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第 31 卷 第 18 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.18 92 2015 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2015 自动测量胸径和树高便携设备的研制与测量精度分析 黄晓东 1，冯仲科1 ，解明星 2，陈金星1，刘金成1 （1. 北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京 100083；2. 哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨 150025） 摘 要：胸径和树高测量是评价立地质量和林木生长状况的重要依据，该文以图像自动识别原理、摄影测量原理、相似 三角形几何原理和三角函数原理为理论基础，研制了可测量胸径和树高的多功能便携式微型超站仪，该设备集成电荷藕 合器件图像传感器、倾角传感器、激光测距传感器、中央处理器、存储器、液晶显示屏，测量时可获取测站点到待测点 的倾角和距离 2 个参数值，并记录存储测量时的图像信息，通过仪器的嵌入式操作程序，实现胸径的自动测量、树高测 量、任意处直径自动测量、基本测量等 4 项基本功能。通过试验验证，215 株立木的单次胸径测量的平均绝对误差为 0.369 cm，平均相对误差为 2.08%。101 株立木的单次树高测量的平均相对误差为 1.44%。胸径测量精度达到 97.92%，树 高测量精度达到 98.56%，符合国家森林资源连续清查中的测量精度要求。该设备为森林资源调查提供了参考。 关键词：林业；传感器；测量；胸径；树高 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 中图分类号：S758.7; S24 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-18-0092-08 黄晓东，冯仲科，解明星，陈金星，刘金成. 自动测量胸径和树高便携设备的研制与测量精度分析J. 农业工程学报， 2015，31(18)：9299. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 Huang Xiaodong, Feng Zhongke, Xie Mingxing, Chen Jinxing, Liu Jincheng. Developing and accuracy analysis of portable device for automatically measuring diameter at breast height and tree heightJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 9299. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.18.014 0 引 言 立木的直接测定因子及其派生因子统称为基本测树 因子，而胸径和树高是立木直接测定因子1。胸径和树高 的测量是评价立地质量与林木生长状况的重要依据2。测 量胸径的仪器主要有轮尺、卡尺、直径卷尺等，测量树高 的仪器3-4主要有布鲁莱斯测高器、超声波测高器等5-6。 野外调查中，由于林地地形的不确定性等外界因素，使 得测量人员无法到达或者无法人工测量，为了克服外界 因素的影响，非接触式的胸径测量方式受到重视。 杨华等7利用 4 个物方点的坐标值实现单株立木图 像信息的提取，但需人为设置 4 个物方坐标点，对外业 要求苛刻。 侯鑫新等8提出了一种基于单电荷藕合器件图 像传感器（charge coupled device，CCD）相机与经纬仪相 结合的胸径测量方法。 赵芳等9、 李立存等10利用全站仪 实现树高材积的测量，并对其精度进行验证分析。对于 野外作业而言，电子经纬仪、全站仪11等测量仪器体积 收稿日期：2015-06-05 修订日期：2015-08-10 基金项目： 国家自然基金面上项目 “普通数码相机摄影提取森林经营信息与 建模研究” （41371001） ；国家科技支撑计划项目“倾斜摄影、地面 LiDAR 和野外测绘装备国产化” （2012BAH34B01） 作者简介：黄晓东，男，山东寿光人，博士生，主要从事林业装备与信息化、 摄影测量方向研究。北京 北京林业大学测绘与 3S 技术中心，100083。 Email：huangxiaodong0615 通信作者：冯仲科，男，甘肃灵台人，教授，博士生导师，主要从事精准 林业、测绘与 3S 技术集成研究。北京 北京林业大学测绘与 3S 技术中心， 100083。