徑階表。算表界面的常用子界面提供了平均胸徑、平均樹(shù)高、平均胸?cái)嗝娣e和蓄積量的計(jì)算功能,其他子界面則提供了徒手曲線的繪制功能。

圖2 制表界面圖

圖3 算表界面其他子界面圖

3) 軟件設(shè)置模塊分為生成總表、藍(lán)牙分享、參數(shù)設(shè)置和意見(jiàn)反饋4部分。生成總表功能用于該次小班調(diào)查結(jié)束后,將所調(diào)查樣木的原始胸徑樹(shù)高信息按樣木號(hào)進(jìn)行匯總,并完成與PC端軟件的數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接工作。藍(lán)牙分享通過(guò)調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)終端數(shù)據(jù)文件的共享。參數(shù)設(shè)置則用于角規(guī)常數(shù)的設(shè)置,根據(jù)不同林地的實(shí)際情況和測(cè)量精度要求,用戶可選擇0.5,1,2,4等4種角規(guī)常數(shù),通過(guò)改變角規(guī)常數(shù)值,虛擬角規(guī)缺口大小會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。角規(guī)常數(shù)缺省值為1。

1.2 PC端軟件

PC客戶端使用C#語(yǔ)言在Microsoft Visual Studio平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā),同時(shí)也運(yùn)用了VBA和SQL編程語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了與移動(dòng)端的無(wú)縫對(duì)接,配套使用。可將移動(dòng)端測(cè)得的林分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以Excel文檔格式導(dǎo)入客戶端及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理。此外,PC端也可新建基礎(chǔ)表并保存于本地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立使用。相對(duì)移動(dòng)端而言,PC端進(jìn)行更加復(fù)雜的林分?jǐn)?shù)據(jù)處理,可實(shí)現(xiàn)徑階整化,樹(shù)高曲線擬合及多種方式的林分蓄積量計(jì)算等。其中,多數(shù)計(jì)算功能由SQL語(yǔ)句及存儲(chǔ)過(guò)程實(shí)現(xiàn)。樹(shù)高曲線則是借助Excel擬合功能通過(guò)宏來(lái)實(shí)現(xiàn),由整化后的徑階表擬合得到的指數(shù)、對(duì)數(shù)、多項(xiàng)式、乘冪等4種不同胸徑樹(shù)高曲線,每種曲線對(duì)應(yīng)的方程可求出一個(gè)林分平均高。用戶可根據(jù)Excel給出的擬合優(yōu)度R2大小或自身經(jīng)驗(yàn)選擇一種樹(shù)高曲線并將相應(yīng)林分平均高填入對(duì)話框用于計(jì)算。林分蓄積量計(jì)算包括了4種常用方法,分別為平均標(biāo)準(zhǔn)木法、標(biāo)準(zhǔn)表法、平均實(shí)驗(yàn)形數(shù)法及一元材積表法。樹(shù)高曲線擬合效果及平均標(biāo)準(zhǔn)木法對(duì)話框如圖4、圖5所示。

圖4 樹(shù)高曲線擬合效果

圖5 平均標(biāo)準(zhǔn)木法對(duì)話框

2 虛擬角規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)采集模塊中,除提供胸徑、樹(shù)高測(cè)量等數(shù)據(jù)的記錄外,主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了角規(guī)測(cè)樹(shù)功能。劉羽等[8]根據(jù)凸透鏡的成像原理,提出將手機(jī)攝像頭看成一組等同于凸透鏡的鏡片組,并給出了虛擬角規(guī)實(shí)際尺寸的轉(zhuǎn)換公式:

(1)

式中:l′為角規(guī)的實(shí)像尺寸；f為手機(jī)攝像頭的物理焦距；BAF為角規(guī)常數(shù)也稱為斷面積系數(shù),通常取值為0.5,1,2,4,本文以此作為實(shí)現(xiàn)虛擬角規(guī)的理論基礎(chǔ)。

