拉繩式電子測徑尺的研發及其測徑效果分析

孔 雷，岳 剛，吳落軍，紀志芳，宋祥源，楊金江，何 冰，石 光

(1西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224；2貴州林業勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550003；3國家林業和草原局 昆明勘察設計院，云南 昆明 650216；4富民縣款莊鎮農業綜合服務中心，云南 昆明 650404；5云南云臻林業調查規劃設計有限公司，云南 昆明 650223；6中國地質調查局昆明自然資源綜合調查中心，云南 昆明 650111；7旺蒼縣林業科技推廣服務中心，四川 廣元 628200；8旺蒼縣國有林場，四川 廣元 628200)

樹木胸徑容易觸及，測量準確度和精密度都比較高，是構建單木材積和林分蓄積估算模型的優良指標[1-2]，因此在森林資源實地調查中，林木胸徑一直都是重要的監測因子。精確調查林木胸徑，對獲取林木材積量和林分蓄積量數據具有重要意義。另外，在樹輪氣候學中，要了解氣候變化對林木橫向生長的影響，精確調查林木胸徑對理解其中的驅動機理有重要的科研價值[3]。調查林木胸徑的工具種類龐雜，儀器結構差別較大[4-7]。測徑儀器按照測量方式的不同可分為接觸式測徑儀和非接觸式測徑儀2種[8]，按照測量方法的差異可分為卡測、圍測和瞄測3種[9]。在各類測量胸徑儀器中，卡測類儀器的理論精度最高，但是其測量過程比較繁瑣，需要在不同方向多次測量求平均值，才能獲得比較滿意的結果[10]，而且卡測類儀器量程有限，不能測量大徑級林木胸徑，野外作業也不方便攜帶。圍測類儀器由于受柔性尺面寬度限制，其理論測量精度較卡測類儀器低，但是圍測類儀器測徑基本不受量程限制，而且對規則和不規則的林木都可以測量，操作方便快捷，且野外攜帶方便。瞄測類測徑儀器無法精確瞄準林木橫截面積的兩邊，而且由于絕大多數樹干橫截面并非規則圓形，因此此類測徑儀的測量精度較低，僅在林木處于孤島上或無法觸及的情況下使用[11]。比較這3類測徑方法的優缺點可知，圍測類儀器更具有改進價值。

為了精確獲取樹木直徑信息，林業上相關的光電測量儀器也在不斷改進，比如電子測徑儀器有特快能criterionRD1000測樹器、多功能測樹儀[12]、電子測徑儀[13]、電子條碼尺[14]、電子測樹槍[15-16]和CyraX2500激光掃描儀[17-19]等，并配套了基于平板電腦或者手機平臺的數據采集系統[20-21]。這些測徑儀器雖然在某些方面進行了創新和改進，但是由于測量精度不穩定、不便攜帶或者價格昂貴等原因，還沒有在我國森林資源地面調查體系中大范圍使用。為了提升胸徑測量精度、提高測量效率，降低儀器價格，以便在今后生產過程中能夠推廣應用，本研究在充分總結已有各類測徑儀器工作原理和方法的基礎上，設計出了基于拉繩傳感器的電子測徑尺，以提高測徑精度和效率，并解決外業數據精確采集和內業數據高效錄入的問題，滿足森林資源連續清查和森林資源規劃設計調查等過程中對數據質量的要求。

1 拉繩式電子測徑尺的研發

1.1 拉繩式電子測徑尺的硬件系統構造

如圖1所示，拉繩式電子測徑尺是一種基于位移傳感和無線傳感技術的精準測徑儀器，儀器內部硬件機械結構主要包括主控模塊、液晶顯示屏、卷盤、nidec無刷直流電機、光電編碼器、Wifi傳輸模塊和電池等[22]。在保證外業作業強度的條件下，拉繩式電子測徑尺外殼使用航空鋁合金材料，可極大降低儀器重量。儀器在測徑時僅需要拉出鋼絲線頭，圍繞樹干胸徑一周，nidec無刷直流電機和卷盤輔助鋼繩持續拉緊，光電編碼器可識別拉出鋼繩長度，按下傳輸按鍵即可將數據傳送至手機終端并保存。

