一种树木胸径测量方法及测量系统与流程

1.本发明涉及树木胸径测量领域，具体而言，涉及一种树木胸径测量方法及测量系统。


背景技术：

2.我国的林地占地面积28412.59万顷，其中乔木林地19735.16万公顷，占69.46％；如此大的林木覆盖面积，对于林业的统筹规划工作异常艰巨，其中所消耗的人力物力的基数每年都在增加，对于林木资源的测量和统计，特别是树木生长信息的准确采集，是林业科研者工作者和森林调查人员的共同期盼，其中树木胸径是评价立地质量与林木生长状况的重要依据，立木胸径测量精准度直接影响胸高断面积、蓄积量的估算以及林地质量分析，是森林调查最基本的因子之一。树木胸径通常指的是据根茎1.3m处的树木直径，在传统测量方式中大多是人工利用就地取材的1.3m树枝再结合卡尺、围尺、皮尺等工具进行胸径测量。
3.由于测量过程中树木的面积庞大，因此现有技术中的测量方法存在测量时间过长，测量效率低下的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种树木胸径测量方法及测量系统，其能够缩短树木胸径的测量时间，能够在各种工况下测量树木胸径以及收集测量数据，同时提高测量效率。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.本发明的实施例提供了一种树木胸径测量方法，其包括：
7.获取树木胸径测量仪在设定采集时间内对树木胸径进行一次测量；
8.获取来自无人机搭载的数据接收模块利用lora无线电扩频技术接收的设定范围内的所述树木胸径测量仪的所有测量数据。
9.可选地，所述树木胸径测量仪环绕在树木的主干，所述获取树木胸径测量仪在设定采集时间内对树木胸径进行一次测量的步骤包括：
10.所述树木胸径测量仪在所述设定采集时间内对树木的主干进行一次测量得到胸径增量数据，并将所述胸径增量数据进行存储。
11.可选地，所述设定采集时间的范围在一年以内。
12.可选地，在所述获取树木胸径测量仪在设定采集时间内对树木胸径一次进行测量的步骤之后，所述树木胸径测量方法还包括：
13.控制所述树木胸径测量仪在设定采集时间外处于休眠状态。
14.可选地，所述获取来自无人机搭载的数据接收模块利用lora无线电扩频技术接收的设定范围内的所述树木胸径测量仪的所有测量数据的步骤包括：
15.所述树木胸径测量仪接收到所述数据接收模块发出的苏醒信号后从休眠状态进入苏醒状态；
16.所述树木胸径测量仪接收到所述数据接收模块发出的接收信号后将所有测量数
据发送至所述数据接收模块。
17.可选地，所述设定范围为以无人机为圆心，半径3km以内形成的圆形范围。
18.本发明的实施例还提供了一种树木胸径测量系统，所述树木胸径测量系统利用所述的树木胸径测量方法进行测量，所述树木胸径测量系统包括树木胸径测量仪、数据接收模块以及无人机，所述数据接收模块设置于所述无人机，所述数据接收模块和所述树木胸径测量仪电连接。
19.可选地，所述树木胸径测量仪包括增量轮、测量钢条、发条弹簧以及磁通量传感器，所述测量钢条环绕在树木的主干，所述增量轮和所述测量钢条连接，所述发条弹簧和所述增量轮连接，所述磁通量传感器设置于所述增量轮，所述测量钢条用于在所述树木的主干增长的情况下被拉扯，使得所述增量轮发生转动，从而挤压所述发条弹簧，所述磁通量传感器用于进行检测并得出胸径增量数据。
20.可选地，所述发条弹簧的弹力大于所述树木胸径测量仪的重量。
21.可选地，所述数据接收模块包括主体外壳、数据发送模块以及挂载支架，所述挂载支架设置于所述主体外壳的顶部，所述挂载支架和所述无人机连接，所述数据发送模块设置于所述主体外壳。
22.本发明实施例的树木胸径测量方法及测量系统的有益效果包括，例如：
