楊 磊，徐偉恒*，孔 雷，趙曉峰，吳瑞旭

(1.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224；2.國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650224； 3.西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，云南 昆明 650224)

森林因子計(jì)測(cè)中，樹(shù)木直徑容易測(cè)量，測(cè)值穩(wěn)定，測(cè)量誤差小，是構(gòu)建單木和林分蓄積估算模型的經(jīng)典優(yōu)良指標(biāo)，特別是距根部1.3m處直徑(即胸徑)[1]。在林業(yè)領(lǐng)域中準(zhǔn)確獲取樹(shù)木直徑這一重要因子具有關(guān)鍵意義。本文對(duì)林木直徑測(cè)量的非接觸性和接觸性測(cè)量方法進(jìn)行討論，主要是從圍測(cè)、卡測(cè)和瞄測(cè)3種測(cè)量方法以及相對(duì)應(yīng)測(cè)量?jī)x器的優(yōu)缺點(diǎn)充分討論，從各類儀器的功能、結(jié)構(gòu)、原理、成本和誤差等方面進(jìn)行比較。根據(jù)測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法的不同，結(jié)合測(cè)量精度得出一種更適合未來(lái)林木直徑計(jì)測(cè)的方法。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的3種林木直徑測(cè)量方法以及相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行全方位的比較，將更適合的測(cè)量方法運(yùn)用在未來(lái)林木直徑測(cè)量?jī)x器研發(fā)和森林資源調(diào)查工作中，以期為林業(yè)工作者在具體工作中提供參考。

1 接觸性圍測(cè)

1.1 圍測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)原理

卷尺的結(jié)構(gòu)是由尺身、卷軸和卷?xiàng)l組成，在卷尺的中心依靠卷軸將具有彎曲性的尺身進(jìn)行卷曲收縮，卷?xiàng)l在卷尺的收縮性上起到很大的作用，該類儀器由于做工和自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，故成本很低，現(xiàn)有的圍尺市場(chǎng)價(jià)格均在幾元到十幾元不等。圍測(cè)類儀器測(cè)量原理如圖1所示，卷尺具有一定的寬度，設(shè)定卷尺寬度為L(zhǎng)，實(shí)測(cè)周長(zhǎng)為C0，理論周長(zhǎng)為C，實(shí)測(cè)直徑為D0，理論直徑為D。根據(jù)公式(1)計(jì)算出測(cè)量直徑真實(shí)值。

(1)

圖1 直徑測(cè)量原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the diameter measurement principle

1.2 圍測(cè)儀器的測(cè)量方法

圍測(cè)是利用測(cè)量?jī)x器圍繞林木直徑處進(jìn)行測(cè)量。圍測(cè)類儀器圍繞樹(shù)干一周，根據(jù)圓的周長(zhǎng)和直徑關(guān)系式(2)換算直徑，

d=L/π

(2)

式中，d表示林木直徑；L表示拉繩傳感器所截樹(shù)干截面的周長(zhǎng)。

1.3 圍測(cè)儀器的測(cè)量誤差

圍測(cè)儀器的誤差來(lái)源第一是柔性尺面的寬度的大小影響測(cè)量的系統(tǒng)誤差。第二是圍尺測(cè)量的長(zhǎng)度的大小影響測(cè)量的系統(tǒng)誤差。圍測(cè)儀器胸徑測(cè)量功能誤差主要是由卷尺寬度和實(shí)測(cè)周長(zhǎng)誤差引起的，根據(jù)圍測(cè)類胸徑測(cè)量式(3)，求全微分可得式(4)，根據(jù)誤差傳播定理可得式(5)。

(3)

(4)

(5)

式中：dD、dL和dC0分別是圍測(cè)類儀器測(cè)量樹(shù)木的胸徑D，卷尺寬度L和實(shí)測(cè)周長(zhǎng)C0的導(dǎo)數(shù)；?D、?L和?C0分別是圍測(cè)類儀器測(cè)量樹(shù)木的胸徑D，卷尺寬度L和實(shí)測(cè)周長(zhǎng)C0的誤差。

