树冠冠幅测量装置及测量方法
本发明涉及树冠冠幅量测技术领域，具体涉及一种树冠冠幅测量装置及测量方法。
背景技术：
森林调查是获取森林资源信息和进行各种分析决策的一项基础工作，而不同的方法所获得的数据有所差异。树冠冠幅作为一项基本的测树因子，对森林郁闭度、生物量的测定及林地规划管理保护有重要意义。
传统的树冠冠幅测量方法中，在标准地中进行调查：对于幼苗，可直接使用皮尺记录南北、东西及其他方向的宽度并记录数值，求平均值所得数据即为苗木的冠幅。但对于体积较大的树木，一种方法是通过正午阳光投影大概测出东西方向宽度和南北方向宽度并求取平均值，另一种是通过垂直投射线原理，将卷尺下拉，测出东西方向宽度和南北方向宽度的平均值，但都耗时耗力，且准确率非常低。
折射镜是基于光的折射原理，借鉴潜望镜的外形及结构而成的观测镜。当人的水平视角对准折射镜的目镜时，将从正上方穿过物镜。且物镜中央有十字丝，可用于对准树冠边缘。可使测量人员不再抬头目测，在提高科研人员便捷性与舒适性的同时保证了精度。但是，其在存在障碍物的情况下，由于受障碍物的遮挡，则无法精准测量树冠冠幅。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种树冠冠幅测量装置及测量方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种树冠冠幅测量装置，包括：
第一标杆，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上；所述第一标杆上沿轴向依次设有第一测量点和第二测量点；
第二标杆，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上，且与所述第一标杆的连线不与树冠投影范围相交；所述第二标杆上设有第三测量点；
移动标杆，可移动的垂直设于树冠垂直投影范围边沿的地面上；所述移动标杆上设有第四测量点；
计算模块，用于根据所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息。
优选的，所述第一测量点为第一rfid阅读器，所述第二测量点为第二rfid阅读器，所述第三测量点为第三rfid阅读器，所述第四测量点为第四rfid阅读器。
优选的，所述移动标杆的顶端还设有折射镜。
优选的，所述移动标杆上还设有圆水准器。
优选的，所述计算模块包括存储单元，用于存储所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息。
优选的，所述存储单元，还用于存储树冠冠幅边沿上多个待测点的位置信息。
优选的，所述第一测量点在所述第二测量点的上方。
第二方面，本发明提供一种利用如上所述的装置的树冠冠幅测量方法，包括：
获取所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息、所述第四测量点的位置信息；其中，
所述第一标杆垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上；所述第二标杆垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上，且与所述第一标杆的连线不与树冠投影范围相交；所述移动标杆垂直设于树冠垂直投影范围边沿的地面上，与树冠投影边沿上待测点的位置重合；
根据所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息。
优选的，所述第一测量点的位置信息包括第一测量点到地面的垂直距离，所述第二测量点的位置信息包括第二测量点到地面的垂直距离，所述第三测量点的位置信息包括第三测量点到地面的垂直距离，所述第四测量点的位置信息包括第四测量点到地面的垂直距离。
优选的，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息包括：
以第一标杆和第二标杆之间的水平连线为横轴，以水平连线的中点为原点，建立水平二维坐标系；
根据所述第一测量点到地面的垂直距离、第二测量点到地面的垂直距离、第三测量点到地面的垂直距离以及所述第四测量点到地面的垂直距离，结合勾股定理计算所述待测量点在所述水平二维坐标系内的坐标。