23.该树木胸径测量方法包括获取树木胸径测量仪在设定采集时间内对树木胸径进行一次测量；获取来自无人机搭载的数据接收模块利用lora无线电扩频技术接收的设定范围内的树木胸径测量仪的所有测量数据。使用该树木胸径测量方法时，将数据接收模块设置在无人机上，无人机搭载数据接收模块进入树林，使得数据接收模块能够获取设定范围内的所有树木胸径测量仪内的所有测量数据，该测量方法能够快速的一次性获取多份测量数据，缩短树木胸径的测量时间，同时提高测量效率，利用lora无线电扩频技术使得数据接收模块能够在没有网络的情况下接收到树木胸径测量仪的测量数据，提高了该测量方法的适用性。
24.该树木胸径测量系统包括树木胸径测量仪、数据接收模块以及无人机，数据接收模块设置于无人机，数据接收模块和树木胸径测量仪电连接。将数据接收模块设置在无人机上，无人机搭载数据接收模块进入树林，使得数据接收模块能够获取设定范围内的所有树木胸径测量仪内的所有测量数据，树木胸径测量系统能够快速的一次性获取多份测量数据，缩短树木胸径的测量时间，同时提高测量效率。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。
26.图1为本实施例提供的一种树木胸径测量方法的流程图；
27.图2为本实施例提供的一种树木胸径测量系统的示意图；
28.图3为本实施例提供的树木胸径测量仪的第一视角的结构示意图；
29.图4为本实施例提供的树木胸径测量仪的第二视角的结构示意图；
30.图5为本实施例提供的磁编码芯片的判断过程图。
31.图标：10-树木胸径测量仪；11-增量轮；12-测量钢条；13-发条弹簧；14-固定主体；15-固定柱；20-无人机；30-数据接收模块。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
36.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
38.我国的林地占地面积28412.59万顷，其中乔木林地19735.16万公顷，占69.46％；如此大的林木覆盖面积，对于林业的统筹规划工作异常艰巨，其中所消耗的人力物力的基数每年都在增加，对于林木资源的测量和统计，特别是树木生长信息的准确采集，是林业科研者工作者和森林调查人员的共同期盼，其中树木胸径是评价立地质量与林木生长状况的重要依据，立木胸径测量精准度直接影响胸高断面积、蓄积量的估算以及林地质量分析，是森林调查最基本的因子之一。树木胸径通常指的是据根茎1.3m处的树木直径，在传统测量方式中大多是人工利用就地取材的1.3m树枝再结合卡尺、围尺、皮尺等工具进行胸径测量。
39.由于测量过程中树木的面积庞大，因此现有技术中的测量方法存在测量时间过长，测量效率低下的问题。
40.请参考图1-图5，本实施例提供了一种树木胸径测量方法，其可以有效改善上述提到的技术问题，能够缩短树木胸径的测量时间，能够在各种工况下测量树木胸径以及收集测量数据，同时提高测量效率。
41.请参考图1，本实施例提供了一种树木胸径测量方法包括：
42.s1：获取树木胸径测量仪10在设定采集时间内对树木胸径进行一次测量；
43.s2：控制树木胸径测量仪10在设定采集时间外处于休眠状态；
44.s3：获取来自无人机20搭载的数据接收模块30利用lora无线电扩频技术接收的设定范围内的树木胸径测量仪10的所有测量数据。
45.需要进行说明的是，在传统林业调查规划工作中，因为应用场景都处在深山老林之中，对于物联网等需要进行联网的设备来说并不能支撑其功能。为了解决这一技术问题，本实施例选用lora无线扩频技术，其有效距离3km，可进行一接多发的广播模型，只需要两部能相互通讯的lora模块之间进行数量串联，便能实现数据的无线传输，在无5g通讯信号的场合，也能实现数据传输。
46.在本实施例中，树木胸径测量仪10的数量和需要测量的树木的数量适配，每个树木均安装有一个树木胸径测量仪10。
47.其中，树木胸径测量仪10环绕在树木的主干，步骤s1包括：
