文摘
树地位起着重要的作用在研究森林资源和生态功能,并迅速、准确地获取树的位置数据一直是研究人员关注的焦点。然而,经典的方法是费时又费力;因此,需要一个方便的方法测量树的位置。本研究的主要成果包括以下几点:(1)设备是专为精确位置的树木;(2)提出了一种新的定位算法基于接收信号强度指示的五角本地化和超宽频技术;和(3)电脑软件应用程序开发的自动存储和上传树的位置数据。设备应用于10圆块直径24米测试定位速度和精度。结果表明,树的位置可以准确预估。在 - - - - - -和 - - - - - -轴,偏见是-3.94和3.36厘米,分别和均方根误差(rmse)分别为28.39和28.53厘米,分别。平均误差(Ed)估计和参考之间的距离是36.13厘米,标准差是16.67厘米。该设备是廉价和容易使用和携带;因此,它适用于定位树与复杂的地形环境。
1。介绍
树的位置测量森林资源调查具有重要意义。树的位置的快速、准确采集样本块有助于预测树胸径的生长和人口发展趋势具有重要的生态意义,揭示了树木和树种之间的关系(1,2]。传统测量使用一盒罗盘结合磁带或激光测距仪。测量过程是费时又费力,手动读取和记录数据,效率低下,容易混淆,从而严重限制获取树的质量和效率在样品实地调查(3- - - - - -7]。发展的方法改善树位置信息采集的质量和效率一直是林业研究的问题(8- - - - - -10]。
近年来,许多设备和方法已经开发定位树示例图。的Haglof Postex®激光器使用超声波测量解决方案树;然而,由于超声波测量距离短,样图的大小是有限的(11]。全球导航卫星系统(GNSS) [12- - - - - -15在大多数环境中)可以提供定位坐标信息。然而,信号衰减,甚至信号消失出现在郁闭度高,这也大大影响树木的密度的样图(16- - - - - -18]。总站是一种精确的电子测量系统的映射工具集测距仪、电子经纬仪和微处理器(19]。这样的系统提供一个有效的方法来定位树样图,但这样做也存在一些弊端,如不便,操作复杂,价格昂贵。地面激光扫描(TLS),也称为地面光探测和测距(激光雷达)20.- - - - - -24),已申请提取各种林业属性(25- - - - - -28];然而,由于一些操作和性能限制,费力的携带和安装,和复杂的数据处理,不能广泛使用TLS (29日,30.]。摄影(CRP) (31日- - - - - -33)和智能手机与飞行时间(TOF) [34- - - - - -36)相机也被应用于获取树的位置;然而,他们非常容易站密度、表面植被,光强度和需要专业知识来处理复杂的点云计算(37]。因此,有一些限制应用这些设备和方法确定树的位置。
传感技术的进步导致设备的开发精确定位树。超宽频技术(UWB) (38- - - - - -42]是一种通信技术,使用不连续less-than-nanosecond脉冲没有运营商和高传输速率的优势,强大的多路径决议,抗干扰能力强,穿透能力强。它已广泛应用于距离和位置的决心。与其他无线通信技术相比(wi - fi、无线个域网等),它具有更高的精度43- - - - - -45]。
本文使用超宽频传感器测量设备开发精确定位、快速测量记录、自动变速器、和处理的树木,和低成本的优点,易于携带。
2。系统设计
2.1。设计的主要设备
该装置主要由一个基站和移动站,如图1。基站支持由一个三脚架和五个1米长杆超宽频模块上。波兰人和支持三脚架可以折叠和缩小,便于携带的调查人员在现场的设备。移动站的位置标记。表1描述了组件所使用的设备和他们的主要属性。基站的电路主要由微处理器、电源模块、陀螺仪模块,指南针模块、超宽频模块和显示屏幕。移动电台的电路主要由微处理器、电源模块、超宽频模块,安全数字记忆卡(SD卡),蓝牙模块,按钮,显示屏。设备使用一个8位微处理器,这是高速度和低成本,具有较强的抗干扰。电源模块是由锂电池,电源管理芯片和一个开关。锂电池作为供电系统组件,电源管理芯片可以从过电流保护锂电池和其他电路。陀螺仪模块是用来收集基站的位置信息。指南针模块是用于收集方位信息。基站配备五个超宽频模块,和移动站装备有一个超宽频模块测量移动台和基站之间的距离。显示屏幕显示测量信息,SD卡存储的距离和位置坐标数据收集的移动站,和蓝牙模块移动站和主机之间的数据传送。
2.2。超宽频测距原理
