手持式超站测树仪研制及功能测试研究

【摘要】森林计测是森林经营与管理的重要基础信息采集工作之一,测树仪器是森林计测的基本工具,其测量精度、自动化效率和成本对森林调查工作的效率和数据的质量起决定性作用。目前现有的测树仪器数据采集方式落后、功能单一、效率低、精度差、价格昂贵、内业工作量大,严重制约了森林资源调查工作的发展。因此,迫切需要自动化、数字化、精准、多功能、便携式的测树仪器来促进森林资源信息采集技术的发展。本研究以森林调查抽样和统计原理为理论基础,结合森林计测学、数学、物理学、机械工程、微电子科学、计算机科学等学科,研究森林精准计测原理、模型及实现方法以及森林计测仪器的数字化、微型化、集成化设计,研制手持式测树超站仪样机及其应用系统,并开展试验,进行功能、精度测试研究。旨在实现森林资源调查工作的数字化、信息化、自动化、智能化、一体化,为森林经营和林业现代化提供服务。主要研究结论归纳如下：(1)手持式超站测树仪的数字化、微型化、集成化多功能系统设计为了实现森林的数字化、多功能、精准计测,提出了数字化、便携式、多功能集成的测树仪器研制理念,并研制了一种手持式超站测树仪,该设备以MEMS(micro-electro-mechanicalsystems)测角传感器、激光测距传感器、电子罗盘等主要硬件为基础,通过测量距离、倾角、磁方位角3个参数,结合森林计测原理,开发了操作软件,实现了单木测量、样地计测、株数密度测量、电子立体角规测树、林分空间结构中的大小比数、混交度、角尺度等的测量,目前己完成第一代和第二代产品设计,同时开发了与之对应的内业处理软件,可以实现外业数据直接导入内业软件计算,免去了外业数据的纸质记录和二次输入问题。(2)基于手持式超站测树仪单木测量模型、原理与功能精度测试基于激光测距、倾角测量、方位角测量,提出了树高测量、直径测量、非接触式胸径测量以及单木材积测量模型,将测量模型在手持式超站测树仪实现,并针对各功能开展试验。经试验研究表明,第一代产品测树超站仪相对于全站仪的测高误差在0.28%～1.59%。第二代产品树高测量准确度为20～27cm,精密度为18～27cm。精度范围为：97.37%%～98.33%。CCD直径测量分正直摄影测量和倾斜测量,并与围尺测量值进行比较,该方法胸径测量准确度在1cm以内,精密度3.8mm～6.8mm之间。测量的精度在96.11%～98.44%之间,倾斜测量(正负40。范围)的相对误差在-5.28%～6.26%之间。研究了非接触式胸径测量的两种方法,定点比尺测量方法和移动角规法,两种测量方法虽然精度不理想,但是验证了其模型、原理与实现方法的可行性。提出单木材积测量的原理与方法,并进行了试验,但是,由于胸径测量误差较大,引起了材积测量误差也较大,与全站仪测量误差相比,均偏小。(3)样地计测模型与原理研究及功能精度测试本文研究的样地计测模型包括闭合导线及标定、样地树木坐标测量、极坐标测树、株数密度测量、林分平均高测量、圆形样地计测及多边形样地计测,并就各项功能开展了试验,验证了各功能的可行性及精度,分别如下：闭合导线及标定导线全长闭合差在1.41%-14.20%之间；面积测量的相对误差在-2.52%-2.32%之间；实现了样地树木坐标测量及样木分布图的自动绘制；极坐标测树功能样地面积测量误差在0.85%-5.51%之间；株数密度测量与人工测量的平均相对误差为3.89%；林分平均高测量相对误差为5.03%；圆形样地计测中,与每木检尺数据对比分析得出：林分密度、林分平均高、平均胸径、蓄积量的相对误差分别为4.32%、-0.71%、-4.07%、-1.25%；多边形样地计测与每木检尺数据对比分析得出：株数密度测量相对误差在-0.76%～-4.34%之间,样地面积测量相对误差在1.19%-2.22%之间,平均树高测量的相对误差在-0.15%～-3.02%之间,平均胸径测量的相对误差在-4.90%～-20.82%之间,蓄积量估测的相对误差在-8.96%～-18.45%之间。