48.s11：树木胸径测量仪10在设定采集时间内对树木的主干进行一次测量得到胸径增量数据，并将胸径增量数据进行存储。
49.具体地，设定采集时间的范围在一年以内。在本实施例中，设定采集时间为半年。也就是说，树木胸径测量仪10半年对树木的胸径进行一次测量。在其他实施例中，设定采集时间还可以为三个月。在此不做具体限定。
50.还需要进行说明的是，步骤s3包括：
51.s31：树木胸径测量仪10接收到数据接收模块30发出的苏醒信号后从休眠状态进入苏醒状态；
52.s32：树木胸径测量仪10接收到数据接收模块30发出的接收信号后将所有测量数据发送至数据接收模块30。
53.在本实施例中，设定范围为以无人机20为圆心，半径3km以内形成的圆形范围。
54.需要进行说明的是，无人机20能够接收在设定范围内的所有树木胸径测量仪10的所有测量数据。
55.在本实施例中，树木胸径测量仪10固定在树上，并环绕树木一周，树木胸径测量仪10在设定采集时间内对树木的胸径进行一次测量，采集之后先暂时把数据存储在树木胸径测量仪10中，然后根据林业调查任务时间要求，利用无人机20搭载数据接收模块30，通过广播模式在无人机20进行航线巡航飞行时，对挂置在树上的树木胸径测量仪10发送数据回传指令，唤醒在休眠状态的树木胸径测量仪10，并将其内部保存的测量数据回传给数据接收模块30。
56.请参考图2，本发明的实施例还提供了一种树木胸径测量系统，树木胸径测量系统利用树木胸径测量方法进行测量，树木胸径测量系统包括树木胸径测量仪10、数据接收模块30以及无人机20，数据接收模块30设置于无人机20，数据接收模块30和树木胸径测量仪10电连接。
57.请参考图3和图4，具体地，树木胸径测量仪10包括增量轮11、测量钢条12、发条弹簧13以及磁通量传感器，测量钢条12环绕在树木的主干，增量轮11和测量钢条12连接，发条弹簧13和增量轮11连接，磁通量传感器设置于增量轮11，测量钢条12用于在树木的主干增长的情况下被拉扯，使得增量轮11发生转动，从而挤压发条弹簧13，磁通量传感器用于进行检测并得出胸径增量数据。
58.更多地，树木胸径测量仪10还包括固定主体14和固定柱15，增量轮11、发条弹簧13以及磁通量传感器均设置于固定主体14的内部，固定柱15与固定主体14的外部连接。
59.具体地，将测量钢条12缠绕在树上，测量钢条12的一端和固定柱15连接，测量钢条
12的另一端绕树木一周后绕增量轮11反向缠绕且利用卡扣固定，发条弹簧13设置于增量轮11的内部，测量钢条12在发条弹簧13的弹力作用下处于绷紧状态，使得树木胸径测量仪10紧贴树木的表面。
60.除此之外，树木胸径测量仪10还包括lora芯片、mcu芯片和其余电器元器件，其中数据测量是通过固定在增量轮11上的径向充磁磁铁结合磁通量传感器完成测量的。
61.当树木生长时，其胸径会增大从而拉扯测量钢带发生扩张，扩张的测量钢带带动增量轮11进行一定角度的旋转，同时进一步拉紧发条弹簧13，磁通量传感器检测到增量轮11转动的角度后，通过数据集成处理换算角度，进而得出树木胸径的增量数据，即得到树木胸径的增长值。
62.更多地，本实施例采用周长为定值的圆柱形结构增量轮11，增量轮11和固定主体14同轴安装，且增量轮11和固定主体14通过发条弹簧13连接，发条弹簧13的两端分别固定在固定主体14和增量轮11上。
63.为了保证树木胸径测量仪10在树上紧贴不掉落，且为了保证树木胸径测量仪10得到的数据的准确性，发条弹簧13的弹力大于树木胸径测量仪10的重量。
64.本实施例中的测量钢条12为不锈钢钢带。
65.还需要进行说明的是，数据接收模块30包括主体外壳、数据发送模块以及挂载支架，挂载支架设置于主体外壳的顶部，挂载支架和无人机20连接，数据发送模块设置于主体外壳。
66.本实施例中的主体外壳为方形壳体。
