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电子森林罗盘仪的研发与试验
1
作者 付贺宁 冯仲科 +3 位作者 孙林豪 苏珏颖 马天天 王智超 《中国农业科技导报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期120-126,共7页
树高和树木位置是森林经营决策中重要的指标,常用于估计森林生长量、树龄、材积、生物量和碳储量等立木参数,其精度对立木质量的评价及森林生长的预测分析影响较大。为解决当前森林调查仪器价格昂贵、移动不便、测量周期长、人力耗损大... 树高和树木位置是森林经营决策中重要的指标,常用于估计森林生长量、树龄、材积、生物量和碳储量等立木参数,其精度对立木质量的评价及森林生长的预测分析影响较大。为解决当前森林调查仪器价格昂贵、移动不便、测量周期长、人力耗损大等问题,基于三维电子罗盘和激光测距雷达研发了一种电子森林罗盘仪。该仪器设计了嵌入式软硬件,开发了与之配套的Android端应用,实现了树高和树木位置数据测量的电子化和数字化。为验证仪器的精准度与效率,选取59株立木进行试验。结果表明:在精准度上,方位角的绝对误差均值为4.5°,树高的相对精度为96.95%;在作业效率上,该仪器约为全站仪的2倍。该仪器携带方便、制造成本低、内外业一体化,能够满足国家森林资源连续清查中的测量精度要求,在森林资源调查中具有广阔的应用前景。 展开更多
关键词 罗盘 树高 方位角 内外业一体化
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单目SLAM增强现实测树系统设计与试验 被引量：1
2
作者 范永祥 冯仲科 +3 位作者 闫飞 申朝永 关天蒴 苏珏颖 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期259-266,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 森林 样地调查 单目SLAM 智能手机
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树木年轮信息解析系统研制与试验
3
作者 孙林豪 冯仲科 +4 位作者 邵亚奎 苏珏颖 安佳怡 张标 王智超 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期16-26,共11页
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... 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。 展开更多
关键词 解析 测量 树木年轮 旋转编码器 上位机
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RGB-D SLAM增强现实原木检尺系统构建与测试
4
作者 范永祥 冯仲科 +3 位作者 苏珏颖 韦泽波 申朝永 闫飞 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期280-287,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 原木检尺 ToF相机 实时SLAM 增强现实
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手杖式测树仪立木树高量测研究 被引量：4
5
作者 苏珏颖 冯仲科 +1 位作者 李萍 常晨 《中南林业科技大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期63-71,共9页
【目的】树高是森林经营决策中最重要的一个参量,常用于估计森林生长、年龄、材积、生物量和碳储量等立木参数,其精度对立木质量的评价及森林生长的预测分析影响重大。为解决传统的树高量测仪器移动不便,测量周期长,人力耗损大等问题。... 【目的】树高是森林经营决策中最重要的一个参量,常用于估计森林生长、年龄、材积、生物量和碳储量等立木参数,其精度对立木质量的评价及森林生长的预测分析影响重大。为解决传统的树高量测仪器移动不便,测量周期长,人力耗损大等问题。【方法】以近景摄影测量为基础,构建了一种以登山杖绑定安卓智能手机为测量平台的便携、快捷的树高测量装备;针对立木生长环境有无坡度,拍摄是否产生倾角等情况建立了树高量测模型。在手机环境下,研制了立木树高测量软件APP。APP采用上下分屏技术,利用手机成像系统以及坐标系转换,使屏幕与待测立木建立关联,从而自动解算立木的深度信息;结合手机内部方向传感器的强大性能,单站作业可实时获取树高估计值。在北京市平谷区红石门村选取不同坡度的307株立木作为研究对象,使用该装备分别在上坡位和下坡位对其进行量测,将测定结果与全站仪多次量测求得的平均值进行对比分析。【结果】结果表明,树高估计值平均绝对误差为0.21 m,平均相对误差为2.11%,整体精度达到97.89%。当处于下坡位观测时,树高估计值平均绝对误差为0.11 m,平均相对误差为1.16%,树高精度高达98.84%。当处于上坡位观测时,树高估计值平均绝对误差为0.32 m,平均相对误差为3.07%,树高精度达到96.93%。智能手机倾斜角较大时,精度达到95.19%,智能手机倾斜角较小时,精度高达99.03%,说明手杖式测树仪观测时所产生倾角越小,精度越高。量测同一株立木时,下坡位观测的精度优于上坡位。【结论】此装备的研发满足国家森林资源连续清查中的测量精度要求,且装备成本低、灵活性强、不依赖其他设备获取深度信息、携带方便、具有较高利用价值,未来可作为森林资源调查树高测量装备。 展开更多
