手持式樹徑自動識別測樹儀的研制與應用

陳金星，岳德鵬，馮仲科，丁家巍，姚炳全，葉添雄（.北京林業大學 精準林業北京市重點實驗室，北京 00083；.常州市瑞德儀器有限公司，江蘇 常州3000）

手持式樹徑自動識別測樹儀的研制與應用

陳金星1，岳德鵬1，馮仲科1，丁家巍2，姚炳全1，葉添雄1
（1.北京林業大學 精準林業北京市重點實驗室，北京 100083；2.常州市瑞德儀器有限公司，江蘇 常州213000）

在森林資源調查中需要調查林分因子，從而了解森林資源的數量與質量，以進行森林資源的規劃、設計和經營。森林資源調查是一項費時費力的工作，使用傳統測量工具需要不同儀器來進行測量，同時還受地形條件的限制。為快速精確地進行林木測量，開發設計了便攜式數字化智能測樹儀。儀器由STM32F103VET6單片機、ov9655傳感器、LIS331DLTR傾角傳感器、鍵盤等及其相關電路模塊構成。采用相位原理測距，具有±1.5 mm的測距精度。在徑高同測模式下，利用攝像頭和互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器對圖像進行處理，能夠實現樹徑的自動識別，再利用所測距離和傾角，實現高度、直徑同步測量。儀器還有測徑模式，測高模式，測距模式，傾角測量模式，面積計算模式。經實驗驗證，測徑模式下，胸徑的平均誤差為－0.05 cm，誤差在0.50 cm之內的占97.6%。在不同距離下，對不同高度的直徑進行測量表明，在最佳距離內可使誤差在0.50 cm內。該便攜式數字化智能測樹儀可滿足森林資源調查需求，實現林業數字化。圖14表3參20

森林測計學；測樹儀；傳感器；測量；圖形識別；立木

測樹儀是主要用來測量樹干直徑的儀器，主要分為兩大類：接觸式和非接觸式測樹儀［1］。非接觸式儀器包括光學叉和棱鏡之類的設備；接觸式主要分為點式和帶式2類，包括常用的圍尺和卡尺。點式測樹儀主要用于測量樹干大小的變化，帶式測樹儀測量樹干的直徑和某一高處樹干的周長。非接觸式測樹儀可用于樹干水分狀態的評估，以及同質特性氣候空間關系的探究［2－5］。專家學者對樹木測量儀器和方法進行了大量研究，GREGOIRE等［6］使用Barr&Stroud測樹儀測量樹木上部的直徑，WILLIAMS等［7］使用快特能400和Barr&Stroud測樹儀進行樹木上部直徑測量值的對比，DEAN等［8］使用單片近景攝影照片來測量立木地上部分材積。一些研究利用全站儀和電子經緯儀測樹［9－11］，精度高，但儀器笨重，攜帶不便。三維激光掃描儀在提取樹木胸徑、樹高、冠幅和材積中精度高［12－14］，但是儀器昂貴且內業處理復雜。叢憲冬等［15］設計了激光測高儀，鄢前飛等［16］研制了林業數字測徑儀。BITTERLICH等［17－18］發明了角規，馮仲科等［19－20］將角規功能融入了電子測樹槍，可進行樹高、角規等測量?，F有的測樹儀器和方式，操作復雜、精度低且價格昂貴。已有的非接觸式儀器，可測某一位置的直徑，再測量高度，但是反過來則難以實現，即無法確定給定高值處的位置（非接觸情況下1.3 m處的判定）。電子化、數字化和智能化技術越來越多地用在森林資源調查中數據的獲取，數字化鏡頭和激光測距儀能夠快速獲取更加詳細的信息。因此，筆者結合互補金屬氧化物半導體（COMS）傳感器、攝像頭、激光測距儀和傾角傳感器等數字化電子元件，設計和開發了使用簡單、成本低、攜帶方便的手持式測樹儀。該儀器可測徑、測高、測距（平距和斜距），計算三角形、方形和梯形面積，結合這些測量功能還可用來測量冠幅和材積。