Email：fengzhongke 大、质量大、不便携带、操作复杂，并且在林地郁密度 比较高的地区和坡度较大的地区架站观测非常困难，测 量时有明显的局限性，而且仪器价格昂贵。因而需便携、 高精度测量仪器来高效的实现胸径和树高的测量。 中国是世界上的林业大国，国内应用的大部分高精 度和便携式的森林计测设备主要从国外进口，这些产品 不仅价格昂贵而且功能单一。 测树仪器主要有瑞典Haglf 公司12生产的 Vertex 系列和日本尼康公司13生产的 Forestry 550。为了适应中国林业信息化和智能化的发展 要求，科研工作者也对观测仪器进行了大量的研究。中 南林业科技大学研制的林业数字式测径仪14、林业数字 式测高测距仪15，主要利用机械原理实现胸径和树高测量； 北京林业大学测绘与3S 技术中心研制了电子测树枪16， 发 明了利用电子角规17，全站仪18-19等设备进行森林计测 的方法。但国内研制的仪器大部分存在精度较差、不易 携带、操作复杂等问题。在立木的直接测定因子的研究 上， 国内主要针对胸径的非接触测量20-21和树高22-23的精 确测量来开展的24，胸径和树高25-26大部分都是独立研 究，与便携式的仪器相结合的应用研究较少。 随着图像处理问题研究的深入发展，计算机视觉领 域给森林计测仪器的发展带来了契机。针对上述情况， 本研究利用 CCD、倾角传感器等，获取测量时的图像、 倾角和距离，基于图像自动识别、摄影测量27-28等原理， 由内嵌程序自动快速解算立木的胸径和树高这 2 种立木 直接测定因子，对各部件进行组装集成形成了快速、自 动、精确的微型超站仪，以期为森林资源调查提供参考。 第 18 期 黄晓东等：自动测量胸径和树高便携设备的研制与测量精度分析 93 1 仪器组成 1.1 硬件结构 自行研发的微型超站仪（PD-5 SERIES，南方测绘仪 器有限公司制造，中国）的硬件组成包括激光测距传感 器、 微机电系统 MEMS （microelectro-mechanical systems） 倾角传感器、电荷藕合器件图像传感器、中央处理器、 存储器、液晶显示屏、电源、微型按钮等。如图 1 所示。 通过对各部件进行集成组装，用于实现立木的直接测定 因子胸径和树高精确自动测量。将其固定于支架之上可 进行样地的观测。 1.显示屏 2.中心点 3.倾角读数 4.胸径测量/树高测量标志 5.平距读数 6.确定键 7.图像键 8.选择键 9.左微调键 10.右微调键 11.胸径读数 12.距离读数 13.图像识别区 14.仪器前端 15.CCD 16.激光 1.Display screen 2.Center point 3.Showed angle 4.Diameter at breast height/tree height flag 5.Horizontal distance reading 6.Confirm button 7.Image button 8.Select button 9.Adjustment to left 10.Adjustment to right 11.Diameter at breast height reading 12.Distance reading 13.Image recognition region 14.Front of instrument 15.CCD 16.Laser 图 1 微型超站仪示意图 Fig.1 Sketch map of mini- super total station 1.2 功能及参数 微型超站仪的主要功能包括树高测量和胸径的自动 测量。在此基础上可以实现林分平均高测量、树干任意处 直径测量、材积测量、株数密度测量和基本测量等功能。 仪器测量的距离范围为 0.05120 m，有效反射距离 为 0.05100 m，最小显示数值 0.001 m，测量精度为 1.5 mm。MEMS 倾角传感器测量范围90+90，有效 测量范围75+75，测量精度 0.1。电荷藕合器件图像 传感器胸径计算存储的精度为 1 mm。操作环境温度 10+50。仪器尺寸 136 mm52 mm28 mm，连续测 量时间 5 000 s，正常工作时间 5 h。 2 立木胸径测量 2.1 测量原理 测量时需将激光测距仪的光点对准待测立木的胸径 处，此时电荷藕合器件图像传感器会自动的将光线转变 为电荷信号，并通过自身内部的模数转换器将电荷转化 为数字信号，数字信号再通过数字信号处理器（digital signal processor，DSP）进行色彩校正、白平衡处理转换为 可视的图像呈现在屏幕上。通过调整测量人员的位置使 得整个待测区域（立木胸径）完整的呈现在屏幕内。 在确定测量时仪器自动记录测量时屏幕内的图像， 再以图像中心横线为基准线各向上向下移动 30 个像素， 形成上下宽度为 60 像素的矩形处理识别区域。