孔 雷李陸勛朱麗艷王海亮徐偉恒胡文洪

(1.國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216；2.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224；3.富民縣林業(yè)局森林病蟲害防治檢疫站，云南 富民 650400)

一種便攜式電子測(cè)徑儀的研制

孔 雷，李陸勛1，朱麗艷1，王海亮1，徐偉恒2，胡文洪3

(1.國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216；2.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224；3.富民縣林業(yè)局森林病蟲害防治檢疫站，云南 富民 650400)

設(shè)計(jì)了一種基于拉伸傳感器自動(dòng)測(cè)量記錄樹木直徑的設(shè)備——一種便攜式電子測(cè)徑儀，該設(shè)備以單片機(jī)、傳感器、卷尺和卷盤等主要硬件為基礎(chǔ)，基于脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換把傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成周長(zhǎng)與直徑，嵌入操作軟件，實(shí)現(xiàn)林木直徑的數(shù)字化精確測(cè)量。本研究將摒棄現(xiàn)有基于光學(xué)原理和機(jī)械原理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，開啟測(cè)樹儀器產(chǎn)品向集成化、微型化、數(shù)字化發(fā)展的新途徑。

林業(yè)；測(cè)量精度；數(shù)字化；智能化

在林業(yè)調(diào)查中，樹木的直徑是一個(gè)重要因子，精確獲取直徑數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵意義。在樹輪氣候?qū)W中，需要了解歷史時(shí)期的氣候變化，理解氣候?qū)淠緩较蛏L(zhǎng)的響應(yīng)機(jī)理[1]。用于樹干與木材直徑的測(cè)量工具種類很多，結(jié)構(gòu)繁簡(jiǎn)差別很大[2～5]。簡(jiǎn)單的有輪尺、直徑卷尺(圍尺)和檢徑尺(鉤尺)等[6]。以卡尺和輪尺為代表的測(cè)徑儀，這類儀器缺點(diǎn)主要是針對(duì)樹干橫截面不規(guī)則的問(wèn)題，需要在胸高位置多次測(cè)量不同方向的直徑，需要人工讀數(shù)，存在估讀誤差，且測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法直接保存，需要紙質(zhì)記錄，通常需要一人測(cè)量、一人記錄，工作效率低[7]。

目前，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些測(cè)量樹木胸高直徑的電子類產(chǎn)品，如樹木直徑記錄儀、測(cè)樹超站儀、藍(lán)色測(cè)徑儀、數(shù)碼測(cè)樹尺和果莖生長(zhǎng)測(cè)量尺等[8]。藍(lán)色測(cè)徑儀、數(shù)碼測(cè)樹尺和果莖生長(zhǎng)測(cè)量尺是瑞典Hagl?f公司的產(chǎn)品，其形狀類似卡尺，具有防水性能好、堅(jiān)固耐用、重量輕、價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，但同測(cè)樹超站儀一樣無(wú)法解決不規(guī)則形狀直徑的測(cè)量[9]。測(cè)樹超站儀是一臺(tái)集測(cè)徑、測(cè)高和定位多功能測(cè)樹儀，其測(cè)徑原理是將樹體分成上、中、下3部分，通過(guò)瞄準(zhǔn)器瞄準(zhǔn)樹體邊緣以求得3處的直徑[10]。這類儀器缺點(diǎn)有很多，第一是這種方法是將樹干橫截面當(dāng)成標(biāo)準(zhǔn)圓形，無(wú)法精確測(cè)量橫截面不規(guī)則胸高直徑；第二是用瞄準(zhǔn)鏡目測(cè)胸高直徑的系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差都非常大；這種儀器測(cè)量也沒(méi)有考慮過(guò)人體工學(xué)的問(wèn)題，目測(cè)林木胸徑的測(cè)量誤差會(huì)非常大，胸徑的微小差異都會(huì)引起林木蓄積和材積誤差幾何倍數(shù)增加；第三是這類瞄準(zhǔn)設(shè)備一般含瞄準(zhǔn)器(或者目鏡)和紅外線目標(biāo)點(diǎn)，在陰天或者光線不是很強(qiáng)的室內(nèi)還能看到紅外點(diǎn)，但是當(dāng)光線很強(qiáng)的野外就非常難找到紅外目標(biāo)點(diǎn)，因此很難進(jìn)行對(duì)胸徑的測(cè)量[11]。