(4)电子立体角规测树功能及精度验证电子立体角规测树实现了角规计数值的自动计数,与传统角规计数方法比较,相对误差在-0.33%～-0.07%之间。在角规点上测量计数木的树高、胸径,实现林分株数密度、平均高、蓄积量的估测,与样地每木检尺数据进行比较分析得出,相对误差分别为-5.84%、9.10%、0.12%。同时,成功解决了临界木的自动判断问题,免去了传统临界木判断方法中皮尺测距的麻烦。(5)林分空间结构参数测量模型与原理研究提出了一种通过测量参照树和与参照树最邻近木的坐标解算参照树与最邻近木之间的夹角,并根据夹角测量角尺度的方法,同时加入胸径测量,将参照木胸径纳入坐标解算,得到参照木的树心坐标,消除了传统角尺度测量中未考虑参照木胸径引起的角度测量误差。同时实现了混交度测量、大小比数测量,并就林分空间结构中角尺度测量、混交度测量、大小比数测量开展试验,验证了其功能的可行性。本研究为森林计测提供了新的便携式实用型多功能技术装备,对提高森林调查水平,促进森林调查内外业一体化、信息化、智能化有一定的作用。研制中采用了“电子化”和“数字化”的设计思想,能够保障数据的电子化存储,外业数据可以通过通讯接口直接导入计算机进行内业计算,以及将多种功能进行集成,对我国多功能电子化测树仪的研制具有引导和借鉴作用。
【作者】徐伟恒；
【导师】冯仲科；胥辉；
【作者基本信息】北京林业大学，林业装备工程，2014，博士
【关键词】森林计测；测树超站仪；研制；测试；

【参考文献】
[1]彩红.新疆土尔扈特部蒙古族长调民歌研究[D].西南民族大学,中国古典文献,2013,硕士.
[2]李颖.汉语四字词组的翻译报告[D].山东大学,英语笔译（专业学位）,2013,硕士.
[3]王国营.语音掩蔽系统的研究[D].北京交通大学,2014.
[4]陆亮.贵州高速公路工程项目管理系统的分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[5]万星火,檀亦丽.数据挖掘的聚类方法[J].统计与决策,2005,18:125-126.
[6]林琳.microRNA与人乳头瘤病毒16型的作用靶点研究[D].复旦大学,临床医学（专业学位）,2013,博士.
[7]毛伟.机电产品生命周期评价系统的研究与开发[D].清华大学,机械制造及自动化,2002,硕士.
[8]TOUREANGE-MARIETTE（安琪）.使用遥感数据监测科特迪瓦植被覆盖变化[D].北京林业大学,森林经理学,2013,硕士.
[9]张鑫.新时期预备役部队思想政治工作研究[D].内蒙古大学,马克思主义理论,2013,硕士.
[10]党小庆.大型电除尘器和袋式除尘器气流分布数值模拟与应用研究[D].西安建筑科技大学,2008.
[11]唐广熙.日本对华直接投资关系研究[J].商场现代化,2015,05:4-5.
[12]高家奎.紧急避险设施内生命保障方案研究[D].西安科技大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[13]钱芳.二人转与二人台演唱方法比较研究[D].东北师范大学,音乐学,2012,硕士.
[14]赵建国.原发性甲状旁腺功能亢进症的临床资料分析及相应的分子生物学研究[D].北京协和医学院,普通外科学（专业学位）,2014,博士.
[15]刘俊英.高校教师的职业认同、职业倦怠与工作形塑关系的研究[D].内蒙古师范大学,发展与教育心理,2013,硕士.
[16]郭良.LS公司光伏能源系统事业部精益管理应用研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[17]GlenieseE.McKenzie.The Effects of A Varying Accretion Rate and Spiral Density Waves in BHB Accretion Disks[D].中国科学技术大学,天体物理,2014,硕士.