利用灰度 值计算公式： 0.2990.5870.114VRGB=+ （1） 式中：V 为像素灰度值；R、G 和 B 为像素的 RGB 数值。 对识别区域内的所有像素进行灰度化处理，得到各 个像素点的灰度值，然后对识别区域内的各个像素点进 行遍历，计算出每列 60 个像素的灰度值的均值，并将均 值存入数组之中。将数组中间两个值作为分界点，依次 向前和后进行遍历，并判断分界点前后三部分的均值， 遍历完成后，查找出三部分有明显变化时对应的分界点 （此步骤可通过人工微调进行纠正，确保所识别区域为待 测胸径的边缘）。根据分界点的像素坐标值，计算出待 测胸径所对应的像素值 N。 测量时测量点位置距离待测胸径距离 L 可通过激光 测距仪自动记录，CCD 的焦距 f 是固定的，通过 CCD 成 像原理（图 2），待测胸径的图像解算值 RD的计算式为： / D RN Lf= （2） 式中：N 为待测胸径像素值，pix；f 为 CCD 定焦焦距值， pix；L 为待测胸径处与测量点之间的距离，m；RD为待 测胸径的图像值，m。 注：f 为 CCD 定焦焦距；D 为待测胸径，cm；N 为待测胸径对应像素数。 Note: f is focal length of CCD; D is diameter at breast height; N is number of pixels to be measured diameter at breast height. 图 2 CCD 成像原理示意图 Fig.2 Principle of charge coupled device to obtain diameter at breast height values 2.2 胸径纠正 在单一位置对柱形物体进行观测时，光线所反射回 来的柱形物体的直径是以观测点与圆柱体相切的两切点 的连线，其示意图如图 3 所示。若 S1为测量点，所测的 值 RD即为弦 AB 的长度。激光测距仪自动读取测量点与 待测胸径处的距离 L。通过计算分析得到胸径 D（图 3 中 为 RA+RB）的计算公式： 3222222 4(4)440 DDD L DLRDL RDLR+= （3） 式中：D 为胸径，cm。 利用盛金公式求解一元三次方程，根据盛金公式的 判别条件，利用程序求解式（3），得到 D 的计算值，根 据 D 与 RD的实际关系， 取 DRD， 且接近 RD值的解算值 作为胸径 D。 农业工程学报（） 2015 年 94 注：S1为测量胸径时的测量点；A，B 为在仪器显示屏上显示的边界点；O 点为树心坐标。 Note: S1 is measurement point to measure diameter at breast height; A and B are boundary point which is shown on display screens; O point is tree coordinate. 图 3 胸径测量处示意图 Fig.3 Sketch map of measuring diameter at breast height 2.3 胸径位置确定 非接触测量的胸径测量方法和原理国内外许多文献 都有提及。王建利等29提出一种结合光学三角形法、图 像处理及最小二乘拟合法的立木胸径测量的方法；曹忠 等30利用电子经纬仪测量胸径树高及立木材积等。但绝 大多数并没有提及胸径位置是如何确定的，以及如何判 断被观测点就是距根颈 1.3 m 处的胸径位置， 只是提出了 一种非接触测量的方式，并没有真正的在实际的调查工 作中实现非接触测量。 为了能够真正的在野外调查中实现非接触测量的功 能，结合微型超站仪本身的优势，利用激光测距仪和 MEMS 倾角传感器的特点，实现自动判断胸径位置。 假设被测立木的根颈处位于观测点所在水平面的上 方（图 4a），即在观测点将测距仪的光点对准立木根颈 时倾角传感器的倾角读数 大于 0。 注：LS、L0分别为观测点到待测立木的水平距离和到根颈处的距离，m； 和 分别为测量点到根颈处和胸径处所形成的倾角，()。 Note: LS and L0 are horizontal distance and distance form viewing point to stand to be measured, m; and are inclinations angle from measuring point to rootstock and diameter at breast height, (). 图 4 胸径位置确定示意图 Fig.4 Map of determining location of diameter at breast height 此时激光测距仪自动记录观测点到根颈的距离为 L0，根颈点距离观测点所在水平面的高程记为 H0，观测 点到立木所在位置的水平距离记为 LS，然后调整倾角传 感器的倾角读数为 时，激光所在立木上的位置即为胸 径，此时进行测量自动计算得出的数值即为胸径，倾角 所对应的值的计算公式为： 0 0 sin1.3 arctan cos L L + = （4） 式中：L0为观测点到根颈处的距离，m； 为测量点到待 测立木根颈处的倾角，()； 为激光点对准胸径处时的倾 角读数，()。 