２０１８年８月第４期

林业资源管理

ＦＯＲＥＳＴＲＥＳＯＵＲＣＥＳＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＡｕｇｕｓｔ２０１８Ｎｏ４

单木材积内外业一体化测量系统的研究与探索

蒋君志伟１，冯仲科１，岳德鹏１，王　勇２，王德金２，高林琴３，武鹏飞２，冯　建２

（１北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京１０００８３；２辽阳市林业局，辽宁 辽阳１１１０００；３山西桑干河省级自然保

护区管理局，山西 大同 ０３７００６）

摘要：以测树学、图像处理技术和传感器技术原理为理论基础，研发了一种单木材积内外业一体化测量系统。系

统由便携式测树超站仪和内置自主开发的数据后处理程序组成，测量时通过获取方位角、倾角及单木 影像信息

等参数，结合数据后处理程序进行单木材积计算生成结果，实现了便携式测树超站仪内外业一体化的构想。对

系统的测量精度进行了验证，结果显示，该系统平均精度高达９４４％，能较好地满足单木材积测量的要求，可以解决部分林区因调查难度高无法测量材积的问题。此外，该系统便捷且高效，是单木材积测量精准化与智能

化的有益尝试。

关键词：数据采集和处理；内外业一体化；便携式测树超站仪；材积测量；单木材积

中图分类号：Ｓ７５８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２－６６２２（２０１８）０４－０１３３－０８ＤＯＩ：１０．１３４６６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｌｙｚｙｇｌ．２０１８．０４．０２１

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＳｔａｎｄｉｎｇＴｒｅｅＶｏｌｕｍｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ＪＩＡＮＧＪｕｎｚｈｉｗｅｉ１，ＦＥＮＧＺｈｏｎｇｋｅ１，ＹＵＥＤｅｐｅｎｇ１，ＷＡＮＧＹｏｎｇ２，ＷＡＮＧＤｅｊｉｎ２，ＧＡＯＬｉｎｑｉｎ３，ＷＵＰｅｎｇｆｅｉ２，ＦＥＮＧＪｉａｎ２

（１ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＦｏｒｅｓｔｒｙＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｅｉｊｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＦｏｒｅｓｔｒｙＢｕｒｅａｕｏｆＬｉａｏｙａｎｇ，Ｌｉａｏｙａｎｇ

１１１０００，Ｃｈｉｎａ；３ＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＮａｔｕｒｅＲｅｓｅｒｖｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕｏｆＳｈａｎｘｉＳａｎｇｇａｎＲｉｖｅｒ，Ｄａｔｏｎｇ０３７００６，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｓａｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄａｎｄｉｎｄｏｏｒｗｏｒｋｓｙｓｔｅｍｏｎｖｏｌｕｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆｆｏｒｅｓｔｍｅｎｓｕｒａｔｉｏｎ，ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆａｐｏｒｔａｂｌｅｓｕｐｅｒｓｔａｔｉｏｎａｎｄｓｅｌｆｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍＴｈｅａｚｉｍｕｔｈａｎｇｌｅｓ，ｄｉｐａｎｇｌｅｓａｎｄｓｔａｎｄｉｎｇｔｒｅｅｉｍａｇｅｓａｒｅａｃｑｕｉｒｅｄｄｕｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｈｏｓｅｄａｔａｃａｎｂｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｔｏｔｈｅｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｓｔａｎｄｉｎｇｔｒｅｅｖｏｌｕｍｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｓａｖｅｄ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｖｉｓｉｏｎｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｎａｌａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｗｏｒｋＴｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓ９４４％，ａｎｄｉｔｃａｎｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｓｏｍｅｆｏｒｅｓｔａｒｅａｓＴｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈｉｓａｂｅｎｅｆｉｃｉａｌａｔｔｅｍｐｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｏｆｖｏｌｕｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄａｎｄｉｎｄｏｏｒｗｏｒｋ，ｐｏｒｔａｂｌｅｓｕｐｅｒｓｔａｔｉｏｎ，ｖｏｌｕｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｓｔａｎｄｉｎｇｔｒｅｅｖｏｌｕｍｅ

收稿日期：２０１８－０３－２６；修回日期：２０１８－０６－０１基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ１７１０１２３）；北京市自然科学基金项目（Ｚ１６０００１）作者简介：蒋君志伟（１９９２－），男，甘肃兰州人，在读硕士，主要从事３Ｓ技术集成与开发。Ｅｍａｉｌ：ｊｕｎｚｈｉｗｅｉｊｉａｎｇ＠ｑｑｃｏｍ通讯作者：冯仲科（１９６２－），男，甘肃灵台人，教授，博导，主要从事森林计量学和精准林业研究。

