基于Sentinel-2时序数据的广东省英德市茶园分类研究

茶叶是一种高附加值的经济作物,是我国南方山区乡村振兴的主要抓手。由于毁林种茶等破坏行为,导致森林资源破坏并引发水土流失等生态环境问题。快速准确获取茶园的空间分布对于政府监管和茶叶产业的规划发展至关重要。由于研究区天气多阴雨,茶园分布较为分散,与森林等植被光谱较为接近等原因,导致基于卫星影像提取茶园挑战性较大。为了摸清英德市的茶园空间分布,系统分析了中高分辨率的多光谱Sentinel-2影像数据,结合多时序多特征信息在茶园提取中的应用潜力。以英德市全境为研究区,选用2019年—2021年的9期Sentinel-2影像数据,详细分析了茶树生长的物候特征,进一步探究了茶园和其他地类在多时序中的特征变化,采用Relief算法对所有特征进行重要性排序。根据特征排序结果,选取特征权重值加权90%的特征因子,即7个植被指数特征和2个纹理特征,通过不同的组合排序构建了9种茶园分类场景,采用RF算法对所有分类场景进行精度评价,选取最佳分类场景,进一步探讨了RF分类算法和SVM分类算法对茶园提取的可行性。结果表明:(1)在进行英德市茶园提取时,2月和10月是采用多时相构造茶园多特征的最佳组合,可能因2月茶树处于萌芽期长出部分嫩绿的新叶易于和森林植被区分且在10月前后由于茶园进行了修剪其特征也较明显,因此两时相特征融合易于区分茶园。(2)RF分类方法与SVM分类方法相比,后者的精度较高,其总体精度达到91.56%,Kappa系数为0.89,生产者精度和用户精度分别为80.22%和84.56%。该研究为快速高效获取英德市茶园空间分布信息提供了一种高效的方法,同时为政府在进行茶叶产业规划、管理提供了数据支持。

风荷载下的树木动态行为参数测量方法综述

树木风害机理、风害损失及防治技术的研究是当前的研究热点,其共同基础是了解树木的空气动力学特性。对树木动态行为参数的测量是研究树木空气动力学的基础,对定量化研究树木风载及其安全性评估具有重要意义。在调研国内外相关文献的基础上对树木动态行为参数的测量方法进行了综述。首先,对树干、树枝和树叶的动态行为参数进行了总结;其次,从接触式和非接触式两方面对树木动态行为参数的测量方法进行归纳,对每种方法的适用范围及优缺点进行阐述分析;最后,讨论了目前测量方法的不足,对未来的测量方法进行展望。

单目SLAM增强现实测树系统设计与试验

将内嵌有面阵相机及IMU的智能手机作为硬件系统,单目SLAM技术获取多视图几何深度图、位姿等为数据源,构建了单目SLAM增强现实森林测树系统。设计了基于平滑度高鲁棒性过滤胸高圆柱体表面点云及切线的方法;然后,基于点到圆柱体表面距离及圆柱体切线到圆柱体表面距离构建了胸径与立木位置精确估计算法;最后,以该算法为基础在智能手机端开发了增强现实测树系统,即利用智能手机实时测树、并通过增强现实场景实时人工监督测量结果。新型测树系统在5块32 m×32 m方形样地中进行了测试,以评估新型测树系统的测量精度;此外,每块样地使用了单次观测、正交观测、对称观测及环绕观测4种不同的观测方法对立木胸高圆柱体观测,以评估不用观测方式对测树精度的影响。结果显示:立木位置估计值在X、Y轴方向的平均误差范围为-0.014~0.020 m,X、Y轴方向均方根误差范围为0.04~0.08 m;立木胸径估计值偏差为-0.85~-0.03 cm(相对偏差为-3.60%~-0.04%),均方根误差为1.32~2.51 cm(相对均方根误差为6.41%~12.33%);相比于单次观测方法,其他观测方法获取位置及胸径估计精度均有提高(特别是不可近似为圆柱体的立木树干),从精度与效率角度而言,正交观测及对称观测为最佳观测方法。结果表明,单目SLAM增强现实测树系统是一种可精确进行森林样地调查的潜在解决方案。