本发明有益效果：基于树木冠幅的位置特点，设计了与树冠边缘的位置特点相匹配的定位方法，无需人工对每棵树木进行多个方向的测量，只需要变更移动标杆的位置，可完成测量，简单、快速、准确；操作简单、携带方便，相对于现有的人工测量的方式，更加适合于在森林等地形复杂的条件中对冠幅进行准确的测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的移动标杆的设置位置示意图。
图2为本发明实施例所述的构建水平二维坐标系的示意图。
图3为本发明实施例所述的树冠冠幅测量装置使用原理结构图。
图4为本发明实施例所述的计算第一标杆与第二标杆之间水平距离的原理示意图。
图5为本发明实施例所述的计算第一标杆与移动标杆之间水平距离的原理示意图。
图6为本发明实施例所述的计算第二标杆与移动标杆之间水平距离的原理示意图。
其中：1-第一固定阅读器；2-第二固定阅读器；3-第一标杆；4-第二标杆；5-第三固定阅读器；6-移动标杆；7-移动阅读器；8-折射镜；9-圆水准器。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
本发明实施例1提供一种树冠冠幅测量装置，该树冠冠幅测量装置包括：
第一标杆，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上；所述第一标杆上沿轴向依次设有第一测量点和第二测量点。
第二标杆，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上，且与所述第一标杆的连线不与树冠投影范围相交；所述第二标杆上设有第三测量点。
移动标杆，可移动的垂直设于树冠垂直投影范围边沿的地面上；所述移动标杆上设有第四测量点。
计算模块，用于根据所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息。
在本实施例1中，上述装置在使用时，首先，将第一标杆垂直固定在树冠垂直投影范围以外的地面上的某一位置，通过使用卷尺等工具人工分别测量第一测量点到地面的垂直距离、第二测量点到地面的垂直距离，并记录。然后将第二标杆垂直固定在树冠垂直投影范围以外的地面上的另一位置，且与第二标杆的连线不与树冠垂直投影相交。通过使用卷尺等工具人工测量第三测量点到地面的垂直距离，并记录。将移动标杆垂直设于树冠垂直投影边沿上的，与边沿上的待测点重合，人工使用卷尺等工具人工测量第四测量点到地面的垂直距离，并记录。
使用卷尺等工具分别测量第一测量点与第三测量点之间的距离、第一测量点与第四测量点之间的距离、第二测量点与第三测量点之间的距离、第二测量点与第四测量点之间的距离以及第三测量点与第四测量点之间的距离，并记录。
根据上述测量的距离计算所述待测点的位置信息。
所述计算模块包括存储单元，用于存储所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息。还用于存储树冠冠幅边沿上多个待测点的位置信息。
所述第一测量点在所述第二测量点的上方。
在本实施例1中，利用上述的测量装置进行树冠冠幅测量时，获取所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息、所述第四测量点的位置信息；其中，
所述第一标杆垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上；所述第二标杆垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上，且与所述第一标杆的连线不与树冠投影范围相交；所述移动标杆垂直设于树冠垂直投影范围边沿的地面上，与树冠投影边沿上待测点的位置重合。
根据所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息。
具体的，所述第一测量点的位置信息包括第一测量点到地面的垂直距离，所述第二测量点的位置信息包括第二测量点到地面的垂直距离，所述第三测量点的位置信息包括第三测量点到地面的垂直距离，所述第四测量点的位置信息包括第四测量点到地面的垂直距离。
具体的，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息包括：
以第一标杆和第二标杆之间的水平连线为横轴，以水平连线的中点为原点，建立水平二维坐标系；