1　系統框架結構和軟件設計

1.1系統框架

系統框架如圖1所示。微控制單元（MCU）采用意法半導體公司生產的STM32F103VET6，主要對電路進行控制、數據輸入輸出等?；パa金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器采用OmniVision公司的ov9655，與攝像頭相連接，主要用來進行圖像的生成、處理和數字信號的輸出。數據存儲于內部flash中，數據可以在屏幕上顯示和查看，在測完后輸入電腦。部分數據處理采用C#開發的后處理軟件，其他數據處理使用matlab。激光傳感器由激光發射器、激光接收器和相關電路組成。該儀器主要采用相位原理測距。傾角傳感器采用意法半導體公司的LIS331DLTR，用于測量傾角，電源向其他模塊供電。

1.2系統結構和相關參數

圖1　系統框架圖Figure 1　System framework chart

圖2　儀器結構圖Figure 2　Structure of instrument

上面各模塊在電路板上連接集成后，將其置入塑料外殼中，合成設備。設備輕便，尺寸為5.00 cm ×13.50 cm×2.70 cm，質量為150.0 g。儀器測量的距離范圍為0.05～120.00 m，最小顯示數值1.0 mm，測量精度為±1.5 mm。傾角測量范圍－90.0°～90.0°，精度為±0.3°。設備外形如圖2所示：前端為激光頭和攝像頭區域，正面有顯示屏和鍵盤，鍵盤中主要按鍵有圖像縮放鍵、模式鍵和確認鍵等；背面為電池蓋板和螺絲口，可固定在三腳架上。與常規光學測樹儀相比，不需要通過凸透鏡來觀測樹木，眼睛不會難受，直接在顯示屏上觀測物體，且可以放大。

1.3軟件流程

首先，軟件進入初始化，之后進入模式的選擇。在距離模式下，需要打開發生電路和接收器，之后計算相位差從而得到距離值，再輸出顯示。其他測量模式中也多次進行距離測量，過程類似。直徑測量中，按下確定鍵后，進入距離測量，之后在串行相機控制總線（SCCB）的控制下采集圖像，經過模擬信號處理器后，原始圖像信號由多路轉換器轉至2個10位模數轉換器，之后數字信號處理器（DSP）進行圖像質量的控制，進行空白像素的消除以及去噪，之后計算樹木直徑，最后顯示數值和圖像。而樹高利用傾角傳感器和激光傳感器，按3次鍵，分別獲取水平距、底角和傾角，其他測量模式主要應用了距離測量和傾角測量的2個基本測量（圖3）。

圖3　程序流程圖Figure 3　Program flow chart

2　測量原理和應用

2.1直徑測量原理和應用

當對準樹木直徑處，所測直徑處及附近在攝像頭視野內的光線射入CMOS的像素陣列中，在電源和外圍電路的作用下，不同波長和強度的光子產生不同強度的電流，經過光電轉換和其他處理，不同像素處的電流被轉換成灰度圖?；叶戎禐?位，即0～255，灰度值越小圖像越黑，越大圖像越白，如圖4右上部分。取屏幕中間，如圖4像素陣列粗實線處，也即像素陣列里中間一行的像素值，對它們進行判斷。當灰度值Gray＜150，提取此像素，然后計算提取出的相連接的像素個數。這里相連接的線段可能不只一段，假設有n段，找出像素個數最多的一段，并在這一段的最左邊和最邊生成豎值的線以卡住樹木。這一步可實現樹木直徑的自動識別。當然，由于設定的條件不能完全識別出所有樹木直徑，在此再加入手動調節。即：按下等于鍵的時候屏幕左側或右側的豎線閃動，再按＋鍵和－鍵可以將豎線向左或右延長，共4個mode，不同的mode下可實現不同程度的調節，由100個像素的粗調到1個像素微調。

圖4　儀器直徑測量原理Figure 4　Diameter measurement principle of the instrument

如圖4，樹木的直徑D為ab，c點為與鏡頭中心o平行的樹干上的一個點，與ab在同一直線上，co為物距，oq為相距，u為焦點。焦距、物距和相距具有以下物像公式：

每個像素的寬度為3.18 μm，即為3.18×10－6m，焦距可由軟件獲取，整理式（1）～式（4）并將單位轉為m，得：

co可由激光傳感器測得，單位為m；f為已知，由此可以算出樹木直徑ab。

在北京市奧林匹克森林公園和鷲峰選擇有代表的樹進行胸徑測量，利用直徑測量模式共測82株。測量時，使用卡尺的測量值作為對比值，先用儀器測，之后再用卡尺測量?？ǔ邷y量時，使其方向與儀器方向一致。誤差分布如圖5，最大誤差為0.80 cm，最小誤差為0 cm，平均誤差為－0.05 cm，總的均方根誤差為0.32，誤差較小。

