电子角规测树仪及自动测树方法

摘要

本发明公开了一种电子角规测树仪及自动测树方法。该仪器是由光学角规与数码相机结合而成的。它把数码相机的CCD面阵(光电转换器)②恰置于光学角规的焦平面上。因此，由望远系统①和显微系统③所采集的影像光信号，经CCD转换为电子信号后被数字化。再经数据通讯电缆传入数据库，即可实现信息的采集、记录自动化。该测树方法是电子角规测树过程与计算机技术结合而成的。在电子角规测树仪的配合下，通过角规测树软件实现了测树过程的量测、判断、计算全面自动化，使得外业内业同步完成，能大大提高工作效率，降低劳动强度。特别是无需测定林分的平均高即可获得林分蓄积，克服了林内树冠重叠，通视较差的困难，能更加提高角规测树的实用性，具有广阔的市场前景。

说明书

技术领域

本发明是关于森林资源抽样调查的仪器和方法，特别是关于森林资源不等概抽样调查的电子角规测树仪及自动测树方法。特点是无需测定立木的树高或林分的平均高，即可推定相当精准的立木材积或林分蓄积，并且在整个测树过程中，能实现从信息采集到信息处理的自动化。可为森林资源的合理经营、可持续发展提供决策依据。

背景技术

1理论和方法

角规测树的理论为奥地利林学家Bitterlich W.于1947年首创。1952年美国学者Grosenbaugh，L.R.以概率论为基础，从抽样的角度进一步阐明，角规点抽样为典型的不等概抽样。1957年传入我国。由于它效率高、速度快、简便易行，已为世界各国普遍推广应用。50多年来，角规理论和技术不断发展日臻完善，但其主要功能仍然是测定林分的胸高断面积。受此理论的启示，1955年，平田种男(日本)提出了定角测高法，测定林分的平均树高。1964年北村昌美(日本)提出了一致高和法，测定林分的蓄积量。1991-1998年徐祯祥等提出了形点法，测定立木材积和林分蓄积。他们的理论无疑是正确的，但是林内树冠重叠，通视困难，无法直接测得林分的平均高，所以未能在实践中推广应用。

同时，在测树方法方面，测定林分的蓄积要比断面积复杂的多，大量的、繁杂的信息采集与处理，也不能靠手工解决，尚待自动化。

2仪器

到目前为止，最先进的角规测树仪仍然是Bitterlich，W.发明的林分速测镜。它有简易的反光型和精密的望远型两种，国内都有其仿制品。然而，该仪器是个纯粹的光学系统，只能靠人工观测与判断，它无法把采集到的影像信息实时地进行贮存、传输和处理。因此，不可避免地带来了很多麻烦与误差。

发明内容

1设计电子角规测树仪。将光学系统与电子系统结合起来，通过光电信号自动转换，把影像数字化，实现精准的自动量测、贮存与传输。

2编制自动测树方法软件。将角规测树全过程与计算机技术结合起来，对电子角规测树仪传输来的信息进行处理，实现外业内业同步完成。

附图说明

图1为电子角规测树仪的基本结构原理图。图2为视场影像图。图3为测树方法鎏程图。图4为技术方法流程图

1电子角规测树仪

该仪器是由望远型角规与CCD面阵数码像机结合而成的，即把前者当物镜，把后者当目镜。如附图1所示，它把数码相机的CCD面阵(光电转换器)②恰置在光学角规的焦平面上。如附图2所示，通过望远系统①将前方待测立木的树干上的目标放大后置入CCD②的上半视场，又通过显微系统③将鼓轮④上的分划刻度，包括角规断面系数和竖角⑤放大后置入CCD②的下半视场，这个影像可以从数码相机的目镜⑥观看。CCD把全视场内的影像的光信号转换为电子信号(A/D)，并通过数据传输电缆输入数据库。由此实现信息采集、传输与记录自动化。