便攜式電子測(cè)徑儀是一種基于拉伸傳感器自動(dòng)測(cè)量記錄林木直徑的設(shè)備。這種設(shè)備采用繞測(cè)的辦法，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成周長(zhǎng)與直徑，解決了橢圓型或者不規(guī)則形狀截面直徑測(cè)量[12]。便攜式電子測(cè)徑儀研制的目的是為了適應(yīng)野外，尤其是山區(qū)使用，儀器必須要計(jì)算量小、體積小、重量輕、便攜。

1 便攜式電子測(cè)徑儀的構(gòu)造

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

如圖1所示，電路板上設(shè)置有以單片機(jī)為核心的電路，電路由紐扣電池供電，單片機(jī)對(duì)外連接有校正按鈕、數(shù)據(jù)確認(rèn)/發(fā)送按鈕和開關(guān)機(jī)按鈕三個(gè)按鈕，以及液晶顯示屏、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、wifi設(shè)備、存儲(chǔ)器等。

圖1 便攜式電子測(cè)徑儀電路原理框圖

1.2 卷盤與卷尺

如圖2所示，校正按鈕、數(shù)據(jù)確認(rèn)/發(fā)送按鈕、開關(guān)機(jī)按鈕、液晶顯示屏設(shè)置在外殼的外表面，可以進(jìn)行功能操作和看見(jiàn)顯示的內(nèi)容。

如圖3所示，在外殼的里部空間中，設(shè)置有測(cè)量卷尺、卷盤、拉繩位移傳感器、電路板、紐扣電池、校正按鈕、數(shù)據(jù)確認(rèn)/發(fā)送按鈕和開關(guān)機(jī)按鈕等。儀器內(nèi)置一個(gè)滑輪，滑輪與卷尺緊密接觸，且不會(huì)發(fā)生打滑，在滑輪的中心有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，當(dāng)拉動(dòng)卷尺時(shí)，滑輪跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生脈沖，MCU對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算卷尺位移距離，轉(zhuǎn)換為林木周長(zhǎng)和直徑。當(dāng)卷尺歸位后，零點(diǎn)可能會(huì)有輕微波動(dòng)，這時(shí)需要進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)；或者需要把儀器特定長(zhǎng)度當(dāng)作零點(diǎn)時(shí)，可使用校正按鈕進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)數(shù)據(jù)測(cè)量完成時(shí)，按動(dòng)數(shù)據(jù)確認(rèn)/發(fā)送按鈕，將測(cè)量結(jié)果上傳至終端設(shè)備。

圖2 便攜式電子測(cè)徑儀外觀結(jié)構(gòu)圖

圖3 便攜式電子測(cè)徑儀內(nèi)剖視圖

2 胸徑測(cè)量原理與誤差傳播

如圖4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)

由胸徑測(cè)量原理與誤差傳播定理可得

(2)

式中ΔD、ΔC0和ΔL分別是直徑值D、卷尺實(shí)測(cè)周長(zhǎng)C0和卷尺寬度L的誤差；ΔC0為卷尺非水平引起的誤差；ΔL為未考慮卷尺寬度和疊加引起的誤差。

圖4 直徑測(cè)量原理示意圖

3 便攜式電子測(cè)徑儀的功能

測(cè)量工作人員站在目標(biāo)林木周圍，按下開關(guān)機(jī)按鈕將測(cè)量卷尺環(huán)繞林木一周。單片機(jī)根據(jù)按鈕的觸發(fā)辨識(shí)為開機(jī)需求，儀器上電，各器件進(jìn)行工作狀態(tài)。拉出測(cè)量卷尺，位移傳感器感應(yīng)卷尺的位移，將信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送給單片機(jī)，液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示卷尺的位移量；當(dāng)卷尺繞樹干一周以后，停止拉動(dòng)卷尺，按下數(shù)據(jù)確認(rèn)/發(fā)送按鈕，單片機(jī)根據(jù)傳感器發(fā)送的位移信號(hào)(即林木周長(zhǎng))，利用公式(1)計(jì)算林木直徑，并在液晶顯示屏上顯示。單片機(jī)同時(shí)也可以通過(guò)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量完畢，操作人員松開卷尺，卷尺自動(dòng)通過(guò)卷盤收回，樹木直徑值自動(dòng)歸零。

