利用无棱镜全站仪进行树高和冠心病测量方法的研究

利用无棱镜全站仪进行树高和冠心病测量方法的研究

树高和树冠面积是森林调查的必要项目。树高是指一棵树从树木枝条顶端到树根底部的高度,树冠面积是指树木在垂直方向上的投影面积。它们是检测树木长势、预测树木生物量、反映林地生产力的重要参数,是数字园林的重要基础数据。因此,如何准确、快捷地对树高和树冠进行测量,一直是林业界的研究热点。无棱镜全站仪的出现,为精确、便捷地进行树高和树冠的测量提供了可能。本研究通过实验,设计出一套方便、快捷、准确、行之有效的利用无棱镜全站仪测量树高和树冠的新方法。1树冠面积的测量目前,树高主要使用测高器、罗盘仪等进行测量;树冠则多将其视为圆形,拉尺测量冠径来求算面积。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。以全站仪解析法为例(如图1所示),将棱镜设在树木旁边高度V=1.3m的地方,观测得到斜距SD以及角度V1,将望远镜瞄准树尖V2,得到角度。其树高的计算公式为:H=V+DsinV1(cosV1+cosV2)。(1)在计算树冠面积时,通常把树冠看成一个圆或者椭圆,利用有棱镜全站仪测量树冠冠幅得到冠径,再求出树冠面积。利用有棱镜全站仪测量树木时,需要在树干处和东、南、西、北4个方向树冠投影处立棱镜进行测量,从而得到一个近似于圆形或者椭圆的树冠投影面(如图2所示)。但是,树冠的投影面实际上是一个不规则的多边形,而且不同树种的树冠形状会有着很大的差别。因此,利用此类测量方法得出来的树冠投影面面积与实际面积误差较大。综上所述,无论是“拉皮尺”还是使用了有棱镜全站仪,均存在测量精度不高、测量数据难以处理、人力物力消耗大等缺点,无法满足现代林业调查对树高和树冠数据的需求。2所u所测目标物无棱镜全站仪是用3R级可见工业激光直接照准目标,利用目标物的漫反射返回信号进行精确测量,实现了“所瞄即所测”。以下将一一阐述利用无棱镜全站仪进行树高和树冠测量的方法。2.1校园各学科植物分布实验的测量样本均位于广州大学大学城校区内。经调查,校园内共有植物61科109种共28435棵,按照林木径级分层,随机选取分布于校园各处的样本树28科52种共1422棵进行测量,占总树木数量的5%。2.2制点选取在样本树周围选取控制点,并利用GPS-RTK测出控制点的三维坐标。控制点的选取要考虑地形、通视情况等因素的影响,如图3所示,既要能很好地对样本树进行观测,又要便于GPS获取控制点坐标。控制点的数量需根据测区内树木的分布和树冠的大小决定,一般每个样本都需要2个以上的控制点。2.3测量的树高和树冠本次测量采用了广州城建坐标系和国家85高程。(1)测定枝条为同一方向的有效点树高测量的原理在于测取树木枝条顶端与树根底部两个点的三维坐标,再用两个点坐标的高程差量取树高。如图4所示,以样本树081014为例,使用无棱镜全站仪对树根部或者与树根部处于同一水平面的有效点进行测量(树底根部被其他植物阻挡时使用),记A点高程为H1。取植物顶端枝条或者与该枝条处于同一水平面上的叶子进行测量,记B点高程为H2。设树高为H,即树高计算公式为:H=H2-H1(2)在测量中,需要考虑风速、植物通视程度、枝条粗细等因素的影响。当枝条受风速影响小而且通视情况良好时,直接测量植物顶端枝条;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。(2)风速对植物测定的影响在树冠测量时,应根据树冠的伸展情况,判定出树冠大致的形状,选取树冠在各方向上的最大伸展处作为测量点,顺时针或逆时针测出这些点的坐标。由于地形、通视情况等因素影响,往往需要布设多个控制点,从不同角度对树冠进行测量,图4、图5展示了样本树081014测量点的位置分布情况,从2个控制点共计测了11个点。风速对植物测量的影响是很大的。风吹动树叶,会使激光无法准确照准测量点。因此,选取了南洋楹、刺桐、高山榕等10种树叶进行风速模拟实验。实验结果表明,当风速为0~0.5m/s时,10种树叶晃动均不大,不影响激光照准。当风速为0.5~1m/s时,只有5种树叶可以实现激光照准。当风速为1~2m/s时,只有2种树叶可以实现激光照准。当风速在2m/s以上时,绝大部分植物的枝叶都难以用激光照准,无法进行测量。实验结果显示,植物的叶子越大越重,枝干越粗,抗风能力就越强,可测度就越高。因此,建议当近地面风速小于0.5m/s时进行树冠测量。2.4拟合投影面的量测在获取树冠的各个特征点的坐标后,通过程序,由各个特征点生成多边形来拟合树冠的投影面。在实验中发现,如果用直线生成的多边形,与树冠投影形状依然有较大差别。因此,采用弧段生成多边形来拟合树冠投影面。此外,树冠的形状是有凹凸的,因此在拟合投影面时,必须根据树冠的形状用凹多边形弧段和凸多边形弧段表示(如图6所示)。弧段可由起点、终点和弦高来确定。起点和终点分别为树冠测量点。弦高则可以从样本树的树影测平均值获得,如图7所示。为此,从测区内样本数大于20棵的11种乔木中,每种选取2棵,共22棵,在7月22日的正午时分(当日太阳正午高度角为83.21°,接近直射)对树冠投影进行量测。量测方法为:先标记好选定的样树,在地上标出其树影,分别选择两个相邻的点A与点B,用皮尺量测出其距离以及两点间连线的垂直平分线的长度,再量出弦长以及相应的弦高,在得出各种树的弦高值后,求其平均值,为4.15,据此确定弦高为起点和终点距离的1/4.15。然后编写程序,生成树冠线弧段和树冠面,进而计算树冠投影面的面积。3种仪器测试树高对比为了验证测量精度,选取同一样本树,使用三维激光扫描仪进行扫描,建立该样本树的三维模型,并根据三维模型读取树高和树冠投影面的面积用于对比。如图8所示,以样本树079024为例,无棱镜全站仪测得的树高为4.750m,三维激光扫描仪测得的树高为4.752m,两种仪器测得的树高相差无几。如图9所示,有棱镜全站仪测得的树冠投影面积为11.00m2,无棱镜全站仪测得的树冠投影面积为9.62m2,三维激光扫描仪测得的树冠投影面积为9.04m2。有棱镜全站仪测出的面积与三维激光扫描仪相比相差21.68%,而无棱镜全站仪测出的面积与三维激光扫描仪只相差了6.42%。4维激光扫描的优势综上所述,利用无棱镜全站仪进行树高和树冠的测量,实现了树高的快速、高精度测量,且大大提高了树冠测量的精度。其优势主要有:(1)所瞄即所测,可用于陡坡、沟壑、河流沿岸等各种复杂地形环境下树高、树冠的测量。(2)测量数据均可利