为了提高摄影效率，可增加装自动调焦系统；为了提高竖角观测精度，可增加旋转编码器。

2自动测树方法软件

测定立木材积的三个要素中，关键困难是测定形状指数r，其次是树高h，胸径d较为容易。立木形点法发现，在立木的树干上，有一个能够表达树干形状的特定部位，即形点。形点处的断面积g₂等于胸高断面积g的0.5倍，可用角规测树仪简便地测定。根据立木形点法，当把形点断面到胸高断面的干长作为形点高h₂时，若立木胸高以上干长为h₀，则立木的干形指数r＝logo.5/log(1-h₂/h₀)。显然，它没有任何经验参数，故不受树种和地域的局限，具有极强的通用性。实验证明，采用立木形点法，所求立木材积具有很高的准确度。测定林分蓄积也有同样的三要素。林分形点法发现，若将林内每公顷的所有林木各层等高断面积分别相加时，就会产生一个在数值上存在的大树干，即虚拟的林分树干。据此，林分每公顷的蓄积也可用角规方法来测定。模拟实验证明，采用林分形点法，测定林分蓄积也具有很高的准确度。但是，必需强调的是，“测定立木材积的形点法”和“测定林分蓄积的形点法”都是以能够测定立木树高h和上部直径为前提。显然，在现实林分中，树冠重叠，通视困难，几乎无法观测林分平均高H。本发明中的角规自动测树方法是在已知的形点法的基础上提出的“推定林分蓄积的形点法”，它能避开通视困难。因为它无需测定林分的平均高H，只需用电子角规绕测林冠下的近似形点高Ha(距冠基60cm以内的树干处)及其近似形点高断面积Ga、胸高断面积G、辅助高H_b(近于胸高与冠下高的中部)及其辅助高断面积G_b，即可获得林分的蓄积。

自动测树方法软件由自动观测系统和自动计算系统两部分组成。前者包括数字摄影测量数据处理系统并与仪器相配合。

采用电子角规绕测时，需二人合作。一人持仪器置于角规点上；一人持水平标尺置于待测立木的胸径处。绕侧如图3所示。首先发出“开始”指令，并输入符合林分现状的角规常数F(0.5，1，2，4)、近似形点高竖角α_a、辅助高竖角α_b，然后按提示操作。从第i株开始，第一步，瞄准胸高处。在上半视场，可看到精细而准确的树木胸径和水平标尺刻度的影像；在下半视场可看到此时的视线坡度θ_i(竖角刻度)和角规常数F分划线与胸径相切割的程度的影像。摄影后，相机的CCD将影像数字化，通过数据通讯电缆输入数字摄影测量处理系统，提取相关数据，如直径d_i、视线坡度角θi。角规测树观测系统即可显示并存贮胸高断面计数特征值δ_i和辅助高竖角α_bi(＝tgα_b+togθ_i)。第2步，沿该立木的树干向上观测，当竖角值到α_bi时，摄影。经过上述一系列的处理后即可显示并存贮辅助高断面的计数特征值δ_j和近似形点高竖角α_ai(＝tgα_a+tgθ_i)。第3步，继续沿树干向上观测，当竖角值到α_ai时，摄影。经过上述一系列的处理后显示并存贮近似形点高断面的计数特征值δ_k。并提示开始第i+1株立木的观测。如此绕测一周，既不漏测，也不重测，即可发出“结束”指令。此时观测系统将贮存的结果传入自动计算系统，即可现场显示并存贮本测点的最终结果：林分每公顷的立木株数N、平均树高H、平均干形R、断面积G、蓄积M等多项因子。

方法软件中的自动计算系统如图4所示，它是由多个数学模型相互组合推导而成，并按照程序实施计算的。

从自动观测系统传来的外业数据是：角规常数F，辅助高角α_b，近似形点高角α_a以及胸高断面计数特征值之和，即胸高样木株数z＝∑δ_i及其各株样木的胸径d_i；辅助高样木株数Z_b＝∑δ_j；近似形点高样木株数Z_a＝∑δ_k。

自动计算系统的实施程序如下：

(1)首先将上述各外业数据分别代入相应的数学模型①②③，可得林分每公顷的胸高断面积G，辅助高断面积G_b和近似形点高断面积Ga。

(2)然后将外业数据中各胸高样木的胸径di代入数模④，可得林分每公顷立木株数N。

(3)将G_b、G_a和N代入数模⑤⑥，可得林分辅助高H_b和近似形点高Ha。(4)将G、G_b、G_a代入数模⑦，可得过渡指数A。

(5)将H_b、H_a和A代入数模⑧，可得近似形点高区分段相关干形指数Ra，进而代入数模⑨获得林分干形指数R。

(6)将H_b、H_a、R_a和R代入数模⑩，可得林分平均高H。

(7)最后将G、H和R代入数模，可得林分每公顷蓄积M。

发明效果

1电子角规测树仪的优点是：

(1)充分发挥光学角规的信息采集功能。

光学角规的视场角为2.5°左右，远比数码相机小得多，因此可在近距离(30m)范围内获得精细而准确的影像。克服了无像控制点数字摄影测量中的物镜畸变和像片变形的困难。