杨树人工林无损年轮计量特征气象响应分析

为了掌握树木年轮计量特征,探究植被径向生长以及其对气候因子的响应,研究以多密度杨树人工林为对象,采用无损测定技术获取年轮计量特征,选用多种径向生长模型拟合树轮生长,并整理树木生长时期的气候因子进行响应分析,结果表明:1)三维点云定量、精准描述活立木干形,随着株行距缩小密度增大立木干型通直饱满,形率可达到0.57;2)阻力仪无损测定年轮宽度和密度,反应了树轮气候敏感性,方形种植配置更易受气候因素的影响;3)研究区杨树的径向生长采用logistic模型拟合,R^(2)均达到0.94以上;4)四种种植配置年轮宽度对年度气候因子的响应存在明显差异,对年平均风速响应均呈显著正相关(最高为6 m×6 m种植配置的早材年轮宽度达到0.85),年轮密度与年度气象因子的响应均为负相关,其中年均相对湿度呈较显著相关性(最高为3 m×8 m种植配置达到−0.82);5)月度气象因子响应表现为季节性,春季温度因子与年轮计量特征呈负相关,而湿度因子对年轮宽度呈现正相关,风速因子和年轮计量特征的相关性在春季最大,随着种植配置的稀疏风速和年轮计量特征的相关性逐渐增大。该研究为准确评估树木生长以及分析年轮对气象因子的响应提供了新思路,为森林可持续经营管理提供理论依据。

树木年轮信息解析系统研制与试验

树木年轮信息在树木年代学、气候学、生态学、灾害学和环境学等领域研究中有重要的作用。为准确、快速地获取树木年轮信息,降低工作强度和操作复杂度,该研究设计了一种树木年轮信息解析系统。该系统在硬件上进行了机电一体化设计,主要包含滑台模组、旋转编码器、步进电机、置物台、手轮、工业相机、控制箱、光学显微镜、电脑等组件,基于C#语言和OpenCvSharp工具包设计上位机,所设计的上位机软件通过与工业相机、采集器和控制器通信来实现对年轮信息采集、处理和存储,实现位置计算、电机控制和图像识别。系统设计了2种方法进行年轮信息解析:1)电子显微定位法。在常规显微定位法的基础上,基于旋转编码器和螺旋测距法感知滑台线性位移进而实现年轮宽度测量,并使用工业相机和显示器代替传统显微镜来判读年轮线,最后可生成年轮解析图表;2)图机辅助法。在电子显微法的基础上,结合图像识别与电机控制算法进行改进。为验证系统的年轮宽度测量精度、年轮线识别准确率和解析效率,以传统显微镜和光学标定板作为参照工具,采集油松、落叶松、杨树、白桦4个树种的木芯样品进行试验。试验结果表明:在年轮宽度测量精度上,电子显微定位法和图机辅助法的平均绝对误差分别为5.68和7.84μm,均方根误差分别为6.31和8.62μm,满足国家标准;在年轮线识别上,油松、落叶松、杨树、白桦4个树种的准确率分别为83.3%、93.7%、55.0%和68.3%,针叶树种组、阔叶树种组的平均召回率分别为96.4%和72.6%,能够辅助判读年轮线;在解析效率上,平均每个年轮采集耗时为电子显微定位法1.58s、图机辅助定位法1.24s,分别比显微定位法(1.94 s)提高了约19%和36%。综合而言,该系统实用性强、精度高、效率高,工作疲劳度低、成本低(<1万元),在多个学科领域中具有推广应用前景。

RGB-D SLAM增强现实原木检尺系统构建与测试

将内嵌有ToF相机、面阵相机及IMU的智能手机作为硬件系统,RGB-D SLAM技术实时获取的深度图、位姿等为数据源,构建了RGB-D SLAM增强现实楞堆原木检尺系统。首先设计了基于ToF影像实时估计RGB影像像素深度的方法,实现对待测原木端面几何坐标的初步估计;其次,设计了散形分区去噪算法实现原木端面点云的精确过滤,设计了原木端面曲率估计算法实现对过滤点云可靠性判别;然后,基于PCA等算法实现原木长、短直径方向向量估计,并基于该向量对原木长、短直径进行了估计;最后,以所构建算法为基础在智能手机平台上搭建了增强现实楞堆检尺系统,实现智能手机对原木进行实时检尺、增强现实场景对测量结果实时监督。新型检尺系统通过对6个楞堆334根原木进行了检尺实验,以评估该设备的测量精度。结果显示:原木平均直径估计值的偏差及均方根误差分别为-0.13 cm(-0.35%)及1.05 cm(3.34%);原木径阶化直径估计值的偏差及均方根误差分别为-0.10 cm(-0.22%)及1.33 cm(4.43%);原木材积估计值的偏差及均方根误差分别为-0.007 m^(3)(-0.27%)及0.093 9 m^(3)(7.23%);楞堆材积相对误差绝对值均不大于2.23%,所有楞堆总材积相对误差为-0.68%。无论从单根原木还是楞堆角度来看,材积等测量结果均无偏且高精度,说明原木检尺系统是一种可高精度、高鲁棒性实时完成楞堆原木检尺的潜在方案。

