利用無棱鏡全站儀進行樹高和冠心病測量方法的研究

利用無棱鏡全站儀進行樹高和冠心病測量方法的研究

樹高和樹冠面積是森林調(diào)查的必要項目。樹高是指一棵樹從樹木枝條頂端到樹根底部的高度,樹冠面積是指樹木在垂直方向上的投影面積。它們是檢測樹木長勢、預測樹木生物量、反映林地生產(chǎn)力的重要參數(shù),是數(shù)字園林的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,如何準確、快捷地對樹高和樹冠進行測量,一直是林業(yè)界的研究熱點。無棱鏡全站儀的出現(xiàn),為精確、便捷地進行樹高和樹冠的測量提供了可能。本研究通過實驗,設(shè)計出一套方便、快捷、準確、行之有效的利用無棱鏡全站儀測量樹高和樹冠的新方法。1樹冠面積的測量目前,樹高主要使用測高器、羅盤儀等進行測量;樹冠則多將其視為圓形,拉尺測量冠徑來求算面積。北京林業(yè)大學的馮仲科等人曾提出利用有棱鏡全站儀,采用三角高程法、三維前方交會法、全站儀解析法等方法進行樹高和樹冠的測量。以全站儀解析法為例(如圖1所示),將棱鏡設(shè)在樹木旁邊高度V=1.3m的地方,觀測得到斜距SD以及角度V1,將望遠鏡瞄準樹尖V2,得到角度。其樹高的計算公式為:H=V+DsinV1(cosV1+cosV2)。(1)在計算樹冠面積時,通常把樹冠看成一個圓或者橢圓,利用有棱鏡全站儀測量樹冠冠幅得到冠徑,再求出樹冠面積。利用有棱鏡全站儀測量樹木時,需要在樹干處和東、南、西、北4個方向樹冠投影處立棱鏡進行測量,從而得到一個近似于圓形或者橢圓的樹冠投影面(如圖2所示)。但是,樹冠的投影面實際上是一個不規(guī)則的多邊形,而且不同樹種的樹冠形狀會有著很大的差別。因此,利用此類測量方法得出來的樹冠投影面面積與實際面積誤差較大。綜上所述,無論是“拉皮尺”還是使用了有棱鏡全站儀,均存在測量精度不高、測量數(shù)據(jù)難以處理、人力物力消耗大等缺點,無法滿足現(xiàn)代林業(yè)調(diào)查對樹高和樹冠數(shù)據(jù)的需求。2所u所測目標物無棱鏡全站儀是用3R級可見工業(yè)激光直接照準目標,利用目標物的漫反射返回信號進行精確測量,實現(xiàn)了“所瞄即所測”。以下將一一闡述利用無棱鏡全站儀進行樹高和樹冠測量的方法。2.1校園各學科植物分布實驗的測量樣本均位于廣州大學大學城校區(qū)內(nèi)。經(jīng)調(diào)查,校園內(nèi)共有植物61科109種共28435棵,按照林木徑級分層,隨機選取分布于校園各處的樣本樹28科52種共1422棵進行測量,占總樹木數(shù)量的5%。2.2制點選取在樣本樹周圍選取控制點,并利用GPS-RTK測出控制點的三維坐標?？刂泣c的選取要考慮地形、通視情況等因素的影響,如圖3所示,既要能很好地對樣本樹進行觀測,又要便于GPS獲取控制點坐標?？刂泣c的數(shù)量需根據(jù)測區(qū)內(nèi)樹木的分布和樹冠的大小決定,一般每個樣本都需要2個以上的控制點。2.3測量的樹高和樹冠本次測量采用了廣州城建坐標系和國家85高程。(1)測定枝條為同一方向的有效點樹高測量的原理在于測取樹木枝條頂端與樹根底部兩個點的三維坐標,再用兩個點坐標的高程差量取樹高。如圖4所示,以樣本樹081014為例,使用無棱鏡全站儀對樹根部或者與樹根部處于同一水平面的有效點進行測量(樹底根部被其他植物阻擋時使用),記A點高程為H1。取植物頂端枝條或者與該枝條處于同一水平面上的葉子進行測量,記B點高程為H2。