根据所述第一测量点到地面的垂直距离、第二测量点到地面的垂直距离、第三测量点到地面的垂直距离以及所述第四测量点到地面的垂直距离，结合勾股定理计算所述待测量点在所述水平二维坐标系内的坐标。
待测点坐标计算方式如下：
设第一测量点a、第三测量点c以及第四测量点d三点在同一水平面上投影点分别为a"、c"、d"，d"即与待测点的垂直投影重合。
当da″d″≥dc″d″，d"的位置坐标为：
当da″d″＜dc″d″时，d"的位置坐标为：
其中，da″d″表示点a"、d"两点之间的距离，dc″d″表示点c"、d"两点之间的距离，da″c″表示点a"、c"两点之间的距离。
实施例2
对于实施例1中，如果不使用卷尺或全站仪测量折射镜，进行人工测量每一个测量点的平面坐标和高差，可以在折射镜圈定冠幅时，使用rfid电子标签相位差的方法进行测定，计算冠幅面积。
rfid(无线射频识别技术)是一种通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触，可使它能够无视尘、雾、塑料、纸张、木材以及各种障碍物，无线电的信号通过调成无限的频率低电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品，标签包含了电子存储的信息，在设定范围内都可以进行追踪和识别，即射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内，然后利用频率信号将信息由rfid标签传送至rfid阅读器，对物品进行追踪，简便而又快捷。
本实施例2提供的树冠冠幅的测量装置，包括第一固定测量杆、第二固定测量杆和移动测量杆。
第一固定测量杆包括第一标杆3，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上；所述第一标杆3上沿轴向依次设有第一测量点(第二固定阅读器2)和第二测量点(第一固定阅读器1)。
第二固定测量杆包括第二标杆4，垂直设于树冠垂直投影范围以外的地面上，且与所述第一标杆3的连线不与树冠投影范围相交；所述第二标杆4上设有第三测量点(第三固定阅读器5)。
移动标杆6，可移动的垂直设于树冠垂直投影范围边沿的地面上；所述移动标杆6上设有第四测量点(移动阅读器7)。
计算模块，用于根据所述第一测量点的位置信息、所述第二测量点的位置信息、所述第三测量点的位置信息以及所述第四测量点的位置信息，计算所述树冠投影边沿上待测点的位置信息。
具体的，在本实施例2中，所述第一固定阅读器、第二阅读器均设置在第一标杆上，第一固定阅读器设置在第一标杆的下部，第二固定阅读器设置在第一固定阅读器上方大于2米的位置，优选为2-4米，更优选为3米。
所述第二固定测量杆包括第二标杆、第三固定阅读器，第三固定阅读器设置在第二标杆上。所述移动测量杆包括移动标杆、移动阅读器、折射镜8、圆水准器9，移动阅读器、圆水准器设置在移动标杆上，折射镜位于移动标杆顶端。
所述移动阅读器上设置有输入操作界面、信号发射按钮，便于向移动阅读器中输入需要的距离信息、测量信号的发射，以及测量信息的存储。
如图1至图3所示，本实施例2中，使用上述的装置进行树木冠幅测定时，包括如下步骤：
(1)首先，将第一标杆置于树冠外围，并将第一固定阅读器、第二固定阅读器相对于地面的高度输入移动阅读器内；
(2)然后将移动阅读器、折射镜和圆水准器固定在第二标杆上，并将移动阅读器在第二标杆的高度输入移动阅读器，然后移动到树冠外不同于第一标杆但与第一标杆同一侧的点，固定第二标杆于地面上，并将移动阅读器、折射镜和圆水准器从第二标杆上取下，更换第三固定阅读器在第二标杆上，将第一标杆和第二标杆连线，以两杆之间的水平连线为x轴，以该水平线段的中点为原点，并过原点垂直于x轴的假想直线为y轴，建立水平直角坐标系，以确定测定的界限，如图2所示；
(3)然后将从第二标杆上取下的移动阅读器、折射镜和圆水准器固定在移动标杆上，并将移动阅读器在移动标杆上相对于地面的高度输入移动阅读器；
(4)测量时，移动标杆沿着树冠边缘移动，将移动标杆移动到待测点，且圆水准器气泡处于中央时，各阅读器相互发射电测波，然后被各阅读器内的电子标签反射后由各固定阅读器接受，通过阅读每个阅读器所发射电测波的发射相位和接受相位之间的相位差，确定电子标签与每个阅读器之间的距离，然后传递给移动阅读器，移动阅读器通过计算阅读器之间的水平距离和垂直距离，从而确定测定树木冠幅边缘该点的位置坐标；
