CN103697826A

CN103697826A - 基于激光测距的立木胸径6点测量方法

Info

Publication number: CN103697826A
Application number: CN201310737264.0A
Authority: CN
Inventors: 马大国; 马岩; 姜新波
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-02

Abstract

基于激光测距的立木胸径6点测量方法是关于森林资源调查的方法，该方法包括：由工作台（1）、支撑腿（4）、连接块（6）和6个安装在工作台（1）同一圆周上的激光测距仪（2）建立的木胸径测量系统；利用上述6个激光测距仪（2）分别测得其被测立木表面的距离，进而计算出立木表面6个被测点的坐标；采用最小二乘椭圆拟合方法对6个检测点进行椭圆拟合，拟合后所得椭圆长径和短径之和的一半即为被测立木胸径大小。本发明所述基于激光测距的立木胸径6点测量方法考虑到立木横断面很小比例为标准的圆形而绝大部分为椭圆型，因而本测量方法提高了立木胸径测量精度。

Description

基于激光测距的立木胸径6点测量方法

技术领域

本发明属于林木测量及检测技术领域，具体涉及一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法。

背景技术

森林蓄积量国家自然资源的重要组成部分，其可为森林资源可持续发展和国家林业发展战略的制定提供决策依据。胸径是立木测定的最基本因子之一，传统的胸径测量方法是采用胸径测量围尺或轮尺，操作过程易受环境及人为因素影响，误差大，作业中需要人工读取、记录数据，而且不便于数据的统计和管理。

北京林业大学提出了基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法（王典，王建利等，基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，中国专利：201210451967.2，2013-2-13）和基于激光测距和图像技术的立木测径装置（程朋乐，于文华，基于激光测距和图像技术的立木测径装置，中国专利：201310139213.8，2013-4-22），这两种方法的共同不足之处是：都默认立木横断面为圆形，而实际97.3%立木横断面近似为椭圆（马岩.原木和锯材建模及求积理论,哈尔滨,东北林业大学出版社,1996），因此上述两种方法实际测量中都有可能将椭圆的长径或短径作为立木的胸径，因而造成较大的了测量误差。

本发明的特点和技术效果：基于激光测距的立木胸径6点测量方法相对于传统检测默认立木横断面为圆形，本发明采用椭圆形来拟合立木横断面更加符合立木横断面实际情况，因而本测量方法提高了立木胸径测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有立木胸径测量方法的不足，提出了一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，该方法通过6点拟合椭圆的方法来更加方便、精确的测量立木胸径。

本发明是通过一下具体技术方案实现的：

本发明提供一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、调节支撑腿（4）与地面的夹角θ，使在工作台（1）上安装的6个激光测距仪（2）处于距地面1.3m高的水平面内，调节激光测距仪（2）在工作台（1）上的位置使相邻的激光光路（3）夹角为60°；

步骤二、分别测得6个激光测距仪（2）与立木表面的距离di(i=1,2,3,4,5,6)；

步骤三、将6个激光测距仪（2）所在圆周的圆心坐标设为原点O（0，0），由于激光测距仪（2）所在的圆周的直径D为已知，通过D和步骤二测得的di(i=1,2,3,4,5,6)，求得立木（5）表面被测6个点的坐标（x_i,y_i）（i=1,2,3,4,5,6）；

步骤四、对上述所测得的立木（5）表面的6个点采用最小二乘椭圆拟合；

步骤五、拟合所得椭圆长径和短径之和的一半即为被测立木（5）的胸径大小。

附图说明

图1为基于激光测距的立木胸径6点测量方法系统图；

图中1.工作台2.激光测距仪3.激光光路4.支撑腿5.立木6.连接块

图2为基于激光测距的立木胸径6点测量方法检测原理图；

图中1.工作台2.支架3.激光光路5.立木

具体实施方式

本发明具体实施方法提供了一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，所述系统如图1所示，包括以下步骤：