[18]金戈.我国注册会计师行业管理模式研究[D].四川大学,工商管理,2003,硕士.
[19]吴萍.现场交替传译中的听后遗忘与信息缺失[D].外交学院,翻译,2014,硕士.
[20]许建明.含氟PANI/SiO_2有机—无机杂化材料的制备及性能研究[D].华侨大学,化学工程与技术,2014,硕士.
[21]赵亮.冻融作用下自愈合特性对风积土动力学性质的影响和分析[D].辽宁工程技术大学,岩土工程,2012,硕士.
[22]袁建华,于弘文,李希如,许屹,姜涛.从生育水平估计到未来人口预测[J].中国人口科学.2003(01)
[23]冯伟.山区高速公路软土地基处理方法适用性研究[D].重庆交通大学,建筑与土木工程,2012,硕士.
[24]董国.uClinux的分析与移植[D].华东师范大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[25]李剑桥.中国对外直接投资的决定因素研究[D].北京交通大学,2015.
[26]刘挺.《庄子》内篇句末语气词分析[D].山西师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[27]韦静静.热障涂层表层的力学性能、开裂机理及失效检测[D].华东理工大学,化工过程机械,2014,硕士.
[28]缪娟.缩小同传听译时差的翻译对策及其应用[D].苏州大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[29]吴腾飞.附有基线约束的GPS单频单历元定位算法研究[D].长安大学,测绘工程（专业学位）,2014,硕士.
[30]潘美玲.基于RIP技术测量通气量的校准技术研究[D].南方医科大学,生物医学工程,2012,硕士.
[31]王琳.珠眉海棠水通道蛋白启动子及褪黑素对非生物胁迫的响应[D].中国农业大学,园艺,2014,硕士.
[32]黄文婕.关于中日可能表现的研究[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[33]王婧.巴蜀石窟艺术中的宋代舞蹈造像研究[D].重庆大学,音乐与舞蹈学,2014,硕士.
[34]郭一凡.中国房地产业与国民经济相关性分析—产业关联与贡献角度[D].清华大学,应用经济学,2009,硕士.
[35]陶焕涌.市场经济条件下大学生思想价值观念倾向和教育措施刍议[J].南京理工大学学报(社会科学版).1994(03)
[36]胡德刚.金旅企业旅游管理信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[37]丁晶晶.稀土磁性材料离子液体电沉积铝锰合金及其性能研究[D].浙江大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[38]陈萍丽.Web挖掘在竞争情报系统中的应用[J].中国信息导报,2003,03:58-59.
[39]陈立.表面等离激元光子学研究：从经典电磁体系到量子体系[D].湖南大学,物理学,2013,硕士.
[40]曹丽丽.用于肿瘤细胞检测的荧光性核酸适体微流控传感平台研究[D].复旦大学,2012.
[41]潘文龙.世界竞技乒乓球运动发展失衡的原因及对策研究[D].山西师范大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[42]孙湘玉.物联网安全及其风险评估[D].河北师范大学,无线电物理,2013,硕士.
[43]胡亚楠.基于TMS320VC5502的语音门锁系统设计[D].南京理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[44]洪佳.纳米空心球壳TiO_2修饰电极对鲁米诺电化学发光增敏的研究[D].苏州大学,分析化学,2014,硕士.
[45]林琳.精神血脉的影像表征[D].曲阜师范大学,艺术学,2013,硕士.
[46]武开鹏.LiFePO_4正极材料的合成及其石墨烯复合改性研究[D].中南大学,2013.
[47]丁芳.网络服务提供者商标间接侵权过错认定研究[D].兰州大学,知识产权法（专业学位）,2013,硕士.
[48]张龙.多核处理器Cache一致性协议模型检验研究与实现[D].国防科学技术大学,电子科学与技术,2012,硕士.
[49]赵海霞.我国中部地区武术馆校的学训机制研究[D].山西师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[50]梁晓明.A供应链企业发展战略研究[D].北京交通大学,2014.