(5)每移动一点距离，按下存储键，即可将该点位置信息存储，重复上述过程，直到树木冠幅边缘全部测量完毕。
如图4至图6所示，计算固定阅读器之间的距离方法如下：
已知第一固定阅读器(假设固定于第一标杆a点)、第二固定阅读器(假设固定于第一标杆b点)、第三固定阅读器(假设固定于第二标杆c点)相对于各自地面的高度为ha、hb、hc，读取距离ab、bc、ac，由余弦定理：
ac2＝ab2+bc2-2ab×bc×cos∠abc，求出∠abc，因此，第一标杆和第二标杆之间的水平距离为：d1＝bc×sin∠abc。
假设第一标杆和第二标杆与地面接触点分别为a'、c'，两接触点之间的高度差hac＝ac×cos∠bac+ha-hc，如果计算结果大于0，说明第一标杆与地面的接触点(a')低于第二标杆与地面的接触点(c')，反之，则高；若计算结果等于0，则说明第一标杆与地面的接触点、第二标杆与地面的接触点处在同一水平高度。
计算移动阅读器和固定阅读器之间的距离方法如下：
移动阅读器固定在移动标杆处于d位置，移动标杆只在第一标杆与第二标杆连线的一侧移动，移动标杆与地面的接触点为d'，移动阅读器与第一固定标杆、第二固定标杆之间的水平距离为d2和d3，其中，d2、d3的计算方法与d1相同，第一标杆、移动标杆与地面之间接触点的高度差had的计算方法同hac。
假设第一标杆和移动标杆与地面接触点分别为a'、d'，两接触点之间的高度差had＝ad×cos∠bad+ha-hd，如果计算出来had>0，说明第一标杆与地面的接触点(a')低于移动标杆与地面的接触点(d')，反之，则高；若had＝0，则说明第一标杆与地面的接触点、移动标杆与地面的接触点处在同一水平高度。同理，可判断第一标杆和第二标杆与地面接触点之间的相对高度。
第二标杆、移动标杆与地面之间接触点的高度差hcd＝had-hac。如果计算出来hcd>0，说明移动标杆与地面的接触点(d')高于第二标杆与地面的接触点(c)，反之，则低；若hcd＝0，则说明移动标杆与地面的接触点和移动标杆与地面的接触点处在同一水平高度。读取距离cd，由此，可以计算出移动阅读器、第三固定阅读器之间的水平距离
上述计算方法都预先设置在移动阅读器中，当移动阅读器接收到固定阅读器的信号，并计算出相应的距离后，即可根据预先设定好的算法进行快速计算，并给出待测树木冠幅边缘的位置信息，每移至一点，按下存储键，即可将该点位置信息存储，系统会自动算出该点坐标。重复上述过程，直到样方内树木全部测量完毕。
(6)在得到某测点的相关距离信息后，该测点坐标计算方式如下：
设第一测量点a、第三测量点c以及第四测量点d三点在同一水平面上投影点分别为a"、c"、d"，d"即与待测点的垂直投影重合。
当da″d″≥dc″d″，d"的位置坐标为：
当da″d″＜dc″d″时，d"的位置坐标为：
其中，da″d″表示点a"、d"两点之间的距离，dc″d″表示点c"、d"两点之间的距离，da″c″表示点a"、c"两点之间的距离。
因此，通过该系统处理，可得到所有测点的坐标，因而可计算出多个方向的冠幅，而且在测点尽可能密集的情况下，可保证有更高的准确率，即得到更为接近真实冠幅的数据。
综上所述，本发明实施例所述的树冠冠幅测量装置及测量方法，基于树木冠幅的位置特点，以折射镜为主要观测设备，通过光的折射原理，将人仰望时的垂直视线转变为水平从眼睛中射出继而折射向上，解放了观测者的视线，能够更加精确的对准树冠边缘，并设计出了与树冠边缘的位置特点相匹配的定位方法，结合rfid技术相位差测距的特点，再通过rfid技术提供这种算法所需要的距离信息，提出了一种能够准确计算冠幅的技术和方法，这种测量方法不需要人工拿着皮尺对每棵树木进行多个方向的测量，只需要变更移动标杆的位置，并按压移动阅读器上的存储键，即可完成测量，简单、快速、准确，同时，本发明操作简单、携带方便，相对于现有的人工测量的方式，本发明的测量系统更加适合于在森林等地形复杂的条件中对冠幅进行准确的测量。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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