当被测立木的根颈位于观测点所在水平面的下方 （图 4b），此时倾角读数 小于 0。H0计算值为负值，胸 径处位于观测点所在平面的上方和下方决定 的正负性， 但对求解公式无影响。 通过分析计算， 倾角 的计算式仍 为式（4）。 3 立木树高测量 3.1 测量原理 树高测量时主要利用的是激光测距仪的测距功能和 MEMS 倾角传感器的测角功能，在进行树高测量时，首 先确定测量点的合适位置，确保整棵立木在视线范围内 无遮挡。然后依次对准立木的树干处、根颈处、树顶处 进行 3 次测量，分别记录下测量点到树干处的水平距离 LS，测量点到根颈处所形成的倾角 ，测量点到树顶处所 形成的倾角 。 假设待测立木的根颈处于观测点所在水平面的下方 （图 5a），此时倾角传感器的倾角读数 小于 0，故树高 的计算式为： ()tantan S HL= （5） 式中：H 为待测立木的高度，m；LS为测量点到待测立木 的水平距离， m； 为测量点到待测立木顶端的倾角， ()。 当待测立木的根颈处于观测点所在水平面上方（图 5b） ， 倾角 的读数大于 0， 树高的计算公式仍为式 （5） 。 注：LD、LG分别为观测点到树顶处的距离和到根颈处的距离，m； 为测量 点到树顶处的倾角。 Note: LD and LG are horizontal distance、 distance form viewing point to stand and top to be measured, m; is inclinations angle from measuring point to top of tree, (). 图 5 树高测量示意图 Fig.5 Sketch map of measuring tree height 利用激光测距仪进行 3 次测量时能同时记录下测量 点到树干处的水平距离 LS，测量点到立木的根颈处、树 顶处两点的距离 LG和 LD。 仅通过 3 段距离经分析得到树 高的计算公式为： 第 18 期 黄晓东等：自动测量胸径和树高便携设备的研制与测量精度分析 95 tan arccostan arccos SS S DG LL HL LL = （6） 式中：LD为测量点到待测立木顶端的距离，m；LG为测 量点到待测立木根颈处的距离， m。 倾角 的值小于 0 时， 取正值，倾角 的值大于 0 时，取负值。 3.2 精度分析 利用倾角传感器式（5）进行树高测量的精度分析， 树高 H 测算的精度受到测量点到待测立木的水平距离 LS 的测量误差、测量点到待测立木顶端的倾角 的误差和测 量点到待测立木根颈处的倾角 的误差的影响，根据误差 传播定律推导公式，对式（5）进行全微分并整理得到： () 22 dtan -tandsecdsecd SSS HLLL =+（7） 则： ()()() 22 2 222222 tantansecsec S HLSS mmLmLm =+ （8） 式中：mH、 S L m、m、m分别为 H、LS、 的中误差。 只利用激光测距仪式 （6） 进行树高测量的精度分析， 树高 H 的测算精度受到测量点到待测立木的水平距离 LS 的测量误差、测量点到待测立木顶端的距离 LD的测量误 差和测量点到待测立木根颈处的距离 LG的测量误差的影 响，根据误差传播定律推导公式，对式（6）进行全微分 并整理： 令 S D L A L =， 2 2 1 sec (arccos) 1 CAA A = ， S G L B L =， 2 2 1 sec (arccos) 1 DBB B = 。 ()dtancostancosd ACdBDd S DG L LL HABCD= + （9） 则： () 2 22 222222 tancostancos S DG HL LL mABCDm ACmBDm = + （10） 式中： D L m和 G L m分别为 LD、LG的中误差。倾角 的值 小于 0 时，取正值，取负值；倾角 的值大于 0 时， 取负值，取正值。 4 试验验证 4.1 试验过程 本研究主要利用微型超站仪实现胸径和树高的测 量，试验操作过程如下：1）开机后按图像键，选择胸径 测量或者树高测量；2）胸径测量（图 6a），将激光点对 准胸径（图 6b），点击确定键后自动显示胸径（图 6c）。 3）树高测量。先将激光点对准立木，自动记录测点 到待测立木的水平距离（图 7a），然后将光点对准待测 立木根颈处，记录测点到被测点的倾角和距离（图 7b）， 最后将光点对准待测立木梢顶处，记录测点到被测点的 倾角和距离 （图 7c） 。 此时， 仪器自动解算树高 （图 7d） 。 