一种同心圆森林样地调查测量方法

技术领域

本发明涉及物联网及地理空间数据采集、计算、处理领域，具体涉及一种同心圆森林样地调查测量方法。

背景技术

森林样地调查中，圆形样地相比传统的方形（矩形）样地具有一定优势，一是测量过程中省去了样地周界测量、砍线等工序，较为节省工时；二是样圆能够较好地避免边缘效应引起的样地调查误差。

目前同心圆森林样地测量中主要使罗盘仪测角和测绳测距。使用罗盘仪测角时，无通视条件需要砍线或是转站，坡度超过5°需要进行改平。测绳测距过程中需要调查员在被测样木和同心圆心间往返，测量和计算仍然较为困难。同时由于，同心圆内各半径之间无明显周界标志，样木检尺极易出现错侧木和漏测木，样地复检时检查效率也明显低于方形（矩形）样地。

综上所述，亟需提供一种无需通视条件，操作简单、测量精度可靠，可以大幅提升同心圆森林样地调查测量效率的同心圆森林样地调查测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需通视条件，操作简单、测量精度可靠，可以大幅提升同心圆森林样地调查测量效率的同心圆森林样地调查测量方法。

上述目的是通过如下技术方案实现：一种同心圆森林样地调查测量方法，使用移动测量终端进行移动测量，所述移动测量终端设有移动测量模块，所述移动测量模块包括微处理器、第一无线测距模块、第二无线测距模块、第一无线通信模块、电子罗盘模块，所述移动测量终端包括支撑部和旋转部，所述旋转部的中部与所述支撑部转动连接，所述旋转部的两端分别设有所述第一无线测距模块和第二无线测距模块，具体包括如下步骤：

（1）依据调查需求确定样地类型，若样地类型为新设样地和传统固定样地，则执行步骤（2），若样地类型为智能固定样地，则执行步骤（3）；

（2）预设同心圆森林样地圆心坐标，并在同心圆森林样地圆心布设电子定位桩，所述电子定位桩设有第三无线测距模块和第二无线通信模块；

（3）启动移动计算终端和移动测量终端，移动计算终端连接移动测量终端；

（4）移动计算终端搜索电子定位桩，激活电子定位桩后建立连接，获取电子定位桩位置；

（5）移动测量终端连接电子定位桩，并按设定半径及其对应的检尺对象对同心圆森林样地内的样木进行测量；

（5.1）到达被测样木，保证电子罗盘模块的指向为正北方向，将移动测量终端的旋转部水平放置，保证旋转部两端的第一无线测距模块与第二无线测距模块在同一水平，使旋转部的中心位置在样木胸径与移动测量终端的切点处，测量第三无线测距模块与第一无线测距模块、第二无线测距模块之间的距离，移动计算终端计算电子定位桩至旋转部中心的斜距以及方位角；

（5.2）保持移动测量终端位置不动，旋转部旋转至垂直设置，保证旋转部两端的第一无线测距模块与第二无线测距模块在垂直方向，再次测量第三无线测距模块与第一无线测距模块、第二无线测距模块的距离，移动计算终端计算移动测量终端投影至水平面后与电子定位桩之间的水平距；

（5.3）测量样木胸径，依据步骤（5.2）获取的水平距，并按设定的同心圆半径及其对应的检尺对象，判断样木是否为当前半径的检尺对象，是，则记录样木树种、胸径及样木类型，并对已测样木进行标记，否，则不作为测量对象，继续对其他样木进行测量。

进一步的技术方案是，所述步骤（5）中设定第三无线测距模块的位置为A，所述第一无线测距模块的位置为B，所述第二无线测距模块的位置为C，所述旋转部的中心位置为D，所述步骤（5.2）中电子定位桩至旋转部中心的斜距以及方位角的计算公式如下：

式中，

进一步的技术方案是，所述步骤（5.3）中移动测量终端投影至水平面后与电子定位桩之间的水平距的计算公式如下：

式中：∠

进一步的技术方案是，所述步骤（5.3）中判断样木是否为当前半径内的检尺对象的公式如下：

式中，

进一步的技术方案是，所述步骤（5）中以电子定位桩的位置作为同心圆森林样地的圆心，先对半径为5米的同心圆森林样地内的样木进行检尺，检尺对象为胸径5厘米及以上的样木，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作；然后对半径为5米至10米的同心圆森林样地内的样木进行检尺，检尺对象为胸径9厘米及以上的样木，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作；再对半径10米至15米的同心圆森林样地内的样木进行检尺，检尺对象为胸径19厘米及以上的样木，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作；最后对半径15米至25米的同心圆森林样地内的样木进行检尺，检尺对象为胸径39厘米及以上的样木，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作。