2 接觸性卡測(cè)

2.1 卡測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)原理

卡測(cè)類測(cè)量?jī)x器主要以卡尺為主要代表，卡尺由固定腳、滑動(dòng)腳和尺身3部分組成，固定腳和滑動(dòng)腳可以直接將卡尺固定在林木胸徑處，在固定腳和滑動(dòng)腳的下方是內(nèi)側(cè)為零刻度的尺身。該類儀器由于做工簡(jiǎn)單，構(gòu)成材料普通，所以儀器成本較低，以目前常用的卡尺為例，市場(chǎng)價(jià)格均在幾十元左右，價(jià)格便宜且能普遍接受。

2.2 卡測(cè)儀器的測(cè)量方法

卡測(cè)是指利用測(cè)量工具卡住林木需測(cè)量直徑處進(jìn)行測(cè)量?？y(cè)類儀器的測(cè)量方法是將固定腳固定在尺身一端，滑動(dòng)腳沿著尺身滑動(dòng)，根據(jù)滑動(dòng)腳的定位在尺身上讀出所測(cè)樹(shù)木的直徑值[1]?？y(cè)需要在同一位置進(jìn)行多次測(cè)量取平均值的方法得出測(cè)量值?？y(cè)類儀器做工簡(jiǎn)單，它需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)量同一待測(cè)點(diǎn)后取平均值得出結(jié)果，一定程度上影響了效率，同時(shí)也造成了誤差增大。

2.3 卡測(cè)儀器的測(cè)量誤差

卡測(cè)儀器在一定程度上也會(huì)受到橫截面不規(guī)則林木的影響，但是可以通過(guò)多次測(cè)量求平均提高精度，獲得直徑值。該類儀器的誤差主要是由測(cè)量次數(shù)的多少而引起的，根據(jù)卡測(cè)類儀器測(cè)量原理式(6)

(6)

3 非接觸性瞄測(cè)

3.1 瞄測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)原理

瞄測(cè)類儀器主要分為直接瞄測(cè)和間接瞄測(cè)兩類，以電子經(jīng)緯儀與CCD相機(jī)、單片機(jī)和傳感器為主要組成元件的一類儀器。其中，電子經(jīng)緯儀和單CCD相機(jī)為主要元器件組成的測(cè)量?jī)x器，在該類儀器中，在設(shè)計(jì)上配置高像素的單CCD相機(jī)是因?yàn)樾枰玫礁哔|(zhì)量的林木照片，從而精確地進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)分析計(jì)算出林木直徑。單片機(jī)的運(yùn)用在智能化測(cè)量?jī)x器中普遍存在，單片機(jī)是一種具有高集成、高效率運(yùn)算的電子模塊。

傳感器也是電子類儀器中的一個(gè)重要器件，比如激光測(cè)距傳感器、傾角傳感器、圖像傳感器等，這些元件的設(shè)計(jì)應(yīng)用使得測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程顯得更為簡(jiǎn)便，不需要人工參與測(cè)量例如距離、角度等一系列數(shù)據(jù)，而是直接將感應(yīng)數(shù)據(jù)參與單片機(jī)計(jì)算。

數(shù)據(jù)記錄模塊的應(yīng)用也是智能儀器中的重要部分，F(xiàn)lash閃存卡是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，具有非易失性，在不通電的情況下也能長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，相當(dāng)于存硬盤的儲(chǔ)特性。這滿足了林業(yè)調(diào)查中存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的需求，更有便于攜帶，運(yùn)用簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。

非接觸性測(cè)量原理指的就是在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中不需要與被測(cè)林木有接觸的一類儀器。非接觸式主要有帶式和點(diǎn)式兩類，以超站儀和全站儀為代表的點(diǎn)式非接觸式測(cè)樹(shù)儀主要是以一定角度，瞄測(cè)樹(shù)干某一高度縱剖面的邊界，采集樹(shù)干直徑數(shù)值。以特快能測(cè)徑儀為代表的帶式非接觸式測(cè)樹(shù)儀以設(shè)定一定帶長(zhǎng)，比照樹(shù)干某一高度樹(shù)干直徑長(zhǎng)度，采集樹(shù)木直徑數(shù)值。