光学角规具有自动改平功能，不仅可以非常简便地判断任意断面计数特征值，而且还能在水平标尺的配合下，直接视距，进而获得立木任意断面高和断面直径。这是数码相机无法办到的。

(2)充分发挥数码相机的信息转换、贮存与传输功能。克服了光学角规无法自动记录，自动传输的困难。

2实现角规测树过程自动化。

可以实现角规测树全程自动化，包括：量测、记录、计算、显示、存贮、传输等。特别是，无需测定林分的平均高即可获得林分的蓄积。因此，本发明不仅具有重要的理论意义，而且具有更高的实用价值和广阔的市场前景。

具体实施方式

自动测树方法软件由自动观测系统和自动计算系统两部分组成。前者包括数字摄影测量数据处理系统并与仪器相配合。

采用电子角规绕测时，需二人合作。一人持仪器置于角规点上；一人持水平标尺置于待测立木的胸径处。绕侧如图3所示。首先发出“开始”指令，并输入符合林分现状的角规常数F(0.5，1，2，4)、近似形点高竖角α_a、辅助高竖角α_b，然后按提示操作。从第i株开始，第一步，瞄准胸高处。在上半视场，可看到精细而准确的树木胸径和水平标尺刻度的影像；在下半视场可看到此时的视线坡度θ_i(竖角刻度)和角规常数F分划线与胸径相切割的程度的影像。摄影后，相机的CCD将影像数字化，通过数据通讯电缆输入数字摄影测量处理系统，提取相关数据，如直径d_i、视线坡度角θi。角规测树观测系统即可显示并存贮胸高断面计数特征值δ_i和辅助高竖角α_bi(＝tgα_b+togθ_i)。第2步，沿该立木的树干向上观测，当竖角值到α_bi时，摄影。经过上述一系列的处理后即可显示并存贮辅助高断面的计数特征值δ_j和近似形点高竖角α_ai(＝tgα_a+tgθ_i)。第3步，继续沿树干向上观测，当竖角值到α_ai时，摄影。经过上述一系列的处理后显示并存贮近似形点高断面的计数特征值δ_k。并提示开始第i+1株立木的观测。如此绕测一周，既不漏测，也不重测，即可发出“结束”指令。此时观测系统将贮存的结果传入自动计算系统，即可现场显示并存贮本测点的最终结果：林分每公顷的立木株数N、平均树高H、平均干形R、断面积G、蓄积M等多项因子。

方法软件中的自动计算系统如图4所示，它是由多个数学模型相互组合推导而成，并按照程序实施计算的。

从自动观测系统传来的外业数据是：角规常数F，辅助高角α_b，近似形点高角α_a以及胸高断面计数特征值之和，即胸高样木株数z＝∑δ_i及其各株样木的胸径d_i；辅助高样木株数Z_b＝∑δ_j；近似形点高样木株数Z_a＝∑δ_k。

自动计算系统的实施程序如下：

(1)首先将上述各外业数据分别代入相应的数学模型①②③，可得林分每公顷的胸高断面积G，辅助高断面积G_b和近似形点高断面积Ga。

(2)然后将外业数据中各胸高样木的胸径di代入数模④，可得林分每公顷立木株数N。

(3)将G_b、G_a和N代入数模⑤⑥，可得林分辅助高H_b和近似形点高Ha。(4)将G、G_b、G_a代入数模⑦，可得过渡指数A。

(5)将H_b、H_a和A代入数模⑧，可得近似形点高区分段相关干形指数Ra，进而代入数模⑨获得林分干形指数R。

(6)将H_b、H_a、R_a和R代入数模⑩，可得林分平均高H。

(7)最后将G、H和R代入数模，可得林分每公顷蓄积M。