圖1 拉繩式電子測徑尺的電路結構

如圖2所示，拉繩式電子測徑尺內部設有歐姆龍增量500P光電編碼器(型號為E6A2-CW3C，工作電壓5 V，消耗電流30 mA，軸徑4 mm，外徑25 mm，脈沖/旋轉為360P/R，實際測試精度0.2 mm)、卷盤和nidec無刷直流電機(型號為42M704L150，工作電壓24 V，電流0.13 A，轉速2 000 r/min)等元器件。nidec無刷直流電機位于卷盤下方，使鋼繩在拉出后可以恒力收回。nidec無刷直流電機和卷盤是鋼繩的回收裝置。

圖2 拉繩式電子測徑尺內部的機械結構

光電編碼器的工作原理是將輸出軸的幾何位移量通過光電轉換為脈沖或數字量。如圖3-A所示，光電編碼器主要是由光柵板和光電檢測裝置組成。電動機的旋轉帶動光柵板旋轉，光電檢測裝置輸出脈沖信號，根據每秒脈沖數計算電動機的轉速,如圖3-B和圖4所示，正交編碼盤可輸出3組方波脈沖A、B和Z相，A和B相脈沖的相位差為90°，根據雙通道輸出光碼的狀態改變，可判斷電動機的旋轉方向；Z相信號為機械零位信號，用于矯正脈沖積分誤差，每當正交編碼盤轉到機械零位輸出一個脈沖。當電子測徑尺的鋼繩被拉出時，光電編碼器可將拉出的鋼繩長度轉換為數字量，從而計算出長度和直徑。

圖3 拉繩式電子測徑尺光電編碼器的工作原理

圖4 拉繩式電子測徑尺正交編碼盤三相信號旋轉的時序關系

1.2 拉繩式電子測徑尺的軟件系統構造

林木信息采集管理V1.0軟件是在Android Studio 2.1環境下開發集成的，利用Java語言實現匯編[23]，其程序流程見圖5。

圖5 林木信息采集管理V1.0系統的程序流程

林木信息采集管理V1.0軟件能夠實現拉繩式電子測徑尺采集數據的存儲，解決外業數據精確采集和內業數據高效錄入的問題，其界面見圖6。

圖6 林木信息采集管理V1.0系統的界面

1.3 拉繩式電子測徑尺的工作原理

1.3.1 圍測原理 如圖7所示，利用圍測類儀器測量胸徑時，只需將尺面拉伸出，圍繞被測樹干一周，通過圓形周長得出樹干胸徑。根據公式(1)計算出測量直徑真值：

圖7 圍測類儀器的測徑原理

(1)

式中：D是樹木水平橫截面直徑真值，D0是圍測類儀器實測直徑值，C是尺面的寬度。

1.3.2 圍測類儀器測量胸徑時的傳播誤差 根據公式(1)可知，圍測類儀器胸徑測量真值D的誤差是由實測直徑D0和柔性尺面寬度C引起的。由絕對誤差傳播公式(2)和相對誤差傳播公式(3)可知，如果卷尺寬度C和實測直徑D0的誤差越小，則測量值越接近真值[24]。拉繩式電子測徑尺圍繞測量部分使用的是鋼繩，這極大地降低了尺面寬度C，而且隨著實測直徑D0的增加，測量精度會提高，實測直徑越接近真值D。

(2)

(3)