67.更多地，主体外壳的底部设有接发天线，主体外壳的侧壁设有显示屏、供电口以及数据口。
68.在其他实施例中，该树木胸径测量系统还包括基站，基站设置在森林中，基站能够接收在其接收范围内的所有树木胸径测量仪10的测量数据并进行存储，无人机20搭载数据接收模块30靠近基站使得数据接收模块30能够一次性收集基站内的所有测量数据。
69.本实施例提及的树木胸径测量方法中涉及的计算过程以及计算公式如下：
70.以mt6816磁编码芯片举例(下文简称磁编)，磁编会根据平行于芯片表面的磁场方向变化而作出反应。磁场改变后(见图1、2是一块磁铁作逆时针旋转)，经过芯片处理会生成一个14位的绝对角度数值，即原始值，mcu通过读取这个原始值，再经过一定的公式转换后，就能得到实际的数学角度。
71.应用在树木胸径的测量上，我们可以在树高1.3米处环绕一条测量其周长的钢尺，但是这条钢尺连有一块磁铁，它会随着钢尺长度变化而旋转，那么只要通过磁编读取这块磁铁旋转过的角度，就能计算钢尺被拉伸的长度，即树木周长，之后再得到直径就很容易了。以上就是磁编的应用方式及其工作原理。
72.以mt6816磁编码芯片举例，根据其用户手册，其原始值的数据格式为无符号的14位二进制数据，转换为10进制后数据范围为0-16384，代表着0-360
°
的实际角度。
73.获取磁编原始值的方式，mcu通过4线spi与磁编通信，需要访问其角度数据寄存器来获取原始值。见表1，如果只需要角度的原始值数据，获取0x03寄存器的全部8位、以及0x04寄存器的高6位，共14位，之后代入下面的公式计算就能换算为实际的角度。
74.值得注意的是，换算为实际的角度之前，需要把每个采样周期的磁编原始值做增
量累加。
75.其中，表1具体如下：
76.表1
[0077][0078]
式中θ为真实角度；angle《i》为寄存器的每一位原始数据，需要将他们组成14位。
[0079]
因为磁编不具备计算增量，数据累加的功能，磁编在经过磁场一圈的变换后(磁铁转完一圈后)，角度绝对值会归零。如果我们不统计磁编变换的圈数(磁铁转过的圈数)，在钢尺拉过一段长度后，磁铁转完一圈后，角度绝对值归零，那么前面拉过的这一段长度都会丢失，钢尺长度也就无法累计了。所以我们在每一次进行磁编数据采样时，都会将当前的数据，与前一次的数据进行相减，得到一个增量，我们通过这个增量大小，可以判断磁铁是否走完一圈，具体方法为设定一个数值判断范围，例如我这次的采样值为0，上一次的采样值为16535，磁铁刚好转完一圈，相减结果为-16535，那么我们设置一个判断范围为：增量》-10000且《-16536，就判定磁铁转过一圈，应将数值加上16536，得到正增量，反之如果相减结果》-10000且《0，我们就认为只是钢尺缩短，磁铁反向旋转，得到负增量。当然，我们也要考虑磁铁逆时针转过一圈的情况，这整个判断的过程请参考图5。
[0080]
对磁编原始值进行增量的累加后，得到累加完毕的原始值，就可以通过数学公式转换为真实的角度/长度了。
[0081]
将累加后的原始值转换为真实值，可以将原始值套进绝对角度的公式中，得到总转过的绝对角度，再根据角度以及半径计算弧长，套入下面的转过的弧长公式中，钢尺和磁编的结构会有个问题，就是随着钢尺被拉出，钢尺到磁编的直径会越来越短，可以见得磁编角度与钢尺长度呈非线性的关系增长，直接固定直径计算长度，得到的值就会不准。
[0082][0083]
式中l为转过的弧长；n为转过的角度；r为半径。
[0084]
考虑到这一点后，我们选择手动采样磁编角度与钢尺长度的多组对应数值，然后使用matlab对这些数据进行数学拟合，得到一条多项式函数，以后只要将角度的原始值代入这条函数，就能得到对应的钢尺长度了，且精准度能保持在
±
1mm内。具体做法为：先采样多组数据，见下表：
[0085]
表2
[0086][0087]