a. 对准立木 a. Alignment tree b. 对准胸径 b. Alignment diameter at breast height c. 自动解算 c. Auto-calculation 图 6 胸径测量时仪器界面 Fig.6 Instrument interface of diameter at breast height measurement a. 测量平距 a. Measuring horizontal distance b. 测量根颈 b. Measuring root collar c. 测量梢顶 c. Measuring top of tree d. 自动解算 d. Auto-calculation 图 7 树高测量时仪器界面 Fig.7 Instrument interface of tree height measurement 4.2 测试数据 4.2.1 胸径测量功能 试验过程中针对 3 株胸径为 7.5、12.3 和 14.5 cm 的 立木按照不同的测量距离分别进行了 10、 25、 25 次测量， 测量时的距离范围为 242 m。测量结果如图 8 所示。 图 8 不同测量距离下胸径的测量值与真实值 Fig.8 Diameter at breast heights measured values and real values of different measurement distance 农业工程学报（） 2015 年 96 经试验结果分析，60 次胸径测量的绝对误差范围 0.50.5 cm，平均绝对误差 0.147 cm。相对误差范围 4.07%6.67%，平均相对误差 1.26%。如图 8 所示，当 测量距离达到 20 m 之后， 曲线波动较大， 误差相对越大。 剔除测量距离超过 20 m 的 14 次测量数据之后，平均绝 对误差 0.107 cm，平均相对误差 0.9%。 由于 CCD 镜头视角的原因，测量不同胸径的最短距 离也有要求，经过试验验证，测量距离满足： 0.125 int()1LD +（） （11） 式中：int( )为数值求整。 经胸径测量试验分析，针对胸径测量功能得到以下 结论： 1）单次胸径测量时，为提高测量精度，尽量使得测 量距离不超过 20 m。 为能使得整个胸径显示在显示屏内， 胸径小于 20 cm 时，最短测量距离大于 2.6 m；胸径小于 40 cm 时，最短测量距离大于 5 m。对于立木胸径测量功 能，最优的测量距离应介于 520 m 范围之内。 2）为提高测量精度可对胸径进行多次测量，胸径越 大，相对误差越低，测量精度越高（表 1）。 3）试验过程中，图像解算时间 0.53 s，测量距离 越近，解算时间越快。 表 1 胸径计算结果误差分析 Table 1 Measuring results and calculating results about diameter at breast height 序号 Number 次数 Times 真实值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值绝 对误差 Averages absolute error/cm 平均值相 对误差 Averages relative error/% 平均绝对 误差 Mean absolute error/cm 平均相对 误差 Average relative error/% 立木 1 Tree 1 10 7.50 7.48 -0.02 -0.27 0.16 2.13 立木 2 Tree 2 25 12.30 12.25 -0.05 -0.39 0.15 1.24 立木 3 Tree 3 25 14.50 14.56 0.06 0.44 0.14 0.94 4.2.2 树高测量功能 试验针对 3 株树高为 2.18、3.6 和 12.89 m 的立木按 照不同的测量距离分别进行了 20 次测量， 测量时张角 （到 顶梢的倾角减到根颈处的倾角）范围在 1090，测量 结果如图 9 所示。试验中，高为 2.18 和 3.6 m 的立木通 过用长直杆多次测量测得的平均值作为真值，高为 12.89 m 的立木通过全站仪多次测量测得的平均值作为 真值。 从试验结果中分析得到，60 次树高测量的相对误差 范围2.57%3.58%，平均相对误差 1.13%。 基于微型超站仪中激光测距传感器的测量距离范围 为 0.05120 m，有效反射距离为 0.05100 m，故树高 测量时，测量距离不能超过 100 m。基于树高测量的原理 分析，适用的树高测量范围满足： 22 100 S HLh+ （12） 式中：h 为测量点相对地面高度，m。 经树高测量试验分析，针对树高测量功能得到以下 结论： 1）野外作业中，由于林地中树木的相互遮挡情况， 森林资源清查中通视距离一般不超过 30 m，故利用微型 超站仪测量时的测量距离不宜超过 30 m。