拉绳式电子测径尺的研发及其测径效果分析

2023-02-20吴落军纪志芳宋祥源杨金江

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2023年1期

孔雷，岳刚，吴落军，纪志芳，宋祥源，杨金江，何冰，石光

(1西南林业大学林学院，云南昆明 650224；2贵州林业勘察设计有限公司，贵州贵阳 550003；3国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南昆明 650216；4富民县款庄镇农业综合服务中心，云南昆明 650404；5云南云臻林业调查规划设计有限公司，云南昆明 650223；6中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心，云南昆明 650111；7旺苍县林业科技推广服务中心，四川广元 628200；8旺苍县国有林场，四川广元 628200)

树木胸径容易触及，测量准确度和精密度都比较高，是构建单木材积和林分蓄积估算模型的优良指标[1-2]，因此在森林资源实地调查中，林木胸径一直都是重要的监测因子。精确调查林木胸径，对获取林木材积量和林分蓄积量数据具有重要意义。另外，在树轮气候学中，要了解气候变化对林木横向生长的影响，精确调查林木胸径对理解其中的驱动机理有重要的科研价值[3]。调查林木胸径的工具种类庞杂，仪器结构差别较大[4-7]。测径仪器按照测量方式的不同可分为接触式测径仪和非接触式测径仪2种[8]，按照测量方法的差异可分为卡测、围测和瞄测3种[9]。在各类测量胸径仪器中，卡测类仪器的理论精度最高，但是其测量过程比较繁琐，需要在不同方向多次测量求平均值，才能获得比较满意的结果[10]，而且卡测类仪器量程有限，不能测量大径级林木胸径，野外作业也不方便携带。围测类仪器由于受柔性尺面宽度限制，其理论测量精度较卡测类仪器低，但是围测类仪器测径基本不受量程限制，而且对规则和不规则的林木都可以测量，操作方便快捷，且野外携带方便。瞄测类测径仪器无法精确瞄准林木横截面积的两边，而且由于绝大多数树干横截面并非规则圆形，因此此类测径仪的测量精度较低，仅在林木处于孤岛上或无法触及的情况下使用[11]。比较这3类测径方法的优缺点可知，围测类仪器更具有改进价值。

为了精确获取树木直径信息，林业上相关的光电测量仪器也在不断改进，比如电子测径仪器有特快能criterionRD1000测树器、多功能测树仪[12]、电子测径仪[13]、电子条码尺[14]、电子测树枪[15-16]和CyraX2500激光扫描仪[17-19]等，并配套了基于平板电脑或者手机平台的数据采集系统[20-21]。这些测径仪器虽然在某些方面进行了创新和改进，但是由于测量精度不稳定、不便携带或者价格昂贵等原因，还没有在我国森林资源地面调查体系中大范围使用。为了提升胸径测量精度、提高测量效率，降低仪器价格，以便在今后生产过程中能够推广应用，本研究在充分总结已有各类测径仪器工作原理和方法的基础上，设计出了基于拉绳传感器的电子测径尺，以提高测径精度和效率，并解决外业数据精确采集和内业数据高效录入的问题，满足森林资源连续清查和森林资源规划设计调查等过程中对数据质量的要求。

1 拉绳式电子测径尺的研发

1.1 拉绳式电子测径尺的硬件系统构造

如图1所示，拉绳式电子测径尺是一种基于位移传感和无线传感技术的精准测径仪器，仪器内部硬件机械结构主要包括主控模块、液晶显示屏、卷盘、nidec无刷直流电机、光电编码器、Wifi传输模块和电池等[22]。在保证外业作业强度的条件下，拉绳式电子测径尺外壳使用航空铝合金材料，可极大降低仪器重量。仪器在测径时仅需要拉出钢丝线头，围绕树干胸径一周，nidec无刷直流电机和卷盘辅助钢绳持续拉紧，光电编码器可识别拉出钢绳长度，按下传输按键即可将数据传送至手机终端并保存。

图1 拉绳式电子测径尺的电路结构

如图2所示，拉绳式电子测径尺内部设有欧姆龙增量500P光电编码器(型号为E6A2-CW3C，工作电压5 V，消耗电流30 mA，轴径4 mm，外径25 mm，脉冲/旋转为360P/R，实际测试精度0.2 mm)、卷盘和nidec无刷直流电机(型号为42M704L150，工作电压24 V，电流0.13 A，转速2 000 r/min)等元器件。nidec无刷直流电机位于卷盘下方，使钢绳在拉出后可以恒力收回。nidec无刷直流电机和卷盘是钢绳的回收装置。

