专利名称：一种树木测量方法及树木测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及森林资源监测领域，尤其涉及一种树木测量方法及树木测量系统。
背景技术：
在传统的森林资源监测中，精确测量树高和树冠投影面积一直是一个难以解决的问题。通常，树高主要使用测高器、罗盘仪等进行测量，但使用该方法测量时，数据无法实时存储与解算，仅能依靠手工记录数据，精度低、工作量大。而树冠投影面积则多将其视为圆形，通过拉尺测量冠径来求算面积，但该测量方法采用目估法，手工操作，精度较低。另外，北京林业大学的冯仲科等人曾提出利用有棱镜全站仪，采用三角高程法、三维前方交会法、全站仪解析法等方法进行树高和树冠的测量。但该测量方法中，有棱镜全站仪必须在树底下设置棱镜，通过反射获得数据。而在野外测量中，树下环境不一定适宜架设棱镜，所以这种方法耗时，效率低，并且受地形影响大。在计算树冠投影面积时，利用近圆或者近椭圆模拟不规则的树冠投影面，通过有棱镜全站仪测量树冠的冠幅以得到冠径，再求出树冠面积。因此，利用此类测量方法得出来的树冠投影面积与实际面积误差较大，精度低。所以，在森林资源监测过程中，传统的树高、树冠投影面积测量方法易受森林中复杂地形因素的限制，且工作量大、自动化程度低、精度不高。因此，实现树高和树冠投影面积的高精度、高效率的测量成为本领域科技人员急待解决的问题。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种树木测量方法及树木测量系统，可在地形复杂的条件下，利用无棱镜全站仪高精度、高效率地采集目标树木的采样点信息，并通过处理器计算树高、树冠投影面积，同时，计算树冠投影面积时，根据树冠总体生长态势，结合凹凸多边形，把非线性的树冠投影线性化，将树冠投影转换为具有凹弧、凸弧的弧段多边形进行计算，精确度高。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种树木测量方法，包括:处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；所述处理器根据所述最高点高程Ht及最低点高程Hb计算树高H，所述树高H=Ht-Hb ;所述处理器根据所述采样点坐标计算树冠投影面积。作为上述方案的改进，所述处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的步骤包括:提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形；根据所述基于线段的多边形生成基于弧段的多边形；计算所述基于弧段的多边形的面积。作为上述方案的改进，所述提取采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形的步骤包括:提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据所述X轴坐标及Y轴坐标将所述采样点绘于同一图层内；相邻的采样点两两相连，组合成基于线段的多边形。作为上述方案的改进，所述根据基于线段的多边形生成基于弧段的多边形的步骤包括:获取预设的样品参数N ;计算所述相邻的采样点间的弦长L ;根据所述样品参数N及所述相邻的采样点间的弦长L，计算所述相邻的采样点间对应的弧段的弦高D，所述弦高D=N X L ;计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度，所述三个采样点依次为起点、中点、终点；判断所述内角的角度是否大于180°，判断为是时，则所述中点与终点间对应的弧段为凹弧，判断为否时，则所述中点与终点间对应的弧段为凸弧；根据所述弦高D、弦长L及弧段的凹凸性生成所述相邻的采样点间的弧段。作为上述方案的改进，所述处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息的步骤之后还包括存储所述采样点信息。相应地，本发明还提供了一种树木测量系统，包括:无棱镜全站仪，用于实时采集目标树木的采样点信息，所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标，所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；处理器，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树高及树冠投影面积。