拉绳式电子测径尺的研发及其测径效果分析

【目的】开发一种拉绳式电子测径尺,以解决围测类测径仪器因柔性尺面宽度而影响测量精度的问题,同时实现林木胸径外业数据的高效采集和内业高效记录。【方法】基于经典围测原理,以钢绳、卷盘、无刷直流电机和光电编码器为主要结构,研发了拉绳式电子测径尺。以钢尺测得的样木圆盘直径(8个方向测量)均值作为真值,利用拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径尺、围尺和卡尺(2个方向测量),分别测量了20个近似圆形胸高圆盘(规则圆盘)的直径和20个不规则胸高圆盘的直径,比较各仪器测径的方差、准确度和t检验结果;用4种仪器分别测量7号样木规则圆盘直径和27号样木不规则圆盘直径,连续测6次,比较各仪器测径的精密度;用4种仪器分别测定10个规则圆盘和10个不规则圆盘的直径,记录平均耗时,比较各仪器的测径效率。【结果】拉绳式电子测径尺、柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺测量规则圆盘直径的准确度分别为0.045,0.205,0.115和0.140 cm,精密度分别为0.017,0.067,0.067和0.200 cm,方差分别为33.267,33.401,33.532和33.443;测量不规则圆盘直径的准确度分别为0.120,0.295,0.205和0.280 cm,精密度分别为0.058,0.092,0.067和0.350 cm,方差分别为22.525,22.908,22.611和21.607;测径平均耗时分别为6.9,7.5,7.7和13.9 s。【结论】拉绳式电子测径尺的测量精度和测径效率均优于柔性尺面电子测径仪、围尺和卡尺,不仅可满足森林资源连续清查和森林资源规划设计调查的精度要求,还能大大缩减外业测量和内业录入的成本。

全站仪测算材积的原理及精度分析

全站仪是一种电子精密测量型工具 ,自 2 0世纪 90年代中期后 ,美、英、德、日等国在林地面积测量、树高测量中初步使用全站仪 .该文首次采用全站仪测量树干上部直径及材积等测树参数 .以全站仪为测量工具 ,在林地中自动测量每 1棵树的树高 ,用直径测量数学模型自动测量树干胸径及任一处直径等参数 ,以及利用树干材积计算数学模型自动计算树干材积 .从其测量结果看 ,测量数据精度很高 .其测量树高的精度可达 1 14 0 0 ,测量任一处直径的精度可达 1 2 0 0 ,且均高于其它测树方法的精度 ,完全能够满足林业测量的精度要求 .由于全站仪的自动化程度很高 ,可与数据采集器实现数据的实时通讯 ,提高工作效率 .全站仪在测树中的应用 ,不仅提高了测树速度、精度和效率 ,更重要的是不用伐倒林木和爬树 ,不对林木有任何损害就可以自动、实时获取测树因子 ,它在林业测量有广泛的应用前景 .

基于电子经纬仪及PDA自动量测的电子角规测树原理、功能及精度研究

针对常规角规测树较为粗放的现状,为了满足精准林业的需要,实现单木和林分精准测量,该文以电子经纬仪和掌上电脑为硬件,经PDA编程开发,形成电子角规测树系统,充分发挥了电子经纬仪精密的测角功能和PDA强大的数据处理和存贮功能.利用电子角规可获得树木树干的胸径、树高、任意处直径和材积,树冠部分的表面积和体积,林分的胸高断面积、林分平均高、平均株数、蓄积量和生长量等数据.经过分析,电子角规测树精度为1/7 000,而比特利希角规测树精度总误差达1/32,电子角规的测树精度比普通角规高出200倍以上,其速度也较快.