进一步的技术方案是，所述移动测量终端还包括微处理器和存储模块，所述微处理器将获取的无线测距信号、电子罗盘模块的方位角和倾斜角参数通过存储模块存储，所述移动测量终端通过数据接口或第一无线通信模块与移动计算终端通信连接，所述移动计算终端用于获取存储模块的数据并进行步骤（5）中的数据计算。

进一步的技术方案是，所述移动计算终端搭载有同心圆森林样地测量系统，用于完成移动测量终端和电子定位桩连接激活，样地设置、测量及检验，样木位置测量、样木信息录入和样地蓄积计算。

进一步的技术方案是，所述同心圆森林样地测量系统包括：

移动测量终端连接模块：用于移动计算终端通过无线或是有线连接移动测量终端，实时获取移动测量终端采集的测量参数；

电子定位桩扫描激活模块：用于移动计算终端通过无线扫描发现周围电子定位桩，连接后发送特定的信号或关键词，唤醒电子定位桩；

测量样地设置模块：用于设置同心圆森林样地的圆心坐标，设置样地测量半径；

样木位置测量模块：用于通过实时获取移动测量终端的测量参数，按照同心圆森林样地测量方法，计算完成样地内所有样木的方位角、斜距、水平距和是否为当前半径检尺对象的测量；

样木信息录入模块：用于对测量样木录入方位角、斜距、水平距测量信息，以及树种、胸径、样木类型调查信息；

样地蓄积计算模块：用于对测量和录入样木信息，计算同心圆森林样地的树种组成、平均高度，平均胸径，标准地活立木蓄积，标准地活立木株数、枯立木每公顷蓄积、倒木每公顷蓄积。

相比于现有技术，本发明具备如下优势：

1、测量精度较高：本发明中距离测量的结果主要由距离测定的精度决定，UWB无线测距精度可以达到0.1米，满足林业调查规划设计中样地境界和样木位置的测量精度要求。

2、测量流程简单，测量效率大幅提升：在同心圆森林样地圆心固定电子定位桩，手持移动测量终端测量样木，通过旋转移动测量终端旋转部，测量胸径后即可判定是否为当前半径内的检尺对象，并获得斜距、水平距和方位角；测量过程无需可视条件，免去了砍线、往返测距、罗盘仪方位角测量操作，将原来3个人的工作量，只需要一个人即可独立完成，测量快速简单，测量效率大幅提升；

3、可对复杂地形、样木及灌木遮挡等情况快速测量：本发明提供的方法使用无线通信方式，可以在非可视条件下进行测量，消除坡度对测量的影响，大幅减少往返和砍线工作量，对复杂地形、样木及灌木遮挡等情况下测量具有较强适应性，实现快速测量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种实施方式所涉及的电子定位桩的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式所涉及的移动测量终端的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式所涉及的同心圆森林样地测量示意图；

图4为本发明一种实施方式所涉及的同心圆森林样地水平测量示意图；

图5为本发明一种实施方式所涉及的同心圆森林样地垂直测量示意图；

图6为本发明一种实施方式所涉及的同心圆森林样地测量系统的结构框图。

图中：

1电子定位桩 2移动测量终端3样木 4同心圆森林样地

11桩体12无线定位桩模块 13第三无线测距天线

21第一无线测距天线22第二无线测距天线 23旋转部

24移动测量模块25支撑部 26销轴。

实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本发明实施例如下，参照图3，一种同心圆森林样地调查测量方法，使用移动测量终端2进行移动测量，所述移动测量终端2设有移动测量模块24，所述移动测量模块24包括微处理器、第一无线测距模块、第二无线测距模块、第一无线通信模块、电子罗盘模块，如图2，所述移动测量终端2包括支撑部25和旋转部23，所述旋转部23的中部与所述支撑部25转动连接，所述旋转部23的两端分别设有所述第一无线测距模块和第二无线测距模块，具体包括如下步骤：

（1）依据调查需求确定样地类型，若样地类型为新设样地和传统固定样地，则执行步骤（2），若样地类型为智能固定样地，则执行步骤（3）；

其中，之前未设立，本次新设的样地为新设样地；已经设立，未布设电子定位桩1，本次需要再次复位的样地为传统固定样地；已经设立，布设有电子定位桩1，本次需要再次复位的样地为智能固定样地。