2.1 虛擬角規(guī)缺口顯示原理

手機(jī)攝像頭獲取到的影像是先采集并呈現(xiàn)在感光元件上,再通過(guò)等比例映射顯示到手機(jī)屏幕上的。而整個(gè)手機(jī)屏幕又是像素點(diǎn)的陣列集合,每一個(gè)顯示在屏幕中的圖像均由若干個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成。因此,只需求出虛擬角規(guī)在屏幕中所占的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)便可在屏幕中畫(huà)出該角規(guī)缺口。由于智能手機(jī)需要調(diào)用硬件攝像頭預(yù)覽界面進(jìn)行測(cè)量,而公式(1)給出的虛擬角規(guī)實(shí)際尺寸是相較于感光元件尺寸大小的,不能直接換算成屏幕像素點(diǎn)個(gè)數(shù),需要通過(guò)公式(2)先求出屏幕呈現(xiàn)的角規(guī)尺寸與感光元件尺寸的比例關(guān)系:

K=l′/(s×p)

(2)

式中:K為比例值；l′為虛擬角規(guī)實(shí)際尺寸；s為感光元件單位像素尺寸；p為感光元件橫軸分辨率。

有了該比例關(guān)系,再利用屏幕分辨率,便可將虛擬角規(guī)相對(duì)于感光元件大小的實(shí)際尺寸轉(zhuǎn)化為角規(guī)缺口所占屏幕像素點(diǎn)個(gè)數(shù):

N=K×p′

(3)

式中:N為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；K為上述求得的比例值；p′為手機(jī)屏幕分辨率。成像原理如圖6所示,虛線為輔助線,無(wú)實(shí)際意義。

圖6 虛擬角規(guī)成像原理

2.2 虛擬角規(guī)實(shí)現(xiàn)

為了在硬件攝像頭預(yù)覽圖像上繪制出虛擬角規(guī)缺口,整個(gè)測(cè)量功能需要采用frameLayout布局,該布局特點(diǎn)是能進(jìn)行覆蓋堆疊。在底層圖層的View中獲得手機(jī)攝像頭的預(yù)覽界面,同時(shí)利用頂層圖層繪制虛擬角規(guī)缺口,通過(guò)圖層的覆蓋疊加來(lái)模擬人眼進(jìn)行角規(guī)測(cè)量時(shí)的影像。Android封裝好的SurfaceView類(lèi)中擁有可以用于自定義繪制界面的Surface,通過(guò)調(diào)整屬性值可以自由控制其格式和尺寸,因此利用其作為手機(jī)攝像頭預(yù)覽界面顯示的底層類(lèi)是很好的選擇。利用setPreviewSize()方法可以調(diào)整與手機(jī)屏幕相匹配的攝像頭預(yù)覽界面尺寸,保證預(yù)覽界面的可視性。在獲得預(yù)覽畫(huà)面時(shí),需要利用Camera.cancelAutoFocus()來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦,提高預(yù)覽界面的清晰程度。由于手機(jī)攝像頭受手機(jī)機(jī)身尺度的影響,不能進(jìn)行光學(xué)變焦,自動(dòng)調(diào)焦所改變的虛擬角規(guī)尺寸投影到屏幕不到一個(gè)像素點(diǎn),因此可將手機(jī)攝像頭視為固定物理焦距的鏡片組,即自動(dòng)調(diào)焦對(duì)手機(jī)攝像頭的物理焦距無(wú)明顯影響,轉(zhuǎn)換公式仍可行[8]。

通過(guò)讀取相應(yīng)配置文件得到角規(guī)常數(shù),并結(jié)合上述轉(zhuǎn)換公式便可計(jì)算出虛擬角規(guī)缺口所占像素個(gè)數(shù),便可在手機(jī)中央靜態(tài)繪制出虛擬角規(guī)缺口。由于手機(jī)型號(hào)不同,相應(yīng)手機(jī)參數(shù)不同,因此繪制的虛擬角規(guī)缺口也不盡相同。在此,有2種設(shè)計(jì)思想:一是將各個(gè)型號(hào)的手機(jī)參數(shù)提前寫(xiě)在配置文件中,當(dāng)需要繪制虛擬角規(guī)時(shí)讓用戶選擇手機(jī)型號(hào),進(jìn)行靜態(tài)繪制；二是不提前創(chuàng)建配置文件,所有手機(jī)參數(shù)讓用戶自己輸入,動(dòng)態(tài)繪制虛擬角規(guī)缺口?？紤]到手機(jī)型號(hào)的多樣化,本系統(tǒng)采用第2種設(shè)計(jì)思想,即用戶自己輸入相應(yīng)手機(jī)參數(shù),動(dòng)態(tài)繪制虛擬角規(guī)缺口。本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇了小米3和魅族MX2兩款不同型號(hào)的手機(jī)進(jìn)行虛擬角規(guī)缺口的繪制和實(shí)現(xiàn),由手機(jī)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)可知小米3手機(jī)攝像頭的物理焦距為3.51mm,單位像素尺寸為1.12μm,橫軸屏幕分辨率為1 080,感光元件橫軸分辨率為3 120；魅族MX2手機(jī)攝像頭的物理焦距為4mm,單位像素實(shí)際尺寸為1.4μm,橫軸屏幕分辨率為800,感光元件橫軸分辨率為2 464。