图2 拉绳式电子测径尺内部的机械结构

光电编码器的工作原理是将输出轴的几何位移量通过光电转换为脉冲或数字量。如图3-A所示，光电编码器主要是由光栅板和光电检测装置组成。电动机的旋转带动光栅板旋转，光电检测装置输出脉冲信号，根据每秒脉冲数计算电动机的转速,如图3-B和图4所示，正交编码盘可输出3组方波脉冲A、B和Z相，A和B相脉冲的相位差为90°，根据双通道输出光码的状态改变，可判断电动机的旋转方向；Z相信号为机械零位信号，用于矫正脉冲积分误差，每当正交编码盘转到机械零位输出一个脉冲。当电子测径尺的钢绳被拉出时，光电编码器可将拉出的钢绳长度转换为数字量，从而计算出长度和直径。

图3 拉绳式电子测径尺光电编码器的工作原理

图4 拉绳式电子测径尺正交编码盘三相信号旋转的时序关系

1.2 拉绳式电子测径尺的软件系统构造

林木信息采集管理V1.0软件是在Android Studio 2.1环境下开发集成的，利用Java语言实现汇编[23]，其程序流程见图5。

图5 林木信息采集管理V1.0系统的程序流程

林木信息采集管理V1.0软件能够实现拉绳式电子测径尺采集数据的存储，解决外业数据精确采集和内业数据高效录入的问题，其界面见图6。

图6 林木信息采集管理V1.0系统的界面

1.3 拉绳式电子测径尺的工作原理

1.3.1 围测原理如图7所示，利用围测类仪器测量胸径时，只需将尺面拉伸出，围绕被测树干一周，通过圆形周长得出树干胸径。根据公式(1)计算出测量直径真值：

图7 围测类仪器的测径原理

(1)

式中：D是树木水平横截面直径真值，D0是围测类仪器实测直径值，C是尺面的宽度。

1.3.2 围测类仪器测量胸径时的传播误差根据公式(1)可知，围测类仪器胸径测量真值D的误差是由实测直径D0和柔性尺面宽度C引起的。由绝对误差传播公式(2)和相对误差传播公式(3)可知，如果卷尺宽度C和实测直径D0的误差越小，则测量值越接近真值[24]。拉绳式电子测径尺围绕测量部分使用的是钢绳，这极大地降低了尺面宽度C，而且随着实测直径D0的增加，测量精度会提高，实测直径越接近真值D。

(2)

(3)

2 拉绳式电子测径尺的测径效果

2.1 不同测径仪器测量准确度的比较

采集西南桦(Betulaalnoides)、冷杉(Abiesfabri)和落叶松(Larixgmelinii)等树种共计40株样木的胸高圆盘(厚度为5 cm)，其中20株样木的胸高圆盘近似圆形(以下简称规则圆盘)，另外20株样木的胸高圆盘为椭圆形、表面凹凸不平或有裂纹的不规则圆盘。以钢尺从8个方向测得的胸径均值作为真值，再利用拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺(2个方向测量)分别测量40个胸高圆盘的直径，根据下式计算测量值的期望和标准差。

(4)

(5)

采用t检验法检验各仪器测量值是否存在系统误差。系统误差和随机误差是同时存在的，仪器测量值的随机误差越小，系统误差的检验效果越明显。如果系统误差显著(即t>tα，α=0.02 )，则说明该仪器需重新设计和研制；如果系统误差不显著(即t

(6)

计算4种测径仪测得的胸径值与胸径真值的差值，比较其测量的准确度[25]。准确度计算公式如下：

(7)

式中：Es是准确度，Xi是第i个样本的测量值。

2.2 不同测径仪器测量精密度的比较

利用这4种仪器分别测量7号样木胸径(规则圆盘)和27号样木胸径(不规则圆盘)，连续测6次,通过计算测得的胸径值与胸径测量平均值的差值，比较各仪器测量胸径的精密度(Er)[25]。精密度计算公式如下：

(8)

2.3 不同测径仪器测量效率的比较

利用这4种仪器分别测量10个规则圆盘(样木号：1～10号)和10个不规则圆盘(样木号：21～30号)的胸径，测量和计时分别为同一人员，记录并计算各测径仪器测量两类圆盘胸径的平均耗时，比较各仪器测量胸径和记录数值的效率。