2 拉繩式電子測徑尺的測徑效果

2.1 不同測徑儀器測量準確度的比較

采集西南樺(Betulaalnoides)、冷杉(Abiesfabri)和落葉松(Larixgmelinii)等樹種共計40株樣木的胸高圓盤(厚度為5 cm)，其中20株樣木的胸高圓盤近似圓形(以下簡稱規則圓盤)，另外20株樣木的胸高圓盤為橢圓形、表面凹凸不平或有裂紋的不規則圓盤。以鋼尺從8個方向測得的胸徑均值作為真值，再利用拉繩式電子測徑尺、柔性尺面電子測徑儀、圍尺和卡尺(2個方向測量)分別測量40個胸高圓盤的直徑，根據下式計算測量值的期望和標準差。

(4)

(5)

采用t檢驗法檢驗各儀器測量值是否存在系統誤差。系統誤差和隨機誤差是同時存在的，儀器測量值的隨機誤差越小，系統誤差的檢驗效果越明顯。如果系統誤差顯著(即t>tα，α=0.02 )，則說明該儀器需重新設計和研制；如果系統誤差不顯著(即t

(6)

計算4種測徑儀測得的胸徑值與胸徑真值的差值，比較其測量的準確度[25]。準確度計算公式如下：

(7)

式中：Es是準確度，Xi是第i個樣本的測量值。

2.2 不同測徑儀器測量精密度的比較

利用這4種儀器分別測量7號樣木胸徑(規則圓盤)和27號樣木胸徑(不規則圓盤)，連續測6次,通過計算測得的胸徑值與胸徑測量平均值的差值，比較各儀器測量胸徑的精密度(Er)[25]。精密度計算公式如下：

(8)

2.3 不同測徑儀器測量效率的比較

利用這4種儀器分別測量10個規則圓盤(樣木號：1～10號)和10個不規則圓盤(樣木號：21～30號)的胸徑，測量和計時分別為同一人員，記錄并計算各測徑儀器測量兩類圓盤胸徑的平均耗時，比較各儀器測量胸徑和記錄數值的效率。

3 結果與分析

3.1 不同測徑儀器對規則圓盤直徑的測量精度

3.1.1 準確度 表1顯示，拉繩式電子測徑尺的測量結果更接近鋼尺(8個方向測量)測量值。由表2可知，4種儀器測量規則圓盤直徑的t值分別為0.004，0.019，0.010和0.004，均小于tα值(tα=1.96,α=0.05)，表明4種儀器測量結果均可信。拉繩式電子測徑尺測量規則圓盤直徑的平均值為16.76 cm，方差為33.267，標準差為5.92，準確度為0.045 cm；鋼尺(8個方向測量)測量規則圓盤直徑的平均值為16.72 cm，方差為32.838，標準差為5.88。與其他3種測徑儀器相比，拉繩式電子測徑尺的測量結果最優。

表1 4種測徑儀器對規則圓盤直徑的測量結果

表2 4種測徑儀器對規則圓盤直徑測量的準確度比較

3.1.2 精密度 如表3所示，拉繩式電子測徑尺、柔性尺面電子測徑儀、圍尺和卡尺(2個方向測量)連續6次測量7號樣木胸徑的精密度分別為0.017，0.067，0.067和0.200 cm，以拉繩式電子測徑尺測量規則圓盤直徑的精密度最優。

表3 4種測徑儀器對規則圓盤直徑測量的精密度比較

3.2 不同測徑儀器對不規則圓盤直徑的測量精度

3.2.1 準確度 4種測徑儀器對不規則圓盤直徑的測量結果如表4所示，測量的準確度如表5所示。

表4 4種測徑儀器對不規則圓盤直徑的測量結果

表5 4種測徑儀器對不規則圓盤直徑測量的準確度比較

表4結果顯示，拉繩式電子測徑尺測量結果更接近鋼尺(8個方向測量)測量值。由表5可知，4種儀器測量不規則圓盤直徑的t值分別為0.016，0.039，0.027和0.003，均小于tα值(tα=1.96,α=0.05)，表明4種儀器的測量結果可信。由表5可知，拉繩式電子測徑尺測量不規則圓盤直徑的平均值為13.845 cm，方差為22.525，標準差為4.87，準確度為0.120 cm；鋼尺(8個方向測量)測量不規則圓盤直徑的平均值為13.725 cm，方差為22.255，標準差為4.84。比較4種測徑儀器對不規則圓盤直徑的測量準確度可知，拉繩式電子測徑尺表現最優。