對誤差分布進行統計，如圖6。絕對誤差為0.20 cm的株數最多，有23株；其次為0.40 cm，誤差為0.70 cm和0.80 cm的各有1株，誤差在0.50 cm之內的占97.6%。直徑的自動識別中，深色樹木識別效果好，而樹皮亮度高、紋理多的識別一般，需要通過人工判別來調節鍵。

圖5　胸徑誤差圖Figure 5　Diagram of DBH error

圖6　誤差株數統計Figure 6　Statistics of numbers with error

另外，對其胸徑以4 cm為徑階進行統計（表1），測量樹木的徑階范圍為4～56 cm，均方根誤差總的趨勢隨著徑階的增加而增加，56 cm徑階的均方根誤差為0.50 cm。平均誤差最大為0.50 cm，最大誤差大于0.50 cm的誤差為36和56 cm徑階，由表1可知徑階大的誤差較大，主要在36 cm徑階及以上。所測數據全部符合二類森林資源調查要求，除2個異常值不符合一類森林資源調查要求外，其他全部滿足一類森林資源調查要求。對于誤差較大的，由于每一徑階的平均誤差都在0.50 cm內，可通過多次測量求平均值解決。

表1　胸徑按徑階的誤差統計Table 1　Statistics of diameter at breast

2.2高度、直徑同步測量

樹高直徑同步測量，即測量給出高度值處的直徑，如測量1.30 m處的直徑（胸徑），按照普通測量方式，先用卷尺測出垂直方向上從樹底起往上1.30 m處的位置，再用圍尺測出胸徑。對于非接觸式測樹儀，1.30 m處的確定尚未得到很好解決，該儀器解決了此問題。如圖7所示，將儀器固定在腳架上，瞄準樹底后按下確定鍵，利用儀器的傾角傳感器可獲得向下的傾角a，利用激光傳感器可得到測點O到樹底的斜距OA，OS為與樹干垂直的直線，通過下式求得：

保持儀器中心不變，慢慢向上傾斜，角度b為向上傾斜過程中與水平方向的夾角，內部程序每隔0.3 s按照下式計算樹高h：

在向上移動的過程中，屏幕每0.3 s更新到樹底的高度，由于時間短暫，感覺不到屏幕閃爍。當數字快顯示到給定高度值處時（如1.30 m），緩慢向上調動，直到屏幕顯示的數字穩定且與給定值相等時固定住儀器，再按下確認鍵，儀器將按上述測徑原理測量直徑，最后屏幕上顯示出直徑。

實際測量中，能自動識別。如果識別不好，則手動調節，使得與樹木直徑的邊界一致。步驟如圖8所示，屏幕中左下角的樹為提示符，先瞄準樹底。之后圖8中第2幅圖實時顯示高度變化，到達所給值的地方固定住，并按測量鍵，屏幕中顯示距離和直徑以及卡住樹木的圖像。

圖7　樹高、直徑同步測量圖Figure 7　Simultaneous measurement graph of height and diameter

圖8　樹高、直徑同步測量步驟Figure 8　Step of simultaneous measurement in height and diameter

外業實驗時利用徑高同測模式來測量胸徑。先用儀器瞄準樹底，當上移到1.30 m處，用粉筆在樹上做出記號，之后用儀器測出胸徑。最后用卡尺測出胸徑，用鋼卷尺測出儀器所測的胸高對應高度作為對比值，共20株樹。如圖9，儀器所測1.30 m處誤差極小，精度為99.70%，最大絕對誤差為0.90 cm，平均誤差為0.30 cm。