圖2 非接觸式胸徑測(cè)量原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of non-contact thoracic diameter measurement

非接觸類測(cè)量?jī)x器多由一些高精度的電子類元器件組成，例如單CCD相機(jī)、電子經(jīng)緯儀、超站儀和一系列傳感器等，由于這一類電子類元器件的做工精密、程序復(fù)雜等因素，故而使非接觸 儀器的成本相對(duì)較高。現(xiàn)有的單CCD相機(jī)市場(chǎng)價(jià)格均在幾千元不等，而電子經(jīng)緯儀市場(chǎng)價(jià)格均在三千到五千不等，傳感器中以激光測(cè)距傳感器為例，市場(chǎng)價(jià)格均處于一千元左右。所以該類儀器成本相對(duì)較高且操作復(fù)雜，從而普及力度不是很大。

S=L·cosβ

(7)

式中：S是儀器中心到樹(shù)木中心的水平距離；L是儀器中心到樹(shù)木中心的斜距；β是S與L的垂直傾斜角。

圖3 非接觸式胸徑橫截面測(cè)量原理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the cross-section measurement of non-contact chest diameter

(8)

式中：H是儀器中心到樹(shù)木表面的水平距離；R是樹(shù)木水平橫截面半徑；α是儀器瞄測(cè)樹(shù)干兩邊的夾角。

圖4 非接觸式胸徑縱截面測(cè)量原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the measurement principle of non-contact diameter longitudinal section

(9)

式中：Z是儀器中心到樹(shù)木表面的斜距；D是樹(shù)木水平橫截面直徑。

3.2 瞄測(cè)儀器的測(cè)量方法

非接觸性通常指的是現(xiàn)有的一些電子類儀器，在不接觸到林木樹(shù)干的情況下，或瞄或拍照的方法測(cè)量。通過(guò)直接瞄測(cè)樹(shù)干縱剖面邊界和比較樹(shù)干橫截長(zhǎng)度，或者采用間接掃描拍照處理，獲取樹(shù)干直徑數(shù)值的方法。在這類儀器中，普遍常見(jiàn)的有超站儀、全站儀和CCD相機(jī)等。

3.2.1 非接觸性間接瞄測(cè)

間接瞄測(cè)是指通過(guò)掃描拍照模塊將林木橫截面拍照后進(jìn)行在處理，進(jìn)而獲取樹(shù)干直徑數(shù)值的方法。以CCD相機(jī)為代表的間接瞄測(cè)類儀器，利用CCD相機(jī)對(duì)林木的圖像信息進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)閾值分割、開(kāi)運(yùn)算、邊緣提取三個(gè)步驟處理后提取出林木胸徑的二維坐標(biāo)；再將采集其角度信息并轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、相機(jī)光心坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，得出三維坐標(biāo)，從而計(jì)算出林木胸徑[3]。

3.2.2 非接觸性直接瞄測(cè)

直接瞄測(cè)是通過(guò)直接瞄測(cè)樹(shù)干縱剖面邊界和比較樹(shù)干橫截長(zhǎng)度，獲取樹(shù)干直徑數(shù)值的方法。以全站儀為代表的瞄測(cè)儀器測(cè)量得出立木胸徑到全站儀中心的斜距，再將立木胸徑以上的樹(shù)干分成類似圓臺(tái)的n段，測(cè)量得出相應(yīng)各個(gè)位置的天頂距和水平角，從而計(jì)算出樹(shù)干各分段的直徑[10]。

以超站儀為代表的直接瞄測(cè)儀器測(cè)量時(shí)，電荷耦合器件圖像傳感器將光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，再用自身的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行白平衡、色彩校正等處理，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像呈現(xiàn)在屏幕上[18]。然后將圖像進(jìn)行灰度處理，確定分界點(diǎn)，并根據(jù)其像素坐標(biāo)值，計(jì)算出待測(cè)胸徑的像素值，再對(duì)圖像胸徑進(jìn)行糾正即可算出待測(cè)木胸徑。