3.2.2 精密度 如表6所示，拉繩式電子測徑尺、柔性尺面電子測徑儀、圍尺和卡尺(2個方向測量)連續6次測量27號樣木胸徑的精密度分別為0.058，0.092，0.067和0.350 cm，以拉繩式電子測徑尺測量不規則圓盤直徑的精密度最優。

表6 4種測徑儀器對不規則圓盤直徑測量的精密度比較

3.3 不同測徑儀器測量效率的比較

拉繩式電子測徑尺和柔性尺面電子測徑儀由于具備數據無線傳送按鍵，可以1人完成測量和記錄工作，所以可以省去1位記錄人員。由表7可知，拉繩式電子測徑尺和柔性尺面電子測徑儀測徑并記錄的平均耗時分別為6.9和7.5 s，要比圍尺、卡尺和鋼尺測徑并記錄的平均耗時(分別為7.7，13.9和57.9 s)少。由于拉繩式電子測徑尺的無線傳送按鍵設置位置更符合調查習慣，所以測徑的平均耗時比柔性尺面電子測徑儀稍少，但是兩者測徑的平均耗時非常接近。

表7 4種測徑儀器對規則圓盤和不規則圓盤直徑測量效率的比較

4 討 論

比較柔性尺面電子測徑儀、圍尺和卡尺(2個方向測量)對規則圓盤和不規則圓盤直徑的測量精度和測量效率，可知拉繩式電子測徑尺無論是在測量準確度和精密度，還是在測量方差和標準差方面,表現均更優。我國森林資源連續清查和森林資源規劃設計調查工作中目前使用的主要測徑工具還是圍尺,主要原因是這種工具價格便宜、防摔耐用，但是其缺點也非常明顯，即無法實現內外業一體化。隨著我國森林資源調查任務的不斷加重，數據采集和錄入問題已經到了不得不解決的地步。數字化設備的研發可以很好地解決這個問題，也是未來森林資源“天地空”立體化監測的必經之路。

數字化測樹裝備的研制屬于林學、機械制造、電子信息工程和軟件工程等學科的交叉領域，長期缺乏系統性研究。拉繩式電子測徑尺的研制是對該領域進行了一次實際嘗試。由于經典圍測儀器的測徑精度受到柔性尺面寬度的影響，無法得到滿意的測量結果，故本研究用鋼繩替代柔性尺面研制了拉繩式電子測徑尺，解決了精度問題。另外，傳統胸徑測量必須要由兩位調查員相互配合完成調查和記錄，即一位調查員負責測量，另一位調查員負責記錄；而借助拉繩式電子測徑尺和林木信息采集管理V1.0軟件，可以實現一位調查員同時完成測量和記錄工作，最后僅需將數據導出，還省去了內業錄入工作，這大大縮減了野外測量人力成本和內業錄入成本。目前該產品已經在推廣使用，并取得了較好的調查效果。這對實現我國森林調查儀器國產化、數字化、便攜化和內外業一體化均具有十分重要的意義。

5 結 論

1)拉繩式電子測徑尺測量規則圓盤直徑的準確度為0.045 cm，方差為33.267，標準差為5.92，精密度為0.017 cm。對比其他測徑儀器，各項測量精度結果均以拉繩式電子測徑尺最優。

2)拉繩式電子測徑尺測量不規則圓盤直徑的準確度為0.120 cm，方差為22.525，標準差為4.87，精密度為0.058 cm。對比其他測徑儀器，各項測量精度結果均以拉繩式電子測徑尺最優。

3)拉繩式電子測徑尺由于具備數據無線傳送功能，不僅避免了外業數據采集和內業錄入環節，還避免了傳統測徑報數錯誤等不利情況，效率更高。