在林地中，测 量的树高理论适用范围为 095 m。 2）测量时张角介于 3060时测量精度高且稳定， 故测量的树高的实际适用范围 052 m。为提高测量精 度，测量人员距离立木与树高的高度接近为宜。 3）多次测量可提高树高测量精度。在可测范围内， 立木越高，相对误差越低，测量精度越高（表 2） 。 图 9 不同张角下树高测量的真实值和测量值 Fig.9 Tree heights measuring values and real values of different angles 表 2 树高计算结果误差分析 Table 2 Measuring results and calculating results about height 序号 Number 次数 Times 真实值 True/ cm 平均值 Average/ cm 平均值绝 对误差 Averages absolute error/cm 平均值相 对误差 Averages relative error/% 平均绝对 误差 Mean absolute error/cm 平均相对 误差 Average relative error/% 立木 4 Tree 4 20 218.00217.65-0.35 -0.16 3.43 1.57 立木 5 Tree 5 20 360.00359.66-0.34 -0.09 3.42 0.95 立木 6 Tree 6 20 1289.00 1287.28-1.72 -0.13 11.02 0.85 4.3 野外作业分析 4.3.1 试验地区 试验区域为延庆松山国家森林自然保护区生态系统 监测项目大样地范围之内，地理坐标东经 1154344 1155022，北纬 40299403335。试验过程为验证 设备在外业中的可行性和稳定性，所有测量数据均为单 次测量， 试验随机选取了 215 株立木进行胸径测量和 101 株立木进行树高测量。 4.3.2 胸径测量 胸径测量中的真值通过测径尺（测树钢围尺，太平 洋牌，北京）和游标卡尺进行多次测量求取平均值获得 （图 10）。 通过试验结果分析， 215 株立木胸径的测量结果的绝 对误差范围为1.71.2 cm，相对误差范围为9.1% 6.5%，平均相对误差为 2.08%。 为验证胸径测量的适用性和准确性，对所测的 215 组数据进行径阶划分。径阶划分的起测胸径为 1.0 cm， 第 18 期 黄晓东等：自动测量胸径和树高便携设备的研制与测量精度分析 97 以 2 cm 为一径阶，将所测数据划分为 A、B、C、D、E 共计 5 个径阶组。5 个径阶的误差分析如表 3 所示。 图 10 野外作业胸径测量结果 Fig.10 Result of diameter at breast height from field measuring 表 3 胸径按径阶的误差分析 Table 3 Error analysis of diameter at breast height according to diameter grade 径阶 Grade 株数 Numbers 平均绝对误差 Mean absolute error/cm 平均相对误差 Average relative error/% A 20 0.172 2.23 B 43 0.333 2.52 C 64 0.301 1.78 D 36 0.386 1.94 E 52 0.550 2.13 全部 All 215 0.369 2.08 注：A：10 径阶及以下，1.010.9 cm；B：1214 径阶，1114.9 cm；C： 1618 径阶，1518.9 cm；D：2022 径阶，1922.9 cm；E：24 径阶及 以上，23 cm 以上。 Note: A: less than 10 diameter grade, 1.0-10.9 cm; B: 12-14 diameter grade, 11-14.9 cm; C: 16-18 diameter grade, 15-18.9 cm; D: 20-22 diameter grade, 19-22.9 cm; E: More than 24 diameter grade, more than 23 cm. 4.3.3 树高测量 树高测量中的真值通过利用全站仪（NTS 340，南方 测绘仪器有限公司，中国）进行多次测量求平均值获得。 试验过程之中，由于部分可用微型超站仪测量的立木因 无法通过全站仪测算获取真值，故试验过程之中所用的 101 组数据均为可用全站仪测量树高真值的数据 （图 11） 。 图 11 野外作业树高测量结果 Fig.11 Result of tree height from field measuring 经实地测量，利用布鲁莱斯测高器、全站仪等仪器 所能测量树高的立木，微型超站仪均可进行测量。