利用虛擬角規(guī)功能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí),根據(jù)角規(guī)測(cè)量的技術(shù)規(guī)程,系統(tǒng)設(shè)置了正反轉(zhuǎn)檢測(cè),若正反轉(zhuǎn)結(jié)果相差超過(guò)1則需重新測(cè)量,不超過(guò)1則可記錄當(dāng)前測(cè)量值,減少因測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

3 隨手曲線功能實(shí)現(xiàn)

隨手曲線是外業(yè)調(diào)查過(guò)程中根據(jù)徑階整化表隨手繪制的胸徑樹(shù)高曲線,其主要用于反映胸徑樹(shù)高之間的關(guān)系,完成標(biāo)準(zhǔn)木的選取工作。傳統(tǒng)方法是手工在坐標(biāo)紙上進(jìn)行繪制,工作效率低。考慮目前的智能手機(jī)和平板電腦的觸摸屏能夠采集手在屏幕上劃過(guò)的軌跡,將其和已錄入的數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖功能相結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)繪制曲線。本文在移動(dòng)端軟件中,通過(guò)調(diào)用軟件記錄的樣地胸徑、樹(shù)高數(shù)據(jù),經(jīng)自動(dòng)徑階整化后得到徑階表,并在手機(jī)屏幕上靜態(tài)繪制坐標(biāo)軸和所得徑階表中的數(shù)據(jù)點(diǎn),用戶可根據(jù)所給的數(shù)據(jù)點(diǎn)手動(dòng)在手機(jī)屏幕中畫(huà)出隨手曲線。繪制完成后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)計(jì)算得出的平均胸徑找到曲線上對(duì)應(yīng)的樹(shù)高值,并在屏幕上顯示平均胸徑和平均樹(shù)高,以用于標(biāo)準(zhǔn)木的選取。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)用Path.quadTo()方法為手指移動(dòng)的軌跡繪制貝塞爾曲線,利用bitmap.getPixel()方法獲取曲線上與平均胸徑橫坐標(biāo)相同的像素點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo),再轉(zhuǎn)換成自定義坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo),就可以得出平均樹(shù)高。圖7給出了隨手曲線示例。

圖7 樹(shù)高胸徑隨手曲線

4 結(jié)語(yǔ)

森林資源調(diào)查工作中,數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)、相關(guān)數(shù)據(jù)的求算和標(biāo)準(zhǔn)木的篩選是野外工作人員必需完成的任務(wù)?；贏ndroid的角規(guī)測(cè)樹(shù)及數(shù)據(jù)處理軟件充分利用智能手機(jī)屏幕分辨率高、記錄方便的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了記錄測(cè)算的無(wú)紙化,減少了數(shù)據(jù)處理的工作量。而在同一片樣地測(cè)量的APP使用者之間能通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸共享,更好地分配測(cè)量工作,減少測(cè)量次數(shù),為提高工作效率提供了有力的技術(shù)支持。同時(shí)PC客戶端輔助功能使得后期數(shù)據(jù)的處理更加便捷和多樣化,為信息提供了更加安全的存儲(chǔ)功能。該款軟件是智能手機(jī)應(yīng)用于林業(yè)行業(yè)的一次實(shí)踐,同時(shí)也可為林業(yè)相關(guān)生產(chǎn)、教學(xué)和科研提供工具。

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