3 结果与分析

3.1 不同测径仪器对规则圆盘直径的测量精度

3.1.1 准确度表1显示，拉绳式电子测径尺的测量结果更接近钢尺(8个方向测量)测量值。由表2可知，4种仪器测量规则圆盘直径的t值分别为0.004，0.019，0.010和0.004，均小于tα值(tα=1.96,α=0.05)，表明4种仪器测量结果均可信。拉绳式电子测径尺测量规则圆盘直径的平均值为16.76 cm，方差为33.267，标准差为5.92，准确度为0.045 cm；钢尺(8个方向测量)测量规则圆盘直径的平均值为16.72 cm，方差为32.838，标准差为5.88。与其他3种测径仪器相比，拉绳式电子测径尺的测量结果最优。

表1 4种测径仪器对规则圆盘直径的测量结果

表2 4种测径仪器对规则圆盘直径测量的准确度比较

3.1.2 精密度如表3所示，拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺(2个方向测量)连续6次测量7号样木胸径的精密度分别为0.017，0.067，0.067和0.200 cm，以拉绳式电子测径尺测量规则圆盘直径的精密度最优。

表3 4种测径仪器对规则圆盘直径测量的精密度比较

3.2 不同测径仪器对不规则圆盘直径的测量精度

3.2.1 准确度 4种测径仪器对不规则圆盘直径的测量结果如表4所示，测量的准确度如表5所示。

表4 4种测径仪器对不规则圆盘直径的测量结果

表5 4种测径仪器对不规则圆盘直径测量的准确度比较

表4结果显示，拉绳式电子测径尺测量结果更接近钢尺(8个方向测量)测量值。由表5可知，4种仪器测量不规则圆盘直径的t值分别为0.016，0.039，0.027和0.003，均小于tα值(tα=1.96,α=0.05)，表明4种仪器的测量结果可信。由表5可知，拉绳式电子测径尺测量不规则圆盘直径的平均值为13.845 cm，方差为22.525，标准差为4.87，准确度为0.120 cm；钢尺(8个方向测量)测量不规则圆盘直径的平均值为13.725 cm，方差为22.255，标准差为4.84。比较4种测径仪器对不规则圆盘直径的测量准确度可知，拉绳式电子测径尺表现最优。

3.2.2 精密度如表6所示，拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺(2个方向测量)连续6次测量27号样木胸径的精密度分别为0.058，0.092，0.067和0.350 cm，以拉绳式电子测径尺测量不规则圆盘直径的精密度最优。

表6 4种测径仪器对不规则圆盘直径测量的精密度比较

3.3 不同测径仪器测量效率的比较

拉绳式电子测径尺和柔性尺面电子测径仪由于具备数据无线传送按键，可以1人完成测量和记录工作，所以可以省去1位记录人员。由表7可知，拉绳式电子测径尺和柔性尺面电子测径仪测径并记录的平均耗时分别为6.9和7.5 s，要比围尺、卡尺和钢尺测径并记录的平均耗时(分别为7.7，13.9和57.9 s)少。由于拉绳式电子测径尺的无线传送按键设置位置更符合调查习惯，所以测径的平均耗时比柔性尺面电子测径仪稍少，但是两者测径的平均耗时非常接近。

表7 4种测径仪器对规则圆盘和不规则圆盘直径测量效率的比较

4 讨论

比较柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺(2个方向测量)对规则圆盘和不规则圆盘直径的测量精度和测量效率，可知拉绳式电子测径尺无论是在测量准确度和精密度，还是在测量方差和标准差方面,表现均更优。我国森林资源连续清查和森林资源规划设计调查工作中目前使用的主要测径工具还是围尺,主要原因是这种工具价格便宜、防摔耐用，但是其缺点也非常明显，即无法实现内外业一体化。随着我国森林资源调查任务的不断加重，数据采集和录入问题已经到了不得不解决的地步。数字化设备的研发可以很好地解决这个问题，也是未来森林资源“天地空”立体化监测的必经之路。

数字化测树装备的研制属于林学、机械制造、电子信息工程和软件工程等学科的交叉领域，长期缺乏系统性研究。拉绳式电子测径尺的研制是对该领域进行了一次实际尝试。由于经典围测仪器的测径精度受到柔性尺面宽度的影响，无法得到满意的测量结果，故本研究用钢绳替代柔性尺面研制了拉绳式电子测径尺，解决了精度问题。另外，传统胸径测量必须要由两位调查员相互配合完成调查和记录，即一位调查员负责测量，另一位调查员负责记录；而借助拉绳式电子测径尺和林木信息采集管理V1.0软件，可以实现一位调查员同时完成测量和记录工作，最后仅需将数据导出，还省去了内业录入工作，这大大缩减了野外测量人力成本和内业录入成本。目前该产品已经在推广使用，并取得了较好的调查效果。这对实现我国森林调查仪器国产化、数字化、便携化和内外业一体化均具有十分重要的意义。