3.3 瞄測(cè)儀器的測(cè)量誤差

瞄測(cè)測(cè)量功能誤差主要是由儀器中心到樹(shù)木表面的斜距、水平角和傾斜角誤差引起的，根據(jù)非接觸式胸徑測(cè)量式(10)，求全微分可得式(11)，根據(jù)誤差傳播定理可得式(12)。

(10)

(11)

?α/ρ2

(12)

式中，dD、dZ、dβ和dα分別是利用非接觸式胸徑測(cè)量樹(shù)木的胸徑D，儀器中心到樹(shù)木表面的斜距Z，S與L的垂直傾斜角β和儀器瞄測(cè)樹(shù)干兩邊的夾角α的導(dǎo)數(shù)；?D、?Z、?β和?α分別是利用非接觸式胸徑測(cè)量樹(shù)木的胸徑D，儀器中心到樹(shù)木表面的斜距Z，S與L的垂直傾斜角β和儀器瞄測(cè)樹(shù)干兩邊的夾角α的誤差；ρ為常數(shù)，在角度單位為秒時(shí)，ρ=206 265[4]。

綜上分析比較，接觸式測(cè)徑類儀器在進(jìn)行林木直徑測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差是很小的，在實(shí)際測(cè)量中是可以忽略不計(jì)的；非接觸式測(cè)徑儀器，在受到橫截面不規(guī)則林木或者不通視因素的影響時(shí)，測(cè)量精度大大降低；通過(guò)比較儀器的測(cè)量誤差，圍測(cè)類儀器精度最高，其次是卡測(cè)類，精度最低的瞄測(cè)類。

4 幾種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

本文主要論述的是接觸性儀器測(cè)量方法和非接觸性儀器測(cè)量方法。接觸性測(cè)量方法通常指的是類似于卡測(cè)和圍測(cè)等接觸林木樹(shù)干的測(cè)量方法，文中針對(duì)圍測(cè)類和卡測(cè)類儀器進(jìn)行了測(cè)量方法和儀器優(yōu)缺點(diǎn)比較；非接觸性通常指的是現(xiàn)有的一些電子類儀器，在不接觸到林木樹(shù)干的情況下，或瞄或拍照的方法測(cè)量，文中針對(duì)間接瞄測(cè)類和直接瞄測(cè)類儀器進(jìn)行了測(cè)量方法和儀器優(yōu)缺點(diǎn)比較。綜合比較分析兩種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 非接觸性與接觸性兩種測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)比較對(duì)照表

圍測(cè)儀器其做工簡(jiǎn)單、操作方便、成本低和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，使其具有廣泛的應(yīng)用。從測(cè)量方法與精度的角度來(lái)說(shuō)，圍測(cè)類儀器有兩個(gè)缺點(diǎn)，第一，是柔性尺面的寬度的大小影響測(cè)量的系統(tǒng)誤差，柔性尺面的寬度越大，測(cè)量的系統(tǒng)誤差越大；反之系統(tǒng)誤差越小。第二，是圍尺測(cè)量的長(zhǎng)度的大小影響測(cè)量的系統(tǒng)誤差，圍尺測(cè)量的長(zhǎng)度越大，測(cè)量的系統(tǒng)誤差越大；反之系統(tǒng)誤差越小。

卡測(cè)儀器和圍測(cè)類儀器類似，都具有做工簡(jiǎn)單、操作方便、成本低和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。卡測(cè)儀器需要在同一位置進(jìn)行多次測(cè)量取平均值的方法得出測(cè)量值。卡測(cè)儀器的缺點(diǎn)在于它需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)量同一待測(cè)點(diǎn)后取平均值得出結(jié)果，一定程度上影響了效率，同時(shí)也造成了誤差增大。