圖9　胸徑處判別和測量Figure 9　Identification and measurement of DBH

2.3上部直徑測量

該儀器除了測量胸徑外，還可測量上部直徑。上部直徑測量時選擇枝干較少且可攀爬的樹，選擇不同的距離進行測量。以卡尺的測量值作為對比值，測量方向與儀器測量方向一致，共測3株樹，測量值分布如圖10所示。橫軸為距離，縱軸為直徑大小，每條實心直線為某一高處的卡尺值，不變，每條虛折線為某一高處儀器測量值。從橫向來看，測量值的精度隨距離變化而變化，但總有一處距離使得其誤差在0.50 cm內，其中第1株樹，最佳測量距離所測值的誤差均在0.10 cm內。上部直徑由于角度、距離和高度的原因，使得不同高度不同大小的直徑在不同距離測量時會造成一定的誤差，但在最佳距離處可抵消距離、高度和角度的影響。

2.4樹高測量

圖10　不同距離下上部直徑測量值Figure 10　Upper diameter at different distance

如圖11，先瞄向樹干任意一點，如w，按下確認鍵，由傾角傳感器測得角度a，由激光傳感器測得斜距cw。再瞄準樹底并按確認鍵獲得底角b；往上移動，得到頂角c，最后由下式獲得樹高h：

使用該儀器與Trupulse200激光測距儀進行樹高測量，以Trupulse200激光測距儀所測值作為對比值。如圖12所示，共有177株樹。圖12中工字形的儀器誤差為實際誤差值的2倍。樹高范圍為5.00～21.90 m，均方根誤差為0.17，平均誤差7.50×10－2m，樹高總的精度為99.20%，最大絕對誤差為0.60 m，還有2株誤差大于0.50 m，其余誤差全在0.50 m內。

2.5冠幅測量

該儀器可測量水平距離，從而可以用來測量樹冠冠幅，某一方向冠幅測量如圖13所示。選擇一通視條件良好的地方，可以看到要測方向的兩端，瞄準前端后按下確定鍵，測得水平距x1；再瞄準后端，按下確定鍵，測得水平距x2。測量冠幅有2種情形，一是在樹冠覆蓋面之外，另一種為在樹冠覆蓋面之內。覆蓋面之外時（圖13左），冠幅g＝x2－x1；而在覆蓋面之內時，冠幅g＝x2+x1。

圖11　樹高測量原理Figure 11　Measurement principle of tree height

圖12　樹高誤差折線圖Figure 12　Line chart of tree height error

分別使用該儀器和皮尺對10株樹的冠幅進行測量，每株樹分別測量了東西和南北冠幅，測量結果如表2。

表2　冠幅測量值Table 2　Crown measurements

兩者的絕對差最大的為0.49 m，均方根誤差為0.28×10－1，精度為96.60%。該儀器所測冠幅都比皮尺所測小。主要原因，大冠幅的樹都在樹下觀察，儀器觀測到樹的邊緣為內緣，而在樹外觀測都是一測為外緣一側為內緣，都會造成偏小。

2.6傾角測量

為驗證傾角測量的精度，在墻上做出刻度，5.00 cm為1格，然后離墻一定距離，將儀器置于三角架上，并置平，測出在墻上對應的高h0，以及到墻的距離d。然后，從0°開始測得到每一格的傾角，使用該儀器測了0～82.20°間的角度值。假設某處高為h，利用式（9）求得理論值w：

經試驗測得，該儀器的最大誤差在0.30°內，傾角在40°以內，誤差主要集中在0.20°內，40°以上誤差集中于0.30°，由此得該儀器傾角測量誤差小。

2.7立木體積測量

利用該儀器的徑高同測模式，通過測得樹干幾個位置的高和直徑，分段求積獲得立木材積。將梢頭外的樹干部分均分，每部分用頭尾的平均斷面積乘以每段的長度以求得這部分的體積，而梢頭看成是圓錐，如圖14。計算公式如下：

式（10）中：g0為樹干底部斷面積，gn為梢頭底部斷面積，gi為各區分段的斷面積。h為每一區分段的高度，hn為梢頭部分的高度。相應的，d0為樹干底部直徑，dn為梢頭底部斷直徑，di為各區分段的直徑。測量步驟如下：①打開徑高同測模式，對準地徑處，測得直徑d0和高h0。②上移，測得第2處的直徑d1和h1。再上移，得到第n處的直徑dn和高hn，則每一段的高為hn-hn-1。③對準樹頂，測得樹高h，則測量結束。