再将数据代入matlab的polyfit函数进行拟合，得到的参数就可以用来构造一条函数了。可以选择二次拟合或三次拟合，为了平衡mcu的计算压力及拟合结果的精度，这里选择二次拟合即可。拟合过程的代码如下：
[0088]
％当遇到
×
的点是乱序的时候，同样的可以使用polyfit函数直接进行拟合
[0089]
p＝polyfit(y，
×
，2)；
[0090]
％y1＝polyval(p，x)；
[0091]
y1＝p(1)*y.^2+p(2)*y+p(3)；
[0092]
polyfit函数为拟合函数，它接受三个参数：y为输出，这里代入钢尺的长度采样值；x为输入，这里代入磁编的累加原始值；2为选择二次拟合，通过这个函数计算后会得到用于构造多项式函数的参数，即为p(1)、p(2)、p(3)，见表3，然后就能构造函数了。其中，构造的函数如下：
[0093][0094]
表3
[0095][0096]
以后只要将磁编的累加原始值作为输入x代入这个函数，就能得到对应的钢尺长
度y。再将这个长度y转换为直径就好办了，直接周长除于π即可。
[0097]
本实施例提供的一种树木胸径测量方法及测量系统至少具有以下优点：
[0098]
在传统林业调查规划工作中，因为应用场景都处在深山老林之中，对于物联网等需要进行联网的设备来说并不能支撑其功能。为了解决这一技术问题，本实施例选用lora无线扩频技术，其有效距离3km，可进行一接多发的广播模型，只需要两部能相互通讯的lora模块之间进行数量串联，便能实现数据的无线传输，在无5g通讯信号的场合，也能实现数据传输。
[0099]
该树木胸径测量系统结合了无人机20任务载荷技术和lora无线传输技术，并应用在林业规划调查行业之中，不仅简化了数据采集过程，同时也减低了大量人力物力成本。仅需通过无人机20任务载荷技术，规划巡检航线，巡检面积，再利用无人机20进行航线规划，定速定点巡航，既能利用无人机20的摄像头进行人工森林状况巡检，也能同时完成树木胸径的数据采集。
[0100]
该树木胸径测量仪10利用发条弹簧13与测量钢带的组合，实现了测量仪的矢量自适应测量功能，发条弹簧13自身的预紧力和测量钢条12的缠绕包裹，提供仪器所需要的支撑与张紧固定功能。在传统固定方式中，大多采用钉子嵌入树木固定方式或者是橡胶带缠绕捆绑，会对林木造成损害或影响树木生长，同时产生额外的固定物料，安装方式繁琐，本实施例提供的树木胸径测量仪10只需要两种简单的物料，实现了无伤测量，简化安装方式，减少固定物料的使用。
[0101]
综上所述，本发明实施例提供了一种树木胸径测量方法及测量系统，该树木胸径测量方法包括获取树木胸径测量仪10在设定采集时间内对树木胸径进行一次测量；获取来自无人机20搭载的数据接收模块30利用lora无线电扩频技术接收的设定范围内的树木胸径测量仪10的所有测量数据。使用该树木胸径测量方法时，将数据接收模块30设置在无人机20上，无人机20搭载数据接收模块30进入树林，使得数据接收模块30能够获取设定范围内的所有树木胸径测量仪10内的所有测量数据，该测量方法能够快速的一次性获取多份测量数据，缩短树木胸径的测量时间，同时提高测量效率，利用lora无线电扩频技术使得数据接收模块30能够在没有网络的情况下接收到树木胸径测量仪10的测量数据，提高了该测量方法的适用性。
[0102]
该树木胸径测量系统包括树木胸径测量仪10、数据接收模块30以及无人机20，数据接收模块30设置于无人机20，数据接收模块30和树木胸径测量仪10电连接。将数据接收模块30设置在无人机20上，无人机20搭载数据接收模块30进入树林，使得数据接收模块30能够获取设定范围内的所有树木胸径测量仪10内的所有测量数据，树木胸径测量系统能够快速的一次性获取多份测量数据，缩短树木胸径的测量时间，同时提高测量效率。
[0103]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。