4 便攜式電子測(cè)徑儀的特點(diǎn)

4.1 降低測(cè)量誤差

電子測(cè)徑儀采用的是圍測(cè)的方法，解決了樹體不規(guī)則橫截面直徑的精準(zhǔn)測(cè)量。電子測(cè)徑儀利用卷尺和成熟的傳感器、單片機(jī)就可以采用圍尺測(cè)量周長(zhǎng)，利用公式(1)轉(zhuǎn)化為直徑，其中：L為測(cè)量周長(zhǎng)，D為樹木直徑，解決了背景中提到的卡尺測(cè)量由于樹木橫截面不是標(biāo)準(zhǔn)圓，而直接測(cè)量直徑引起的誤差問(wèn)題。

4.2 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化

電子測(cè)徑儀還設(shè)置了液晶顯示屏和存儲(chǔ)器，是一種電子化樹木直徑測(cè)量?jī)x器，數(shù)據(jù)可以數(shù)字化顯示、電子化保存，解決背景技術(shù)中提到的測(cè)徑尺人工讀數(shù)、易讀錯(cuò)、需要紙質(zhì)記錄等問(wèn)題。電子測(cè)徑儀通過(guò)wifi數(shù)據(jù)可以發(fā)送到終端設(shè)備，并且通過(guò)終端設(shè)備可記錄存儲(chǔ)，設(shè)有USB端口，有利于后臺(tái)處理，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外作業(yè)一體化。

4.3 儀器便攜耐用

電子測(cè)徑儀外殼采用工程塑料，防護(hù)級(jí)別可達(dá)IP54級(jí)，具有堅(jiān)固耐用，防水防摔，滿足一般野外調(diào)查消耗強(qiáng)度；采用鋰電池充電，續(xù)航能力強(qiáng)，顯示清晰；整個(gè)儀器重量為0.75 kg左右(不含電池)，非常適合于野外作業(yè)。

5 結(jié)論與討論

測(cè)徑儀器測(cè)量的原理可以分為接觸性測(cè)量原理和非接觸性測(cè)量原理[13]；方法可以分為卡測(cè)、圍測(cè)和瞄測(cè)；結(jié)構(gòu)可以分為機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)[14]。在眾多測(cè)徑儀器產(chǎn)品中，以基于接觸性為原理，圍測(cè)類為方法，拉繩傳感器為結(jié)構(gòu)的電子測(cè)量?jī)x器，精度最高，測(cè)量使用最方便。測(cè)徑儀器如果再能具有便攜的特點(diǎn)，可以在未來(lái)森林資源連續(xù)清查和森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查中廣泛運(yùn)用[15]。

本研究具有可手持單人操作的優(yōu)勢(shì)，外殼小巧輕便，外形扁平，由工程塑料制成，工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，剛性大，蠕變小，機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中長(zhǎng)期使用。外殼可由底盒和上蓋兩部分組成，底盒和上蓋之間可以以扣合的方式密合，或者進(jìn)一步可加螺釘擰緊固定，或者再進(jìn)一步講，可在扣合處加密封圈增強(qiáng)密封；除此之外，任何一種能夠在殼體里面放置器件，又可以方便打開或關(guān)閉，且滿足一定密封性的殼體形式，都是可取的。密封的理由是在里面裝有電路板等電器件，防止進(jìn)水或受潮。電子測(cè)徑儀堅(jiān)固防水便攜，同時(shí)兼具數(shù)據(jù)傳輸功能，自動(dòng)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外作業(yè)一體化。根據(jù)絕大多數(shù)成年樹木的直徑，測(cè)量卷尺長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為2 m基本滿足絕大多數(shù)樹木的測(cè)量要求，同時(shí)還解決了林木橫截面為橢圓型或者不規(guī)則形狀的直徑測(cè)量問(wèn)題。針對(duì)目前森林調(diào)查測(cè)量設(shè)備落后，測(cè)量精度不高，效率低下等問(wèn)題，開發(fā)此精準(zhǔn)、便攜、易用、高效的測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)了林木測(cè)儀器的低成本、微型化、智能化、一體化、實(shí)時(shí)性、高可靠性的完美集成。

[1] 王章勇，楊保，秦春，等.樹木徑向生長(zhǎng)機(jī)制監(jiān)測(cè)和模擬研究進(jìn)展[J].中國(guó)沙漠，2011，3(31)：780～787.