步骤二、分别测得6个激光测距仪（2）与立木（5）表面的距离di(i=1,2,3,4,5,6)；

该步骤所测的di(i=1,2,3,4,5,6)如图2所示。

步骤三、假设6个激光测距仪（2）所在圆周的圆心坐标为原点（0，0），由于激光测距仪（2）所在的圆周的直径ΦD为已知，通过ΦD和步骤二测得的di(i=1,2,3,4,5,6)，可求得立木（5）表面被测6个点的坐标（x_i,y_i）（i=1,2,3,4,5,6）；

该步骤中被测的6个点的坐标通过下式求得：

步骤四、对步骤三所测得的立木（5）表面的6个点采用最小二乘椭圆拟合；

该步骤的具体最小二乘椭圆拟合过程为：假设一般形式的椭圆方程为：Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1=0，直接将步骤三所测得的立木表面的6个点x_i,y_i）（i=1,2,3,4,5,6）采用最小二乘原理，即对应于求目标函数

F (A, B, C, D, E) = Σ_{i = 1}^{6} {({Ax}^{2} + Bxy + {Cy}^{2} + Dx + Ey + 1)}^{2}

的最小值，再由极值原理，欲使F最小，必有

求解该方程组就可以得到方程中的各个系数A，B，C，D，E，完成对步骤三所测得的立木表面的6个点采用最小二乘椭圆拟合。其中拟合后所得椭圆的中心可由下式求得：

x_c=(BE-2CD)/(4AC-B²)

y_c=(BD-2AE)/(4AC-B²)

椭圆的长轴a和短轴b的长度由下式求得：

a = 2 \sqrt{\frac{2 ({Ax}_{c}^{2} + {Cy}_{c}^{2} + {Bx}_{c} y_{c} - 1)}{A + C - \sqrt{{(A - C)}^{2} + B^{2}}}}

b = 2 \sqrt{\frac{2 ({Ax}_{c}^{2} + {Cy}_{c}^{2} + {Bx}_{c} y_{c} - 1)}{A + C + \sqrt{{(A - C)}^{2} + B^{2}}}}

步骤五、上述拟合后所得椭圆长径和短径之和的一半即为被测立木（5）的胸径大小；

该步骤具体的计算过程为：设立木的胸径为R，则R由公式

求得，其中a和b分别为步骤四所求得的椭圆的长轴和短轴。

Claims

1.一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，其特征在于步骤二所述将6个激光测距仪（2）所在圆周的圆心坐标设为原点（0，0），求得立木（5）表面被测6个点的坐标（x_i,y_i）（i=1,2,3,4,5,6），该步骤中被测的6个点的坐标通过下式求得：

3.根据权利要求1所述一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，其特征在于步骤四所述对所测得的立木（5）表面的6个点采用最小二乘椭圆拟合，该步骤的具体最小二乘椭圆拟合过程为：

假设一般形式的椭圆方程为：Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1=0，直接将步骤三所测得的立木表面的6个点（x_i,y_i）（i=1,2,3,4,5,6）采用最小二乘原理，即对应于求目标函数的最小值，再由极值原理，欲使F最小，必有

求解该方程组就可以得到方程中的各个系数A，B，C，D，E，完成对步骤三所测得的立木表面的6个点采用最小二乘椭圆拟合。其中拟合后所得椭圆的中心(x_c,y_c)可由下式求得：

x_c=(BE-2CD)/(4AC-B²)

y_c=(BD-2AE)/(4AC-B²)

椭圆的长轴a和短轴b的长度由下式求得：

。

4.根据权利要求1所述一种基于激光测距的立木胸径6点测量方法，其特征在于步骤五所述拟合后所得椭圆长径和短径之和的一半即为被测立木（5）的胸径大小，该步骤具体的计算过程为：

设立木（5）的胸径为R，则R由公式

求得，其中a和b分别为步骤四所求得的椭圆的长轴和短轴。