三段式立木胸径测量方法及装置设计与试验.docx

三段式立木胸径测量方法及装置设计与试验 摘要：【目的】针对现阶段我国森林资源清查立木胸径测量中围尺适用性差、操作复杂、效率低和卡尺携带性差、量程短等问题，设计一款高效、准确、便携、适用于大胸径树木测量，集成自动读数、记录和上传功能的立木胸径测量装置，以解决林业勘测人员的实际工作需求。【方法】基于三段式切臂和双角度传感器提出一种立木胸径测量方法，设计测量装置，并通过试验评估装置的有效性。【结果】1)通过15个圆柱体200次测量，平均绝对误差(MAE)为0.19 cm(0.79%)，均方根误差(RMSE)为0.25 cm(0.94%); 2)通过不同径阶218株立木测量，MAE为0.22 cm(0.89%)、RMSE为0.42 cm (1.23%); 3)在83株立木小样地进行效率试验，平均每株立木测量耗时8.67 s。【结论】基于三段式切臂和双角度传感器方法研制的立木胸径测量装置，具有机电结构简单、可折叠、携带方便、操作简便、作业效率高等优点，同时适用于大胸径树木测量，可实现立木胸径数据测量、上传和入库的一体化，满足森林资源清查精度要求。 立木胸径(diameter at breast height,DBH)即距根颈1.3 m处的树木直径(为实现立木胸径快速、精准测量，本研究基于三段式切臂和双角度传感器提出一种全新的立木胸径测量方法，通过该方法研制的装置具有机电结构简单、可折叠、携带方便、操作简便、作业效率高等优点，同时适用于大胸径树木测量，可实现立木胸径数据测量、上传和入库的一体化，满足森林资源清查精度要求。1 设计与原理1.1 机电结构设计立木胸径测量装置机械结构如图1所示，主要由双角度传感器和三段式切臂组成。中间段切臂表面有显示屏、开关、按键、充电等开孔或开槽，内部装有PCB电路板和角度传感器;角度传感器旋转轴承上装有法兰，用于固定左右段切臂;装置仅重0.4 kg且在非作业情形下可折叠，便于勘测人员野外携带。装置电路结构如图2所示，由主控模块、采样模块、交互模块、储存模块、蓝牙模块、GPS模块和电源模块组成。主控模块用于控制和数据处理，采用STC15系列增强型单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰和低成本等优点;采样模块的第一角度和第二角度传感器分别用于测量所对应相邻切臂间的夹角，为12位霍尔式P3014-V1型，通过模数转换芯片得到角度，角度的最小分辨率为360°/212≈0.088°;交互模块包含显示屏和按键，用于操作人员查看数据或输入指令;储存模块内嵌2 GB大小SD卡，用于存储测量数据;蓝牙模块采用HC-05主从一体型蓝牙，用于与上位机通信，上传SD卡中已存数据;GPS模块和采样模块的温湿度计用于测量样地位置和温湿度;电源模块主要由锂电池、电源管理芯片和开关组成，具有供电、充放电、短路保护和升降压等功能，其中锂电池容量4 000 m Ah，连续工作时长约50 h。1.2 方法与原理1.2.1 主要结构立木胸径测量装置主要机械结构如图3所示，A1、A2、A3为切臂，呈“操场”形，三者宽度和两侧圆弧直径同为w=5 cm,A2上两侧圆弧的圆心距L=30 cm,A1和A3上两侧圆弧的圆心距同为L1.2.2 测量情景与计算方法本研究的测量思想是:将待测立木树干近似看作一个圆柱体，切臂A1、A2、A3与待测立木树干在胸高断面上相切，在水平切面下依据2个夹角不同划分出以下6种情景:1)情景S1，双锐角，如图4a所示;2)情景S2，一锐角一直角，如图4b所示;3)情景S3，一锐角一钝角，且α+β180°，如图4c所示;4)情景S4，一锐角一钝角，且α+β≥180°，如图4d所示;5)情景S5，双直角，如图4e所示;6)情景S6，双钝角，如图4f所示。设待测立木胸径为d，上述6种情景根据角度和大小采用以下2种方法计算。方法1:当0°α+β180°时，为情景1、情景2、情景3的胸径计算方法，利用正切定理、余弦定理和海伦定理得下式可计算出d:式中:γ=180°-α-β。方法2:当α+β≥180°且α180°、β180°时，为情景4、情景5、情景6的胸径计算方法，利用正切定理、正弦定理得下式可计算出d:1.2.3 模拟与仿真分析式(1)、(2)可知:在满足0°α180°、0°β180°的条件下，通过某一确定的α和β可模拟计算出唯一的d;当角度传感器分辨率无限性小时，理论上可模拟出无限性大的胸径d。表1展示了角度和在不同范围即α+β≤S (S=80°、100°、120°、…)下所能取得的最大胸径d1.3 软件设计装置的嵌入式软件要求具有角度测量、胸径换算、按键控制和SD卡数据管理等功能，基于Keil开发环境，采用C编程语言进行设计，其程序流程如图6所示。装置的上位机