（2）预设同心圆森林样地4圆心坐标，并在同心圆森林样地4圆心布设电子定位桩1，如图2，所述电子定位桩1设有第三无线测距模块和第二无线通信模块；

（3）启动移动计算终端和移动测量终端2，移动计算终端连接移动测量终端2；

（4）移动计算终端2搜索电子定位桩1，激活电子定位桩1后建立连接，获取电子定位桩1位置；

（5）移动测量终端2连接电子定位桩1，按设定半径及其对应的检尺对象对同心圆森林样地4内的样木3进行测量；如图3~5，具体步骤如下：

（5.1）到达被测样木3，保证电子罗盘模块的指向为正北方向，将移动测量终端2的旋转部23水平放置，保证旋转部23两端的第一无线测距模块与第二无线测距模块在同一水平，使旋转部23的中心位置在样木3胸径与移动测量终端2的切点处，测量第三无线测距模块与第一无线测距模块、第二无线测距模块之间的距离，移动计算终端计算电子定位桩1至旋转部23中心的斜距以及方位角；

如图4，设定第三无线测距模块的位置为A，所述第一无线测距模块的位置为B，所述第二无线测距模块的位置为C，所述旋转部23的中心位置为D，所述步骤（5.2）中电子定位桩1至旋转部23中心的斜距以及方位角的计算公式如下：

式中，

（5.2）旋转部23旋转至垂直设置，保证旋转部23两端的第一无线测距模块与第二无线测距模块在垂直方向，再次测量第三无线测距模块与第一无线测距模块、第二无线测距模块的距离，移动计算终端计算移动测量终端2投影至水平面后与电子定位桩之间的水平距；

如图5，图中P点为移动测量终端2投影至水平面的投影点，移动测量终端2投影至水平面后与电子定位桩之间的水平距的计算公式如下：

式中：∠

（5.3）测量样木胸径，依据步骤（5.2）获取的水平距，并按设定的同心圆半径及其对应的检尺对象，判断样木3是否为当前半径的检尺对象，是，则记录样木树种、胸径及样木类型，并对已测样木3进行标记，否，则不作为测量对象，继续对其他样木3进行测量。

判断样木3是否为当前半径内的检尺对象的公式如下：

式中，

其中，所述步骤（5）中以电子定位桩1的位置作为同心圆森林样地4的圆心，先对半径为5米的同心圆森林样地4内的样木3进行检尺，检尺对象为胸径5厘米及以上的样木3，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作，对已测样木3使用粉笔或是红油漆进行标记；然后对半径为5米至10米的同心圆森林样地4内的样木3进行检尺，检尺对象为胸径9厘米及以上的样木3，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作，对已测样木3使用粉笔或是红油漆进行标记；再对半径10米至15米的同心圆森林样地4内的样木3进行检尺，检尺对象为胸径19厘米及以上的样木3，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作，对已测样木3使用粉笔或是红油漆进行标记；最后对半径15米至25米的同心圆森林样地4内的样木3进行检尺，检尺对象为胸径39厘米及以上的样木3，并进行步骤（5.1）~（5.3）的测量操作，对已测样木3使用粉笔或是红油漆进行标记。

具体，移动测量终端2的第一无线测距模块、第二无线测距模块分别设有第一无线测距天线21、第二无线测距天线22，旋转部23与支撑部25通过销轴26连接。

移动测量终端2包括移动测量模块24，移动测量模块24包括外壳和PCB电路板，PCB电路板上包括微处理器、第一无线测距模块、第二无线测距模块、电源模块、第一无线通信模块、存储模块、数据接口、计时器和电子罗盘模块，其中微处理器内含内存、计数器、A/D转换等，完成数据测量的计算、存储和控制；无线测距模块发送和接收无线电信号广播模块参数，无线测距模块同无线测距天线进行连接，本发明推荐使用UWB信号发射模块，发射无线电信号为超宽基带脉冲；第一无线通信模块使用USB有线或是wifi、蓝牙、lora等无线协议连接移动计算终端；电源模块由锂电池、电源管理芯片和开关组成，为微处理器提供电源；存储模块存储微处理器记录数据；数据接口用于连接移动计算终端，获取移动测量模块24的测量信息，也可以用于开发、测试或现场问题处理使用；计时器用于提供高精度计时；电子罗盘模块用于获取当前方向、倾斜角参数。