精确测量距离,超宽频传感器基于双面双向测距(DS-TWR)原则(46,47被选中。由于单面双向测距的误差引入的时钟偏差(SS-TWR) [48,49)测量,DS-TWR添加另一轮通信SS-TWR补偿误差的基础上,介绍了通过两次沟通,提高测距精度。原理图所示2和公式所示 节点和节点B通信节点,节点和节点B之间的距离,的时间是无线脉冲信号在空中旅行,是光速,的总时间节点接收和发送脉冲在第一轮通信中,的等待时间节点B在第一轮沟通,所需的总时间节点B接收和发送脉冲在第二轮的沟通,然后呢的等待时间节点在第二轮沟通。
2.3。软件设计过程
软件是为了获取基站和移动台之间的距离和计算定位坐标,关键控制和数据管理,如图3。GUI允许调查人员阅读设备信息,计算数据统计和导出数据,便于数据处理和分析。软件的通用流图所示4,它分为三个阶段:准备,测量,和上传。在测量期间,树数量和相应的位置信息可以自动完成。
3所示。材料和方法
3.1。研究区域
测试地点选在这里是浙江大学和F,杭州,中国(30°15N, 119°43E),总共10圆块直径24米(总共371棵树)测量(一个圆半径为11.28米的情节通常是用于森林调查在中国南方;因此,我们半径设置为12米)。表面主要是被落叶覆盖在图1到6和密集的杂草在图7到10(表2)。
3.2。方法
3.2.1之上。测量过程设计
为了测试定位精度,引用数据用经纬仪测量用激光测距仪与设备测量的数据进行比较。使用的所有测量当地的东、北,(ENU表示)坐标系统。与激光测距仪和经纬仪的测量操作设备数据所示5和6,分别。波兰人B和C装置指向北部和东部的积极的一面 - - - - - -和 - - - - - -轴,分别。极是积极的 - - - - - -轴。设备测量过程如下。(1)基站是放置在圆的中心情节。根据陀螺仪数据,车站是调整到水平位置,然后极B是搬到北根据指南针的数据(2)情节ID被设置在移动站(3)我们把移动电台测量树木的位置(离地面1.3米),按下录音按钮,并记录位置数据。确保测量值接近参考价值,调查人员可以按平均键为多个采样。最后,平均值是自动计算的。实际的操作如图7(4)在情节测量树木的位置后,被上传到主机的数据进行统计分析
3.2.2。树的位置估计方法
之间的距离每个天线锚点在图所示8。
采取是积极的 - - - - - -轴,是积极的 - - - - - -轴,是积极的 - - - - - -轴的坐标点a e可以获得:
假设坐标 ,之间的距离每个锚点如下:
如图9(一个)在实际应用中,超宽频无线信号将会阻塞和经验周围环境的干扰,如树干、树枝、树叶,导致信号衰减(50,51),时间稍长一些的沟通;因此, , , , ,和值略大于实际值和不相交于一个共同的观点。实现精确定位和降低信号衰减对测距的影响,一些学者提出了利用三边测量和四边形定位相应的定位取决于接收信号强度指示(RSSI) [52,53]。
(一)
(b)
根据三边测量的原则(54,55和四边形本地化56),10套两两相交的领域可以从图发展9(一个)三角定位。把图9 (b)作为一个例子,在三个领域 , ,和成对交叉路口是三个平面(FGP1、臀部1,JKP1)。平面方程可以通过减去方程(3),(5)和(6在对):
此外,由于三个平面相交成双,三行 , ,和可以在方程(通过两两组合8)。三线相交于一点 ,的坐标 可以根据方程(8)。同样的,其他9个组合的坐标可以获得: , , , , , , , ,和 。树是根据二维坐标位置(33,57),的坐标 只需要获得定位树样图: 在哪里 等权重系数。
3.2.3。精度评价
树的参考价值也测量并转换为位置平面坐标系统。首先,胸径测量在1.3使用磁带。然后,一半的树胸径值被添加到引用和估计的平面坐标位置值 - - - - - -轴和 - - - - - -分别轴方向。根据方程(11),(12)和(13)、偏见、均方根误差(RMSE),和直线之间的距离误差估计的参考点 - - - - - -和 - - - - - -轴分别计算评价方法的准确性: 在哪里是测量值,是参考价值,和是th评估 - - - - - -轴和 - - - - - -轴,分别和是参考价值 - - - - - -轴和 - - - - - -轴,分别是测量的总数。
3.2.4。效率评价
评估的效率测量、传统和设备测量所需的时间记录下来。确保这两种方法在相同的顺序工作,树木被数前测量。使用经纬仪激光测距仪测量要求两人一组,一个人站在中间圆的正确操作与激光测距仪经纬仪然后记录圆心的距离和角度的阴谋(角度由于北)和其他持有测量标杆树的位置。测量完成后,记录在纸质表单的数据输入到计算机。当使用测量设备,等一个人执行和记录集成。