設(shè)樹高為H,即樹高計算公式為:H=H2-H1(2)在測量中,需要考慮風速、植物通視程度、枝條粗細等因素的影響。當枝條受風速影響小而且通視情況良好時,直接測量植物頂端枝條;否則,應測量與該枝條處于同一水平面上的葉子,且應選取枝條擺動弧度上限位置為測量點。(2)風速對植物測定的影響在樹冠測量時,應根據(jù)樹冠的伸展情況,判定出樹冠大致的形狀,選取樹冠在各方向上的最大伸展處作為測量點,順時針或逆時針測出這些點的坐標。由于地形、通視情況等因素影響,往往需要布設(shè)多個控制點,從不同角度對樹冠進行測量,圖4、圖5展示了樣本樹081014測量點的位置分布情況,從2個控制點共計測了11個點。風速對植物測量的影響是很大的。風吹動樹葉,會使激光無法準確照準測量點。因此,選取了南洋楹、刺桐、高山榕等10種樹葉進行風速模擬實驗。實驗結(jié)果表明,當風速為0~0.5m/s時,10種樹葉晃動均不大,不影響激光照準。當風速為0.5~1m/s時,只有5種樹葉可以實現(xiàn)激光照準。當風速為1~2m/s時,只有2種樹葉可以實現(xiàn)激光照準。當風速在2m/s以上時,絕大部分植物的枝葉都難以用激光照準,無法進行測量。實驗結(jié)果顯示,植物的葉子越大越重,枝干越粗,抗風能力就越強,可測度就越高。因此,建議當近地面風速小于0.5m/s時進行樹冠測量。2.4擬合投影面的量測在獲取樹冠的各個特征點的坐標后,通過程序,由各個特征點生成多邊形來擬合樹冠的投影面。在實驗中發(fā)現(xiàn),如果用直線生成的多邊形,與樹冠投影形狀依然有較大差別。因此,采用弧段生成多邊形來擬合樹冠投影面。此外,樹冠的形狀是有凹凸的,因此在擬合投影面時,必須根據(jù)樹冠的形狀用凹多邊形弧段和凸多邊形弧段表示(如圖6所示)。弧段可由起點、終點和弦高來確定。起點和終點分別為樹冠測量點。弦高則可以從樣本樹的樹影測平均值獲得,如圖7所示。為此,從測區(qū)內(nèi)樣本數(shù)大于20棵的11種喬木中,每種選取2棵,共22棵,在7月22日的正午時分(當日太陽正午高度角為83.21°,接近直射)對樹冠投影進行量測。量測方法為:先標記好選定的樣樹,在地上標出其樹影,分別選擇兩個相鄰的點A與點B,用皮尺量測出其距離以及兩點間連線的垂直平分線的長度,再量出弦長以及相應的弦高,在得出各種樹的弦高值后,求其平均值,為4.15,據(jù)此確定弦高為起點和終點距離的1/4.15。然后編寫程序,生成樹冠線弧段和樹冠面,進而計算樹冠投影面的面積。3種儀器測試樹高對比為了驗證測量精度,選取同一樣本樹,使用三維激光掃描儀進行掃描,建立該樣本樹的三維模型,并根據(jù)三維模型讀取樹高和樹冠投影面的面積用于對比。如圖8所示,以樣本樹079024為例,無棱鏡全站儀測得的樹高為4.750m,三維激光掃描儀測得的樹高為4.752m,兩種儀器測得的樹高相差無幾。如圖9所示,有棱鏡全站儀測得的樹冠投影面積為11.00m2,無棱鏡全站儀測得的樹冠投影面積為9.62m2,三維激光掃描儀測得的樹冠投影面積為9.04m2。有棱鏡全站儀測出的面積與三維激光掃描儀相比相差21.68%,而無棱鏡全站儀測出的面積與三維激光掃描儀只相差了6.42%。4維激光掃描的優(yōu)勢綜上所述,利用無棱鏡全站儀進行樹高和樹冠的測量,實現(xiàn)了樹高的快速、高精度測量,且大大提高了樹冠測量的精度。其優(yōu)勢主要有:(1)所瞄即所測,可用于陡坡、溝壑、河流沿岸等各種復雜地形環(huán)境下樹高、樹冠的測量。(2)測量數(shù)據(jù)均可利