瞄測(cè)儀器在實(shí)際工作應(yīng)用不多，其做工復(fù)雜、操作復(fù)雜、成本相對(duì)較高和不便于攜帶的缺點(diǎn)是重要原因之一。同時(shí)，所有瞄測(cè)類儀器都有一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)，就是瞄測(cè)時(shí)是通過(guò)人眼瞄準(zhǔn)林木，如果瞄測(cè)點(diǎn)和待測(cè)林木之間的距離較遠(yuǎn)或者是待測(cè)物是非通直的林木時(shí)，人眼無(wú)法瞄準(zhǔn)林木進(jìn)行測(cè)量，這將大大影響測(cè)量誤差和效率。當(dāng)然，如果待測(cè)林木屬于孤島林木的話，瞄測(cè)類儀器可以在不接近林木本身的情況下進(jìn)行測(cè)量，這是卡測(cè)和圍測(cè)類儀器無(wú)法做到的。

綜上分析比較，接觸式測(cè)徑類儀器在進(jìn)行林木直徑測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差是很小的，在實(shí)際測(cè)量中是可以忽略不計(jì)的；非接觸式測(cè)徑儀器，在受到橫截面不規(guī)則林木或者不通視因素的影響時(shí)，測(cè)量精度大大降低；通過(guò)比較儀器的測(cè)量誤差，圍測(cè)類儀器精度最高，其次是卡測(cè)類，精度最低的瞄測(cè)類。

5 小結(jié)

通過(guò)對(duì)林木直徑在森林調(diào)查和森林計(jì)測(cè)中的應(yīng)用和意義以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行充分探討后，綜合考慮林木直徑測(cè)量方法所代表的測(cè)量?jī)x器的原理、結(jié)構(gòu)和精確度等幾個(gè)方面因素，對(duì)現(xiàn)有林木直徑測(cè)量?jī)x器進(jìn)行比較。

就測(cè)量方法而言，接觸性測(cè)量?jī)x器具有做工簡(jiǎn)單、便于攜帶、測(cè)量方法簡(jiǎn)化和精度高等幾方面的優(yōu)點(diǎn)。但是這類產(chǎn)品同樣也存在比如像卡尺測(cè)量效率低、測(cè)量時(shí)可受到不規(guī)則林木的影響等一些問(wèn)題；再者，如圍尺會(huì)受到自身尺身材質(zhì)的彈性、測(cè)量時(shí)尺身疊加后導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量距離為長(zhǎng)方形對(duì)角線等一系列問(wèn)題的影響。針對(duì)這些不足和缺點(diǎn)，在今后的現(xiàn)代化林業(yè)工作中，在智能林業(yè)測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)中來(lái)改進(jìn)的地方。比如，以現(xiàn)有的一些電子卷尺為例，在生產(chǎn)過(guò)程中可以盡量縮小其尺身寬度，使之測(cè)量時(shí)圍繞樹(shù)干后疊加范圍大大減小，從而提高圍測(cè)類測(cè)量?jī)x器的精度。所以，在未來(lái)新型林業(yè)調(diào)查測(cè)量?jī)x器的研究和研制中，要考慮和融入接觸類儀器的原理、方法和結(jié)構(gòu)，從而降低儀器的系統(tǒng)誤差，進(jìn)而提高林業(yè)工作效率。

就測(cè)量精度而言，接觸性儀器在實(shí)際操作過(guò)程中受到待測(cè)林木是否通直的影響小，精度也相對(duì)非接觸類儀器要高得多；以非接觸性為原理的一類儀器，做工復(fù)雜、測(cè)量方法繁瑣，在精度上較接觸性的儀器低很多，這主要體現(xiàn)在比如超站儀等瞄測(cè)類儀器存在人工瞄準(zhǔn)或者是待測(cè)林木為不規(guī)則林木時(shí)所會(huì)出現(xiàn)的較大誤差。所以，接觸類型的測(cè)量?jī)x器才是能在林業(yè)調(diào)查中廣泛運(yùn)用的儀器，同時(shí)也是可以在以后的林業(yè)調(diào)查儀器生產(chǎn)中融入的因素。

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