盘点用便携式苗木胸径测量系统的开发研究

龚萍 张强

[摘 要] 本文设计一款基于Android系统开发的苗木胸径测量系统。该系统以图像处理、比目云后台数据处理、MATLAB曲线拟合为核心，打破传统测量原理，实现摄影测量。设备由手机支架和手机APP组成，设备轻巧，操作简便。经实际检验，胸径测量的相对误差平均值为-2%～+2%，满足绿色林业发展的要求。

[关键词] 苗木胸径；测量系统；图像处理；数据处理；曲线拟合

[中图分类号] S758.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2018）07-119-2

随着“绿色经济”概念的提出与落实，林木资源对于人类社会发展所起的作用越来越重要。实现苗木的精确统计与高效利用已成为我国的重点研究领域之一。苗木胸径作为评价林木生长状况的重要依据，可以有效判别苗木的生长情况[1]，因此，如何快速准确测量苗木胸径已成为国内一大热点问题。

传统的苗木胸径测量工具有卡尺、围尺和钩尺等，虽然被大部分苗圃所采用，但是，这些传统工具在使用过程中一般需要两人协作完成，耗费大量人力，而且测量过程中的读数不准和登记失误导致测量误差较大。现代化胸径测量产品主要有芬兰抛物线腕轮尺、毕特摩尔测杖、数字式测径仪、测算立木直径的数码相机、融合激光和机器视觉的立木胸径检测方法、激光摄影测树仪等[2-4]，但这些产品均需要精密昂贵的相机设备、适宜的温度等诸多苛刻条件才能完成测量。

本文设计了便携式苗木胸径测量系统，旨在改善传统林木测量技术，以减轻林业人员的工作强度，实现苗圃资源的智能化和便携化，最终实现“智慧林业”与“精准林业”的宏伟蓝图。

1 设备介绍

本设备分为硬件和软件部分。硬件主要有手机支架、激光和遮光筒，软件由基于Java语言的手机APP组成[5]。设备轻巧简便，便于林间行走。

1.1 硬件构造

手机支架用于固定手机，遮光筒内安置激光，使用时将激光打开，遮光筒有助于避开外界光线的干扰，减小测量误差。筒长20 cm，用于标定距离，固定像素比例，使所采集的图像的像素统一化、标准化。设备硬件结构如图1所示。

1.2 软件设计

软件部分为名为“木测”的手机APP，其是对苗木盘点现状进行测量设备的改进。首先从原理出发，改变传统的直接测量，转为摄影测量，用激光所射在树干上的痕迹作为对象，经手机相机采集图像后，由APP进行一键处理，最终将得到的苗木胸径值上传云平台，完成测量和数据记录。APP测量界面如图2所示。

2 测量原理

2.1 原理分析

遮光筒抵住樹干，标定值固定20 cm。打开激光，提取激光打在树干上的红色通道，将图片进行二值化处理，把大于某个临界灰度值的像素灰度设为灰度极大值，把小于这个值的像素灰度设为灰度极小值，从而实现二值化。再计算二值化后的红色通道像素点的横坐标（以照片的长为纵轴，宽为横轴），最左和最右端的像素点坐标x1、x2可以代替苗木胸径的大小x。通过测量发现，变量b与实际苗木胸径y存在函数关系，由MATLAB曲线拟合得到确定的函数关系式，从而得到胸径值，拟合过程如图3所示[6]。

2.2 误差分析

目前得到的测量值的相对误差为-2%～+2%，绝对误差为-5～+5 mm。出现误差的主要原因在于曲线拟合时的苗木胸径采集。在采集数据时，采用传统的尺子工具进行测量，虽然使用了科学读数法，但不能避免测量工具所带来的精度问题。本设计采用高精度仪器再进行曲线拟合数据采集，以提高精度、减小误差。

参考文献

[1]吴富桢.测树学[M].北京：中国林业出版社，1992.

[2]曹孟磊.普通数码相机获取测树信息研究[D].北京：北京林业大学，2013.

[3]Juujarvi J，Heikkonen J，Brandt S，et al. Digital-image-based tree measurement for forest inventory[C]//Proceedings of SPIE. The International Society for Optics and Photonics，1998：114-123.

[4]程朋乐，刘晋浩，王典.融合激光和机器视觉的立木胸径检测方法[J].农业机械学报，2013（11）：271-275.

[5]冯仲科，徐祯祥，杰林德·罗斯纳尔.电子角规测树仪及自动测树方法：1570557[P].2005-01-26.

[6]樊仲谋，冯仲科，李亚东，等.基于双目相机的森林样地调查方法研究[J].农业机械学报，2015（5）：293-299.