[2] David M D，Geoffrey M D. The Use of Precision Dendrometers in Research on Daily Stem Size and Wood Property Variation: Are view [J]. Dendrochronologia，2009，(27)：159～172.

[3] Louis D，Daniel H. Modeling Day to Day Stem Diameter Variation and Annual Growth of Balsam Fir (Abies balsamea (L.)Mill.) from Daily Climate [J]. Forest Ecology and Evolution，2011，262：863～872.

[4] Lovell J L，Jupp D L B，Newnham G J，et al. Measuring Tree Stem Diameters Using Intensity Profiles from Ground-based Scanning Lidar from a Fixed Viewpoint[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2011，66:46～55.

[5] Sevanto S，H?ltt? T，Hirsikko A，et al. Determination of Thermal Expansion of Green Wood and the Accuracy of Tree Stem Diameter Variation Measurements[J]. Boreal Environment Research，2005，24(10)：437～445.

[6] 孟憲宇. 測(cè)樹學(xué)[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

[7] 葉添雄. 新型國(guó)產(chǎn)測(cè)樹儀在基本測(cè)樹因子測(cè)量中的應(yīng)用[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2016.

[8] 徐偉恒.手持式超站測(cè)樹儀研制及功能測(cè)試研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2014.

[9] 陳金星.便攜式測(cè)樹儀的研制及應(yīng)用研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2016.

[10] 馮仲科，景海濤，周科亮，等.全站儀測(cè)算材積的原理及精度分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(3)：60～63.

[11] 國(guó)家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，西南林業(yè)大學(xué). 一種便攜式電子測(cè)徑儀[P].CN201620956137.9. 2016-8-26.

[12] 陳金星，張茂震，趙平安，等.一種基于拉繩傳感器的樹木直徑記錄儀[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào)2013，28(4)：188～192.

[13] Clark N A，Wynne R H，Schmoldt D L. A Review of Past Research on Dendrometers[J]. Forest Science，2000，46(4)：570～576.

[14] 劉發(fā)林，曾思齊，鄢前飛，等.數(shù)字式多功能測(cè)樹儀的研制[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(4)：41～44.

[15] 陳金星，張茂震，趙平安，等.一種基于拉繩傳感器的樹木直徑記錄儀[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28(4)：188～192.

DevelopmentofaPortableElectronicTree-diameterDendrometer

KONG Lei1LI Lu-xun1ZHU Li-yan1WANG Hai-liang1XU Wei-heng2HU Wen-hong3

(1．China Forest Exploration & Design Institute on Kunming,Kunming 650216，Yunnan,China； 2．College of Computer and Information, Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China； 3．Diseases and Pests Prevention Station of Fumin Forest Bureau,Fumin 650400,Yunnan,China)

A portable electronic tree-diameter dendrometeris was developed based on a strain sensor to automatically measure and recordthe diameter of a tree. The main hardwares constituting the device were micro-electro-mechanical systems, sensor, tape and reel.Through A/D, the pulse count of the sensor was converted to the perimeter and diameter of the tree, which would be embedded in the operating software, to realize the digitization and accuracy of tree-diameter measurement . Beyond the existing product design ideas based on optical principles and mechanical principles, this study developed a new approach of integration, miniaturization, digital development of dendrometer.

Forestry，Survey precision，Digitalization，Intelligention

2017-02-18

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱(編號(hào))：數(shù)字化多功能便攜式測(cè)樹儀的研制(2016BC006)。

孔雷(1986-)，男，2013年畢業(yè)于北京林業(yè)大學(xué)，博士，工程師，主要從事林下經(jīng)濟(jì)發(fā)展和天然林分結(jié)構(gòu)研究。E-mail:1234konglei4321@sina.com。

10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.04.019

S758.5

:A

:1003-5508(2017)04-0090-03