基于三维激光点云的树木胸径自动提取方法

胸径是评价林木生长状况的重要参数之一。针对接触式人工测量自动化程度低和基于点云的现有算法提取树木胸径精度不高的问题,提出一种基于点云数据的自动准确获取树木胸径的新方法。该方法以树木点云数据为基础,运用蚁群算法和B样条曲线拟合技术,实现树木胸径的自动准确提取。对实验区树木测量计算,结果表明,利用该方法提取树木胸径的均方根误差为±0.19 cm,平均绝对误差为0.15 cm,相对于基于点云的传统算法提取精度分别提高了50%和60.7%。该方法基于高精度点云数据,实现了树木胸径的无损自动提取,在精准林业领域具有推广价值。

全站仪在林业数字化工程上的应用

全站仪作为一种精密电子测量型仪器,将其应用于林业领域,对林业迈向精准化的进程具有重要的推动作用。该文总结了目前全站仪在测量单株立木的树高、胸径、材积等微观领域的应用技术,并探讨和研究其在林分密度、蓄积量的测定以及标准地的调查测定等宏观领域的应用前景。由于全站仪能够自动通讯、自动记录、自动处理各种测树要素,实现一体化观测,因此全站仪将在林业上的更多领域得以应用。

无棱镜全站仪测量树高及树冠的方法研究

针对传统的树高和树冠测量方法的缺点,提出利用无棱镜全站仪进行树高和树冠测量的新方法。首先,通过测量树顶与树根的高程差获得树的高度。其次,测量树冠在各方向上的最大伸展点的坐标,用以生成树冠投影面的多边形。然后,通过树影测量确定弧段弦高,再以弧段取代直线拟合多边形,以匹配树冠投影面的实际形状。最后,将结果与有棱镜全站仪和三维激光扫描仪的结果进行了比较。结果显示,该方法的精度略低于三维激光扫描仪,而大大高于有棱镜全站仪。由于无棱镜全站仪的价格仅为三维激光扫描仪的10%,该方法无疑更适合于野外林业调查。

一种基于拉绳传感器的树木直径记录仪

设计了一种基于拉伸传感器的自动测量记录树木直径的设备—树木直径记录仪,记录仪由单片机、时钟模块、CH376模块、传感器和电源5部分组成。时钟输出时间,通过AD转换把传感器测得的数据转换成周长与直径,CH376用来对单片机进行数据的读写,电源模块控制向所有的其他模块供电。先设定好初始时间和测量间隔时间,然后进入休眠,仅时钟模块运行。当时钟运行到设定的测量时间,系统被唤醒,拉绳传感器得到的模拟量通过AD转换成周长与直径,并存入flash,随后再次进入休眠,如此往复。该系统采集数据简单,将U盘插入系统所带的USB接口,系统会自动识别,并将数据复制到U盘。通过试验可看出,用本仪器测得值的平均值来代替实际值,精度较高。

激光摄影测树仪设计与试验

针对传统测量胸径、树高和林分空间结构参数的非智能化、非集成化、效率低等不足,以摄影测量学、测树学、图像处理技术和传感器技术原理为理论基础,设计了激光摄影测树仪。该仪器由CCD镜头、激光器、光源笔、PDA和云台组成,测量时获取方位角、倾角及图像等参数,通过在Android Studio 2.2开发平台下利用Java语言进行编译的3个模块化程序,实现胸径、树高和林分结构参数测量功能。对21株立木进行胸径、树高测量,对1块样地内15株中心树进行林分空间结构参数测量试验,并与传统测量方法进行对比,结果表明:胸径测量相对误差绝对值的平均值为2.55%,树高测量相对误差绝对值的平均值为2.82%,角尺度与大小比数测量相对误差绝对值的平均值分别为2.50%和2.86%,混交度测量与传统测量法测量结果相同,能够满足林业调查的精度要求。

电子条码尺立木胸径自动测量研究

为了实现立木胸径的快速、准确测定,以EAN-13条形码编码和译码规则为模版,基于Android开发平台和Open CV图像智能处理技术,设计了一种可以实现单人作业、立木胸径自动测量的电子条码尺。条码尺编码完成后,利用开发的手机APP扫描条形码图像,通过图像的预处理、条形码的定位与识别、胸径的自动测量与记录、数据保存与导出等过程,实现立木胸径自动测量。经实验验证,该方法进行立木胸径测量的精度达99.95%以上,满足国家森林资源连续清查的精度要求,测量工作的效率也得到显著提高。

数字式多功能测树仪的研制

多功能测树仪是集多种测树功能于一体的测量工具。根据三角函数原理,结合传感器技术和计算机技术,将高度、距离、方位角、坡度、两点高差、立木任一部位形率等数据测量功能集于一体,并成功研制数字式多功能测树仪。测量方法适合在复杂森林环境中测量,解决了复杂森林环境植物高度及距离测量和树干中央直径及胸高形率测量难的问题,能够满足一般森林资源调查的精度要求,效果良好。