移动计算终端指搭载有样地测量系统，并具有计算、存储和网络通信的智能设备，包括但不限于智能手机、平板、笔记本及移动工作站。

移动测量模块24工作时，移动计算终端通过无线信号或数据接口同移动测量模块24连接，移动计算终端同时通过无线信号连接无线定位桩，移动测量模块24微处理器将获取的无线测距模块获取的信号、电子罗盘模块的方位角和倾斜角参数通过存储模块存储后，通过数据接口或无线通信模块传递给移动计算终端，移动计算终端通过信号处理、使用TOF算法计算移动测量终端2方位角和倾斜角，以及和电子定位桩1之间的距离，通过水平和垂直旋转旋转部23，获得当前移动测量终端2的斜距、方位角和水平距，判断当前样木3是否为当前半径内的检尺对象。

所述移动计算终端搭载有同心圆森林样地测量系统，用于完成移动测量终端2和电子定位桩连接激活，样地设置、测量及检验，样木位置测量、样木信息录入和样地蓄积计算，其功能包括移动测量终端连接、电子定位桩1扫描激活、测量样地设置、样木位置测量、样木信息录入和样地蓄积计算。

如图6，所述同心圆森林样地测量系统包括：

移动测量终端连接模块：用于移动计算终端通过无线或是有线连接移动测量终端2，实时获取移动测量终端2采集的测量参数；

电子定位桩1扫描激活模块：用于移动计算终端通过无线扫描发现周围电子定位桩，连接后发送特定的信号或关键词，唤醒无线定位桩模块12整个电路；

测量样地设置模块：用于设置同心圆森林样地4的圆心坐标，设置样地测量半径；

样木位置测量模块：用于通过实时获取移动测量终端2的测量参数，按照同心圆森林样地测量方法，计算完成样地内所有样木3的方位角、斜距、水平距和是否为当前半径检尺对象的测量；

样木信息录入模块：用于对测量样木3录入方位角、斜距、水平距测量信息，以及树种、胸径、样木类型调查信息；

样地蓄积计算模块：用于对测量和录入样木3信息，计算同心圆森林样地4的树种组成、平均高度，平均胸径，标准地活立木蓄积，标准地活立木株数、枯立木每公顷蓄积、倒木每公顷蓄积。

如图1，电子定位桩1由桩体11，无线定位桩模块12和第三无线测距天线13组成。其中桩体11将电子定位桩1固定于地面，木桩、铝合金、PVC管等方便携带，长期保存的材质均可。

无线定位桩模块12包括外壳和PCB电路板，PCB电路板上包括微处理器、第三无线测距模块、电源模块、第二无线通信模块、监听模块、存储模块、数据接口、计时器。其中微处理器内含内存、计数器、A/D转换等，完成数据测量的计算、存储和控制；第三无线测距模块发送和接收无线电信号广播模块参数，第三无线测距模块同第三无线测距天线13进行连接，本发明推荐使用UWB信号发射模块，发射无线电信号为超宽基带脉冲；电源模块由锂电池、电源管理芯片和开关组成，为微处理器提供电源；第二无线通信模块使用USB有线或是wifi、蓝牙、lora等无线协议连接移动测量终端2；存储模块存储微处理器记录数据；数据接口用于开发、测试或现场问题处理使用；监听模块在无线定位桩模块12低功耗运行状态下提供监听服务，在收到特定的信号或关键词，唤醒无线定位桩模块12整个电路；计时器用于提供高精度计时。

无线定位桩模块12低功耗运行状态时，仅监听模块运行，当收到移动测量终端2广播的特定信号或关键字，唤醒无线定位桩模块12整个电路。移动测量终端2通过无线信号进行连接无线定位桩模块12，并通过TOF算法，计算移动测量终端2和电子定位桩1之间的距离，通过水平旋转移动测量终端2，获得无线定位桩模块12的斜距和方位角。当移动测量终端2同无线定位桩模块12断开连接后，在经过预设的固定时间后，无线定位桩模块12进行休眠状态，仅监听模块处于工作状态。

第三无线测距天线13是用于测距的第三无线测距模块信号放大装备，第一无线测距模块、第二无线测距模块和第三无线测距模块本发明推荐使用UWB无线测距模块，无线测距精度可以达到0.1米。

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。