圖13　樹冠測量Figure 13　Crown measurement

圖14　平均斷面積法測樹Figure 14　Tree measuring with the tree's average section method

選擇枝干較少，易于攀爬的樹，卡尺、圍尺和該儀器測量了分段處的直徑，用該儀器和皮尺測量了分段處的高。一共測量了4株樹的立木體積，分別得到圍尺、卡尺和該儀器的體積，可見三者測量的體積誤差不大（表3）。圍尺的相對誤差大于卡尺的相對誤差，這是由于圍尺測量直徑的誤差所造成的。該儀器與卡尺計算出來的體積誤差最大為2.70%，誤差小。而該儀器與圍尺最大誤差為11.12%，誤差較大，由于圍尺測量的直徑為平均直徑，樹木不規則時卡尺在不同方向上測得的值不一致，從而計算的體積誤差較大。

表3　不同測量方法下立木體積值Table 3　Stumpage volume values under different measurement methods

3　結論

利用CMOS傳感器，結合攝像頭，通過對圖像處理，儀器可自動識別樹木直徑，再通過激光測距傳感器和傾角傳感器，可實現樹高與直徑同步測量。通過實驗得出，1.30 m處判別的精度達99.70%；直徑測量模式下，均方根誤差為0.32，大的徑階下誤差較大些。上部直徑在不同距離下精度不一，但有最佳距離段下使得其誤差滿足林業調查精度需求。樹高測量均方根誤差為0.17，平均誤差7.50×10-2m；冠幅測量比皮尺所測值小，精度為96.60%；傾角測量的誤差在3°以內。另外儀器還能進行樣地設置，計算多邊形樣地的周長和面積。儀器小巧輕便，使用簡單，能滿足林業資源調查需求。

該儀器與傳統測樹儀（如RD 1000）相比，利用圖像識別進行直徑測量，減少人眼識別的誤差，測量速度快。測樹裝備從傳統的機械式、光學式向電子化發展，再向智能化發展。由于不需要水平角測徑，該儀器未加入水平角測量模式，而是將水平角的測量放在云臺中。另外，該儀器還可以加入全球定位系統（GPS）模塊以實現定位和坐標測量。還有該儀器存儲在內部flash中，所存數據不多，需要加入存儲模塊，如安全數碼卡（SD卡）?？稍谠搩x器原有功能基礎上，完善其他功能，使得儀器更為實用。

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A handheld dendrometer for automatic tree diameter measurement

CHEN Jinxing1，YUE Depeng1，FENG Zhongke1，DING Jiawei2，YAO Bingquan1，YE Tianxiong1
（1.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.Changzhou New Ruide Instrument Co.，Ltd.，Changzhou 213000，Jiangsu，China）

In a Forest Resource Inventory，a time-consuming job traditionally requiring different instruments in difficult terrain conditions，stand factors are determined to understand the quantity and quality of forest resources，thereby enhancing forest planning，designing and operation.To enable fast and accurate tree measurement，a portable digital intelligent dendrometer was designed and developed.This instrument consisted of a STM32F103VET6 microcontroller，an ov9655 sensor，a LIS331DLTR angle sensor，a keyboard，laser ranging sensors，monitors，a power supply，and the relevant circuit module.Ranging used the phase principle with a ranging accuracy of±1.5 mm.In the simultaneous measurement mode for diameter and height，the diameter of the tree was automatically identified through image processing with a camera and a complementary metal-oxidesemiconductor（CMOS）sensor.In addition，the following modes were present，caliper，mode，distance measurement，angle measurement and area calculation.Experimental results showed that in the caliper mode，the average DBH error was-0.05 cm，and the error within 0.5 cm accounted for 97.6%.Diameter measurements at different distances and different heights showed that the error fot the optimum distance was within 0.5 cm. Thus，this instrument with automated measurements could meet the needs of a forest resource survey team.［Ch，14 fig.3 tab.20 ref.］

forest mensuration；dendrometer；sensor；measurement；image identification；standing trees

S758.7

A

2095-0756（2016）04-0589-10

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.006

2015-09-02；

2015-09-28

國家自然科學基金資助項目（41371189）；國家林業局引進國際先進農業科學技術計劃（“948”計劃）項目（2014-4-76）

作者介紹：陳金星，博士研究生，從事林業裝備與信息化研究。E-mail：venusandp@gmail.com。通信作者：岳德鵬，教授，博士生導師，從事林業信息化、景觀生態和土地評價等研究。E-mail：yuedepeng@126.com