关键词 近景摄影测量 树高量测 安卓手机App 图像分析
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基于改进LOAM的森林样地调查系统设计与试验 被引量：4
6
作者 范永祥 冯仲科 +3 位作者 申朝永 闫飞 苏珏颖 王蔚 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期291-300,共10页
森林中线、面特征较少等,导致LOAM算法去畸变及配准精度低、鲁棒性差,很难将该算法直接用于森林调查。为此以LOAM算法为基础设计了LiDAR SLAM森林样地调查系统,在SLAM系统工作流程中剔除了遮挡线特征,避免视点与立木切线点作为线特征参... 森林中线、面特征较少等,导致LOAM算法去畸变及配准精度低、鲁棒性差,很难将该算法直接用于森林调查。为此以LOAM算法为基础设计了LiDAR SLAM森林样地调查系统,在SLAM系统工作流程中剔除了遮挡线特征,避免视点与立木切线点作为线特征参与运算;引入二次去畸变、二次配准等模块提高了去畸变、配准的鲁棒性及精度;该系统将激光雷达测量精度、位姿估计精度等先验信息引入去畸变及配准优化算法中,提高去畸变及配准精度。使用32线激光雷达扫描了4块32 m×32 m的森林样地,利用LiDAR SLAM森林样地调查系统完成样地建图,利用该点云提取的立木位置及胸径与参考数据对比,完成了新型SLAM样地调查系统在森林中建图精度的间接评估。结果显示:立木位置估计值在x、y轴方向的平均误差分别为-0.004 m和-0.011 m,x、y轴方向均方根误差分别为0.081 m和0.083 m;胸径估计值的偏差为0.25 cm(相对偏差为1.18%),均方根误差为1.03 cm(相对均方根误差为5.53%);经与LOAM估计结果相比,改进系统获取的立木位置及胸径精度均提高。结果表明,所设计的LiDAR SLAM森林样地调查系统可用于多线激光雷达扫描森林样地数据的处理,是一种可精确进行森林样地调查的解决方案。 展开更多
关键词 森林 样地调查 激光雷达 SLAM LOAM算法
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便携式高精度立木胸径测量装置研制与试验 被引量：3
7
作者 孙林豪 冯仲科 +3 位作者 苏珏颖 邵亚奎 路丹桂 马天天 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第15期31-41,共11页
立木胸径是森林资源调查中最重要的测量指标。为了实现高效、精准、简便地测量立木胸径,适应复杂树形和不同径级的树木,节省内外业勘测成本,该研究研制了一款立木胸径测量装置。基于隧道磁阻旋转编码器构建适合低成本、轻小型机电结构... 立木胸径是森林资源调查中最重要的测量指标。为了实现高效、精准、简便地测量立木胸径,适应复杂树形和不同径级的树木,节省内外业勘测成本,该研究研制了一款立木胸径测量装置。基于隧道磁阻旋转编码器构建适合低成本、轻小型机电结构和高分辨力处理算法的方法,同时开发了由嵌入式软件、Android端应用和Web端应用构成的系统软件,通过多功能按键组合设计了特殊树形和大径级树木的作业流程。在单木勘查作业过程中,装置的机电结构会将立木胸径由机械量先转换为磁信号再转换成电信号,之后由嵌入式软件中集成的处理算法把电信号换算成胸径测量数据。完成所有单木勘查作业后,装置内的蓝牙将数据传输至Android端应用进行存储再上传到Web端的数据库中。为验证装置的测量精度和作业效率,选取包含多个树种的196株立木和一块包含42株立木的小样地进行试验。试验结果表明:该装置对不同径级的立木都具有较高的测量精准度(总平均绝对误差为0.08 cm、平均绝对百分比误差为0.37%、均方根误差为0.12 cm和相对均方根误差为0.54%);人均每株立木测量耗时为9.3 s(约为传统围尺方法的1/3),作业效率高。该装置解决了传统围尺在数据量测、记录和入库上的短板,降低了人力成本,比非接触式、卡测类、电子拉绳类仪器的制造成本低几百到上万元,造价仅为260元,且携带方便(质量仅为230g),符合国家森林资源连续清查技术规定的精度要求,在森林资源调查中具有宽广的应用前景。 展开更多
关键词 林业 测量 设计 胸径 隧道磁阻 编码器 森林资源调查
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定量结构模型的地面激光雷达单木分割应用 被引量：1
8
作者 李萍 冯仲科 苏珏颖 《测绘科学》 CSCD 北大核心 2022年第2期151-156,199,共7页
针对传统每木检尺的小班调查因子测量方法耗时长、效率低、人为操作误差大等问题,该文研究了一种定量结构模型(QSM)实现单木的三维重建,并基于地面激光雷达(TLS)所获取的点云数据提取研究区单木的胸径、树高参数。该算法重构了单木的三... 针对传统每木检尺的小班调查因子测量方法耗时长、效率低、人为操作误差大等问题,该文研究了一种定量结构模型(QSM)实现单木的三维重建,并基于地面激光雷达(TLS)所获取的点云数据提取研究区单木的胸径、树高参数。该算法重构了单木的三维模型,且TLS数据所求得的胸径、树高与实测数据具有较好的一致性,提取结果精度较高。本研究采用的方法在提取林分特征因子方面具有有效性和可行性,可为未来森林资源动态监测方法提供参考。 展开更多
关键词 地基激光雷达 单木参数 定量结构模型 精度
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