作为上述方案的改进，所述处理器包括:获取单元，用户获取所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息；与所述获取单元相连的树高计算单元，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树高；与所述获取单元相连的树冠投影面积计算单元，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树冠投影面积。作为上述方案的改进，所述树冠投影面积计算单元包括:线段多边形单元，提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形；与所述线段多边形单元相连的弧段多边形单元，根据所述基于线段的多边形生成基于弧段的多边形；与所述弧段多边形单元相连的计算单元，用于计算所述基于弧段的多边形的面积。作为上述方案的改进，所述弧段多边形单元包括:参数获取子单元，用于获取预设的样品参数N ;弦长计算子单元，用于计算所述相邻的采样点间的弦长L ;与所述参数获取子单元及弦长计算子单元分别相连的弦高计算子单元，用于根据所述样品参数N及所述相邻的采样点间的弦长L，计算所述相邻的采样点间对应的弧段的弦高D，所述弦高D=NXL;内角计算子单元，用于计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度；与所述内角计算子单元相连的判断子单元，用于判断所述内角的角度是否大于180°并做相应处理；与所述弦高计算子单元及判断子单元分别相连的弧段生成子单元，用于根据所述弦高D、弦长L及判断子单元的判断结果生成所述相邻的采样点间的弧段。作为上述方案的改进，所述处理器还包括与所述获取单元相连，用于存储所述采样点信息的存储单元。实施本发明的有益效果在于:可在地形复杂的条件下，利用无棱镜全站仪高精度、高效率地采集目标树木的采样点信息，通过处理器计算树高、树冠投影面积。其中，无棱镜全站仪具有测量精度高、测量速度快、测量距离远等优点，特别适合于人员无法到达的地区，受地形影响小，实现了“所瞄即所测”，效率高，适用范围广，安全性好，操作简单。另外，处理器自动计算，免去了手工计算出图，减少了工作量，提高了工作效率。
计算树高时，仅需选取目标树木顶端枝条或者与该枝条处于同一水平面上的树叶为参考点，测量最高点高程Ht，同时，选取与目标树木根部处于同一水平面的有效测区为参考点，测量最低点高程Hb，处理器获取最高点高程Ht及最低点高程Hb以计算树高H，所述树高H=Ht-Hb。因此，不用测量无棱镜全站仪至树干中心的平距，克服了在测区内有陡坡或沟壑无法测量水平距离的缺点。同时，计算树冠投影面积时，根据树冠总体生长态势，选取树冠在各个方向的最大伸展处作为采样点，利用无棱镜全站仪测量采样点的三维坐标。处理器把非线性的树冠投影线性化，根据采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形，并结合凹凸多边形的特点，将树冠投影转换为具有凹弧、凸弧的弧段多边形进行计算，精确度高。


图1是本发明一种树木测量方法的流程示意 图2是图1中处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的流程示意 图3是图1中处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的另一流程示意 图4是本发明一种树木测量方法的第一实施例中基于线段的多边形；
图5是本发明一种树木测量方法的第一实施例中基于圆弧的多边形；
图6是本发明一种树木测量方法的第二实施例中基于线段的多边形；
图7是本发明一种树木测量方法的第二实施例中基于圆弧的多边形；
图8是本发明一种树木测量方法的第三实施例中基于线段的多边形；
图9是本发明一种树木测量方法的第三实施例中基于圆弧的多边形；
图10是本发明一种树木测量系统的结构示意 图11是本发明一种树木测量系统中处理器的结构示意 图12是本发明一种树木测量系统中处理器的另一结构示意 图13是本发明一种树木测量系统的处理器中树冠投影面积计算单元的结构示意图； 图14是图13中弧段多边形单元的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。图1是本发明一种树木测量方法的流程示意图，包括:
S100，处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息。所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标。所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标。SlOl，所述处理器根据所述最高点高程Ht及最低点高程Hb计算树高H。需要说明的是，处理器利用公式H=Ht-Hb,计算树高。计算树高时，仅需选取目标树木顶端枝条或者与该枝条处于同一水平面上的树叶为参考点，并利用无棱镜全站仪测量最高点高程Ht。同时，选取与目标树木根部处于同一水平面的有效测区为参考点，并利用无棱镜全站仪测量最低点高程Hb。无棱镜全站仪将测量所得的最高点高程Ht及最低点高程Hb上传至处理器。处理器获取最高点高程Ht及最低点高程Hb，并依据公式H=Ht-Hb计算树高H。需要说明的是，利用无棱镜全站仪测量时，需要考虑风速、植物通视程度、枝条粗细等因素。当枝条受风速影响小而且通视情况良好时，可直接测量植物顶端枝条以确定最高点高程Ht ;否则，应测量与该枝条处于同一水平面上的叶子，且应选取枝条摆动弧度上限位置为测量点以确定最高点高程Ht。S102，所述处理器根据所述采样点坐标计算树冠投影面积。测量树冠投影面积时，根据树冠总体生长态势，初步选取树冠在各个方向的最大伸展处作为采样点，再根据树冠投影形状和凹凸点分布情况最终确定采样点，利用无棱镜全站仪顺时针或逆时针测量采样点的三维坐标。处理器根据采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，描绘采样点并根据采样点模拟出与树冠投影相似的不规则多边形，此时，计算出的多边形面积可近似为树冠投影的面积，大大提闻了测量的精度。需要说明的是，由于地形、通视情况等因素影响，往往需要布设多个控制点，并在近地面风速小于0.5m/s时，实现激光对准目标树木的情况下，从不同角度对树冠进行测量，部分叶片厚重的树木，可以在风速小于lm/s测量。需要说明的是，步骤SlOl与步骤S102之间没有必然的先后顺序，在进行步骤SlOl的同时也可以进行步骤S102。图2是图1中处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的流程示意图，包括: S200，提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形。测量树冠投影面积时，根据树冠总体生长态势，初步选取树冠在各个方向的最大伸展处作为采样点，再根据树冠投影形状和凹凸点分布情况最终确定采样点，利用无棱镜全站仪顺时针或逆时针测量采样点的三维坐标。所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标。处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点坐标，依次提取采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据X轴坐标及Y轴坐标，描绘采样点并连接成线段多边形。S201，根据所述基于线段的多边形生成基于弧段的多边形。在基于线段的多边形的基础上，将基于线段的多边形转换为具有凹弧、凸弧的基于弧段的多边形，使模拟的多边形更接近树冠投影的形状，大大提高了测量的精度。S202，计算所述基于弧段的多边形的面积。计算基于弧段的多边形的面积时，可利用积分原理对弧段多边形进行面积计算，即通过计算上下曲线/折线的方程，再求上下曲线积分得到面积。也可以使用多边形像素映射方法计算基于弧段的多边形面积，即先计算多边形内的像素数量，再按比例换算成面积。还可以采用基于扫描线方法的面积算法计算基于弧段的多边形，即通过从每一个采样点引出的横向扫描线，把整个多边形区域划分为若干个三角形、梯形(只要存在两条对边平行的四边形就称为梯形)、或者是弧形(在存在圆弧的情况下，先将圆弧的弦连起来作为一个弧形单独考虑)，从而分别求算各个分块的面积，各个分块累加即可得到整个基于弧段的多边形的面积。例如(参见图5)，多边形为含有弧形边的不规则图形，采用基于扫描线方法计算面积时，先对所有的弦和直线边组成的多边形进行划分，计算获得对应的面积块累加公式。其中，对多边形排序后的边集合为{ (A，B) (B，G) (G，C) (C，D) (D，E) (E，F) (F，A)}，另夕卜，弧(A，B) (B, C) (D，E) (E，A)围成的面积为凸出于多边形的弧形，以及弧(C，D)围成的面积凹入多边形的弧形。然后，根据弧所对应的凹凸关系，对应的总面积减去或加上圆弧围成的面积。图3是图1中处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的另一流程示意图，包括:
S300，提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据所述X轴坐标及Y轴坐标将所述采样点绘于同一图层内。所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标。确定采样点后，利用无棱镜全站仪顺时针或逆时针测量采样点的三维坐标。处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点坐标，并按照无棱镜全站仪的测量顺序依次提取采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据X轴坐标及Y轴坐标将所述采样点绘于同一图层内。S301，相邻的采样点两两相连，组合成基于线段的多边形。相邻的采样点，依照测量顺序通过线段形式两两相连，形成基于线段的多边形。S302，获取预设的样品参数N。需要说明的是，样品参数N为相邻样品点的弦高与弦长之比的平均值。在太阳直射点上，工作人员进行实地测量，选定样品树木，并在地面上标出样品树木的树冠投影，分别选取树冠投影上的两个相邻的样品点，沿树冠投影勾画出两个相邻的样品点间的弧段。用皮尺测量出两样品点的距离(即弦长)以及两样品点间连线的垂直平分线的长度(即弦高)，此时，将两样品点间连线的垂直平分线的长度与两样品点的距离之比称为固定比。经上千次的反复测量，分别选取不同种类的样品树木及不同的样品点，计算可得出上千个固定比。此时，计算各固定比的平均值即称为样品参数N。优选地，所述样品参数N的值为I / 4.15。S303,计算所述相邻的采样点间的弦长L。根据步骤S301组合成的基于线段的多边形，依照测量顺序计算基于线段的多边形内相邻的采样点间的弦长L。S304，根据所述样品参数N及所述相邻的采样点间的弦长L，计算所述相邻的采样点间对应的弧段的弦高D。所述弦高D=NXL,即相邻的采样点间对应的弧段的弦高D为样品参数N与相邻的采样点间的弦长L的乘积。S305，计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度。所述三个采样点依次为起点、中点、终点。根据步骤S301组合成的基于线段的多边形，依照测量顺序计算基于线段的多边形内相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度。例如(参见图5)，相邻的三个采样点依次相连而成的内角共有5个。分别为:采样点A、B、C组成的Z ABC，此时A为起点，B为中点，C为终点；采样点B、C、D组成的Z B⑶，此时B为起点，C为中点，D为终点；采样点C、D、E组成的Z⑶E，此时C为起点，D为中点，E为终点；采样点D、E、A组成的Z DEA，此时D为起点，E为中点，A为终点；采样点E、A、B组成的Z EAB,此时E为起点，A为中点，B为终点。处理器根据各采样点的X轴坐标及Y轴坐标计算上述各角的内角角度。S306，判断所述内角的角度是否大于180°。判断为是时，则所述中点与终点间对应的弧段为凹弧。判断为否时，则所述中点与终点间对应的弧段为凸弧。例如(参见图5)，采样点A、B、C组成的Z ABC小于180°，此时A为起点，B为中点，C为终点，则点B与点C间对应的弧段为凸弧，同理可得，点D与点E间对应的弧段为凸弧，点E与点A间对应的弧段为凸弧，点A与点B间对应的弧段为凸弧。另外，采样点B、C、D组成的Z B⑶大于180°，此时B为起点，C为中点，D为终点，则点C与点D间对应的弧段为凹弧。S307，根据所述弦高D、弦长L及弧段的凹凸性生成所述相邻的采样点间的弧段。

更佳地，处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息后，处理器存储所述采样点信息，实现了采样点信息的实时存储。下面结合具体的实施例，进一步说明本方法。实施例1
根据树冠总体生长态势，选取目标树木的树冠在各个方向的米样点，分别为A、B、C、D、E，共5点，利用无棱镜全站仪逆时针测量采样点的三维坐标，采样点的三维坐标数据如表I所示。表I
权利要求
1.一种树木测量方法，其特征在于，包括: 处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标,所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标； 所述处理器根据所述最高点高程Ht及最低点高程Hb计算树高H，所述树高H=Ht-Hb ； 所述处理器根据所述采样点坐标计算树冠投影面积。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述处理器根据采样点坐标计算树冠投影面积的步骤包括: 提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形； 根据所述基于线段的多边形生成基于弧段的多边形； 计算所述基于弧段的多边形的面积。