树木微钻仪钻针阻力表达方法研究

树木微钻仪钻针阻力不能直接测量,但能通过直流电机的电流、电压、功率、转速等参数间接表达。为了提高钻针阻力测量精度,进一步研究了钻针阻力表达方法。阐述了树木微钻仪的工作原理,分析了钻针阻力与直流电机电流、电压、功率、转速之间的关系,提出了6种钻针阻力表达方法。使用自主研制的树木微钻仪和德国Resistograph 650-S型微钻仪对4个树种的木材密度进行测试,分别建立自主研制微钻仪每种钻针阻力表达方法各自的平均值、Resistograph 650-S型钻针阻力平均值与木材绝干密度之间的线性模型。测试结果表明:自主研制的树木微钻仪直流电机电流、电压和功率与木材绝干密度之间的线性相关系数均大于0.9,因此可使用直流电机的电流、电压或者功率来间接表达钻针阻力;转速修正后的直流电机电压与木材绝干密度的相关性最高,因此使用转速修正后的直流电机电压表达钻针阻力更为适宜;自制微钻仪转速修正后的直流电机电压与木材绝干密度之间的线性相关系数比德国Resistograph 650-S型微钻仪高0.0053,说明自制树木微钻仪的设计方案和钻针阻力表达方法合理。

基于RGB-D SLAM手机的森林样地调查系统研究

基于RGB-D SLAM手机构建了森林样地调查系统,该系统实现了样地构建、每木检尺及林分/样地参数的估计功能,并在测量过程中使用增强现实展示测量结果,且提供了重新测量的交互方式,使观测者在观测过程中能够检测结果的可靠性,并保证所获取样地信息的完整性。该系统在18块半径为7.5 m的圆形样地中进行了测试。结果显示,平均胸径估计值的偏差(BIAS)及均方根误差(RMSE)分别为0.36、0.69 cm,平均树高估计值的BIAS及RMSE分别为0.06、0.63 m,蓄积量估计值的BIAS及RMSE分别为8.595 9、25.735 8 m^3/hm^2,横断面积估计值的BIAS及RMSE分别为0.949 7、1.987 3 m^2/hm^2,株树密度估计值的BIAS及RMSE分别为-3、13株/hm^2,坡度估计值的BIAS及RMSE分别为0.30°、0.88°,坡向估计值的BIAS及RMSE分别为-0.44°、7.61°。其中,坡向估计具有较大的RMSE,是由于当坡度较小时,即使SLAM系统估计位姿有较小漂移,仍会导致该值产生较大偏差,但整体而言坡向仍是无偏的。

目测法估测树高的误差分析

利用目测法和VertexⅣ测高仪对黑龙江省凉水林场的部分树木高度进行测量,通过实测数据和目测数据的比较分析,结果表明:目测数据普遍低于实测数据,而且随着树高和冠幅的增加,估测误差也呈增大趋势,估测误差的波动范围很大,平均估测误差为3.4 m,目测数据和实测数据的拟合效果一般,平均估测精度为82.6%。几个主要树种的估测误差平均值在3～4 m左右,误差大于5 m的数据主要集中在红松和水曲柳中。

实时动态多功能双目立体摄影测树仪设计

为了实现林木精准实时定位,满足森林资源调查中多因子精准计测的需求,研发了一种集单木像对解算和林分点云测量于一体的多功能、高精度、实时定位的实时动态(real-time kinematic, RTK)双目立体摄影测树仪。该仪器以摄影测量和全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)空间定位技术为基础,利用三角函数原理、双目摄影测量解算原理和基于运动结构(structure from motion, SfM)视觉算法,通过内嵌操作软件,实现了林木位置实时定位及林分样木还原、胸径测量、树高测量、株树密度测量、林分空间结构参数测量等功能。通过试验验证,在单木测量模式下,能快速实现林木定位,其胸径测量精度为97.11%,树高测量精度为94.72%;在林分测量模式下,依"仿航线法"观测,能快速建立林分点云模型,并实现了林分调查因子和林分空间结构参数的高效提取,其中林分胸径提取精度达到97.18%。该仪器测量精度符合林业调查的精度要求,可在森林资源调查及精准林业工作中推广使用。