但对 于树冠将树顶处完全遮挡并且无法估测其大致位置的树 高测量则无法通过直接树高测量的功能测量获得。 通过试验结果分析， 101 株立木的树高的相对误差范 围为9.3%7.1%，平均相对误差为 1.44%。 4.3.4 野外作业分析结论 经过野外作业试验，对 215 株立木的胸径和 101 株 立木的树高进行分析，胸径和树高的单次测量精度分别 为 97.92%和 98.56%，这与测试数据分析得到的 98.74% 和 98.87%的测量精度较为吻合，同时，由于所有数据均 为单次测量，未对绝对误差较大数据进行重新测量，而 使得野外作业数据的精度低于测试数据的测量精度。但 野外作业单次测量的精度也满足国家森林资源连续清查 中对胸径和树高测量精度的要求。 5 结 论 本文利用电荷藕合器件图像传感器、倾角传感器、 激光测距传感器，获取图像、倾角、距离参数。基于图 像自动识别原理、摄影测量原理、相似三角形几何原理 和三角函数原理，由内嵌程序，按照理论原理分析实现 胸径和树高的自动解算。详细阐述了利用微型超站仪进 行胸径测量和树高测量的条件和作业方式，并通过实际 的野外作业验证， 胸径单次测量的测量精度达到 97.92%， 树高单次测量的测量精度达到 98.56%，符合国家森林资 源连续清查中的精度要求，该仪器可在林业调查中推广 使用。 参 考 文 献 1 孟宪宇. 测树学M. 北京：中国林业出版社，2006：1013. 2 冯仲科，赵春江，聂玉藻，等. 精准林业M. 北京：中国 林业出版社，2002：1030. 3 Marshall D D, Iles K, Bell J F. 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A portable mini multifunctional smart station has been developed based on the image automatic recognition theory, the photogrammetry theory, the similar triangles theory and the triangular function theory, which can measure the diameter at breast height and tree height. Simultaneously, this device integrates charge coupled device (CCD) image sensor with inclinometer, central processing unit, memory, liquid crystal screen, power supply and laser ranging sensor. After assembling the components, the station can be used to automatically measure the diameter and tree height accurately. It can be used to observe the plot after being mounted on the holder. During the measuring process, light spot needs to be aimed at the position of the diameter at breast height that is to be measured. The CCD sensor can automatically transform the light into electric charge signal and then into digital signal by the inner analog digital converter (ADC). After the hue correction and white balance processing by the digital signal processor, the digital signal is finally transformed into the visual image on the screen. When measuring, it can acquire 2 values, namely the inclination and the distance from the measuring point to the point needing measuring. Moreover, it can record and save the image information measured. The measurements of forest stand