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述提取采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多 边形的步骤包括: 提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，根据所述X轴坐标及Y轴坐标将所述米样点绘于同一图层内； 相邻的采样点两两相连，组合成基于线段的多边形。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述根据基于线段的多边形生成基于弧段的多边形的步骤包括: 获取预设的样品参数N ; 计算所述相邻的采样点间的弦长L ； 根据所述样品参数N及所述相邻的采样点间的弦长L，计算所述相邻的采样点间对应的弧段的弦闻D,所述弦闻D=NX L ； 计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度，所述三个采样点依次为起点、中占錄占.1 >、、、、>、、、判断所述内角的角度是否大于180°，判断为是时，则所述中点与终点间对应的弧段为凹弧，判断为否时，则所述中点与终点间对应的弧段为凸弧； 根据所述弦高D、弦长L及弧段的凹凸性生成所述相邻的采样点间的弧段。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息的步骤之后还包括存储所述采样点信息。
6.—种树木测量系统,其特征在于,包括: 无棱镜全站仪，用于实时采集目标树木的采样点信息，所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标,所述采样点坐标包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；处理器，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树高及树冠投影面积。
7.如权利要求6所述的树木测量系统，其特征在于，所述处理器包括: 获取单元，用户获取所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息； 与所述获取单元相连的树高计算单元，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树高； 与所述获取单元相连的树冠投影面积计算单元，用于根据所述无棱镜全站仪实时采集的采样点信息计算树冠投影面积。
8.如权利要求7所述的树木测量系统，其特征在于，所述树冠投影面积计算单元包括: 线段多边形单元，提取所述采样点坐标中的X轴坐标及Y轴坐标，生成基于线段的多边形； 与所述线段多边形单元相连的弧段多边形单元，根据所述基于线段的多边形生成基于弧段的多边形； 与所述弧段多边形单元相连的计算单元，用于计算所述基于弧段的多边形的面积。
9.如权利要求8所述的树木测量系统，其特征在于，所述弧段多边形单元包括: 参数获取子单元，用于获取预设的样品参数N ； 弦长计算子单元，用于计算所述相邻的采样点间的弦长L ； 与所述参数获取子单元及弦长计算子单元分别相连的弦高计算子单元，用于根据所述样品参数N及所述相邻的采样点间的弦长L，计算所述相邻的采样点间对应的弧段的弦高D，所述弦闻D=NX L ； 内角计算子单元，用于计算由相邻的三个采样点依次相连而成的内角的角度； 与所述内角计算子单元相连的判断子单元，用于判断所述内角的角度是否大于180°并做相应处理； 与所述弦高计算子单元及判断子单元分别相连的弧段生成子单元，用于根据所述弦高D、弦长L及判断子单元的判断结果生成所述相邻的采样点间的弧段。
10.如权利要求1、任一项所述的树木测量系统，其特征在于，所述处理器还包括与所述获取单元相连，用于存储所述采样点信息的存储单元。
全文摘要
本发明公开了一种树木测量方法，包括处理器获取无棱镜全站仪实时采集的采样点信息，所述采样点信息包括最高点高程Ht、最低点高程Hb、采样点坐标；所述处理器根据所述最高点高程Ht及最低点高程Hb计算树高H，所述树高H=Ht-Hb；所述处理器根据所述采样点坐标计算树冠投影面积。本发明还公开了一种树木测量系统。采用本发明，可在地形复杂的条件下，利用无棱镜全站仪高精度、高效率地采集目标树木的采样点信息，并通过处理器计算树高、树冠投影面积，同时，计算树冠投影面积时，根据树冠总体生长态势，结合凹凸多边形，把非线性的树冠投影线性化，将树冠投影转换为具有凹弧、凸弧的弧段多边形进行计算，精确度高。
文档编号G01C5/00GK103175491SQ20121024985
公开日2013年6月26日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者谢鸿宇, 杨木壮, 徐峰, 李长辉, 李展聪, 唐雪锋, 张泳茵 申请人:谢鸿宇