4所示。结果
4.1。位置精度测量
估计点之间的误差分布和比较结果和参考点所示的数据10和11,分别。统计上的坐标精度的结果 - - - - - -轴和 - - - - - -轴和统计结果的线性估计点和参考点之间的距离误差如表所示3和4,分别。结果表明,偏见,RMSE,和总偏差 - - - - - -和 - - - - - -轴是-8.05 - 4.46厘米和-1.22厘米到9.34厘米,20.79 - 37.33厘米,21.09 - 34.80厘米,分别为-3.94和3.36厘米(表3)。Ed的平均值为36.13厘米,最大Ed是82.73厘米,最小Ed是1.03厘米,标准差为16.67厘米(表4)。的Ed范围估计点的参考点飞机是0厘米到83厘米(图10)。系统误差估计之间的观察每个样地的价值和参考价值,虽然总误差很小(图11)。样本块均值Ed值从1到6和7到10是36.55厘米和36.78厘米,分别表明测量样图的斜率无显著影响的位置。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
4.2。位置测量效率
这两种方法的测量时间如表所示5。结果表明,平均测量时间分别为22.37和69.76年代使用设备和传统方法,分别。测量效率可以增加逾3倍使用该方法。
5。讨论
树的位置测量是一个重要的任务在森林资源调查中。近年来,大量的树已报告位置的设备和方法。的Haglof Postex®激光,类似于发达的设备,使用超声波位置测量解决方案,但超声短测量范围和不适合大样本块的测量。此外,该设备是不便宜11]。Oveland et al。18)提出了一个定位方案在相对恶劣的环境中使用一个移动的地面激光扫描仪和GNSS。然而,由于冠下GNSS信号的严重衰减,这个方案不适合精确的树定位;此外,设备也昂贵。Gollob et al。30.)位于树干位置用地面激光扫描仪;然而,数据处理复杂,设备难以携带,因此不适合广泛应用在林业。风扇等。33]估计树位置使用RGB-D智能手机结合同步定位和映射(大满贯)算法,结果表明上的偏见 - - - - - -和 - - - - - -轴是相同的(-0.12到0.13米),而rms是0.09米到0.17米和0.07米到0.17米,分别。虽然这个方法有很高的定位精度,它非常容易受到周围环境的影响,需要专业训练来处理复杂的点云处理。我们的设备只使用RSSI算法和五角定位算法,可以运行在STC15(8位)微处理器(价格在1美元)和在时间和空间复杂度低得多。
在这项研究中,我们设计了一个树定位装置使用超宽频传感器(成本约为250美元)。测试评估的准确性,我们选择10圆直径24米的情节进行我们的实验。结果表明, - - - - - -和 - - - - - -轴有偏见的-8.05 - 4.46厘米和-1.22厘米到9.34厘米,分别。的均方根 - - - - - -和 - - - - - -轴是20.79到37.33厘米,21.09 - 34.80厘米,分别(表3)。平均误差(Ed)和标准偏差的估计点和参考点之间的距离分别为36.13和16.67厘米,分别(表4)。的测量效率,传统的方法需要两个人完成工作和数据需要手动记录。然而,该设备可以由一个人操作,配备相应的主机电脑软件,集成数据测量、记录和上传。平均倍所需的传统方法,提出设备69.76和22.37年代,分别(表5)。该设备可以准确定位树,测量效率可以提高了三倍以上。
虽然提出了设备准确位于树,存在着巨大的改进。例如,两个锚点之间的最大距离是2米,这就排除了设备的部署在样本块站密度高。注意,使用设备测量树的位置可能会影响到环境。与边坡相比,林分密度(图更具影响力12和表2)。在未来的研究中,我们将保证定位精度,减少基站的大小,进行更深层次的研究在各种复杂的示例环境识别方法,可以提高定位精度,减少情节环境对测距的影响。
(一)
(b)
6。结论
本文报告一种新型装置,利用超宽频传感器技术来定位树。它有一个精致的机械结构和基于三边测量和四边形本地化。一个五边形的定位算法精确定位构造树。通过主机计算机软件,执行数据测量、记录、上传的集成,提高了测量效率比传统方法三倍多。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是为浙江省科技项目资助(2018 c02013)和浙江省新幼苗人才项目(2020 r412045)。