Ｅｍａｉｌ：ｆｅｎｇｚｈｏｎｇｋｅ＠１２６ｃｏｍ

林业资源管理 第４期　

０　引言林木的精准计测是森林经营中的重要部分［１］。

传统获取材积的方式是对树木进行伐倒解析，对森

林造成的损伤巨大，且操作费时劳力，在当今生态

文明为主导的大环境下，各种传感技术和与精密的

测量仪器已经在森林精准计测中应用。但由于林

地条件复杂，林业调查工作面临着诸多问题，因此

研发一种材积测量系统，具有提高外业数据采集效

率、减轻内业劳动强度等现实意义［２］。

随着科技产业快速发展和智能终端精度提高，精

准化和智能化的林木观测装备仪器已成为森林资源

调查的主要手段［３］。测量系统的进步是与野外实践

经验和系统原理完善的过程有着密不可分的关系［４］。

２０世纪后，国内外渐渐涌现出了一批测树仪器，例如：巴尔斯特劳测树仪［５］、光学测树仪，此外高密度激

光雷达可以生成三维点云，以精确计算单木的材

积［６－７］。但这些技术往往因为实验价格昂贵，技术手

段复杂，无法满足复杂林地测量需求等因素，仍然无

法替代传统的野外数据采集工作［８］。用机载激光扫

描的测量值通过回归模型来估算材积［９］，工作量大、

过程繁琐，无法应用于实际生产工作中。为了满足我

国森林资源调查仪器的新需求，国内也开始重视相关

的研究，研发了许多森林计测装备。北京林业大学冯

仲科等［１０－１４］研发了用于无损立木材积测量的测树电

子经纬仪、测树全站仪等系列装备进行森林计测；赵

芳等［１６］在树冠遮挡情况下用全站仪对树木树高和材

积进行测量，并验证分析其精度；徐伟恒等［１５］在任意

处树干直径处测量树高以及部分林分结构参数，并研

制了数字化多功能的手持式电子测树枪；邱梓轩

等［１７］研发了能测量树高、胸径和计算材积的森林智

能测绘记算器，并对其精度进行了验证；闫飞凡［１８］等

研制了手机结合测距仪，能够实现原木检尺的方法

功。目前，最新研制的森林资源调查设备虽然解

决了功能单一、便携性差等问题，但仍然存在造价

成本过高、测量操作复杂、内业工作耗时等问题，

使其在具体的生产实践中难以广泛应用。这为新

的方法研制指明了方向，因此为了实现对单木高

精度无损材积测量，并实现数据的实时解算和结

果生成，以避免离开测量现场后发现问题数据重

新补测的麻烦，研发一种集外业数据采集和内业

处理系统成为必然发展趋势。

随着智能手机成本下降和性能的提升，以及内

置传感器精度提高，本研究结合林业调查工作的实

际需求，以测树学、图像处理技术和传感器技术为

理论基础，结合 ＧｒｅｅｎＤＡＯ，ＪＸＬＡＰＩ和 ＢＬＥＡＰＩ等标准与接口服务，利用电子罗盘、霍尔传感器等电

子元件进行硬件集成，基于便携式测树超站仪结合

Ａｎｄｒｏｉｄ系统后处理程序实现单木材积内外业一体化测量系统，以解决以往材积测量的不足。

１　系统环境与设计１１　系统软硬件环境

该系统以 ＡｎｄｒｏｉｄＳｔｕｄｉｏ３３２为开发平台，以Ｊａｖａ为主要的编程语言，将影像数据存储到嵌入式数据库中，开发基于便携式测树超站仪的单木材积

内外业一体化测量系统。便携式测树超站仪的硬

件由ＰＤＡ模块、红外激光测距模块和可调节式云台组成。ＰＤＡ模块是将６４位８核处理器、千万级像素摄像头、ＧＰＳ芯片、触控显示屏、霍尔传感器、ＢＬＥ芯片、电子罗盘、光学防抖镜望远镜头等高度集成。

红外激光测距模块包括激光发射器、功能按键等元

件，必要时可单独拆卸下来独立作业，最大测量距

离为１００ｍ。ＰＤＡ模块、红外激光测距模块集成于可调节式碳纤维云台，从而组成了轻量便携的测树

装备，如图１所示。

图１　便携式测树超站仪示意图Ｆｉｇ１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｏｒｔａｂｌｅｓｕｐｅｒｓｔａｔｉｏｎ

４３１

　第４期 蒋君志伟等：单木材积内外业一体化测量系统的研究与探索

１２　系统总体结构设计本系统采用多层级结构设计模式，自上到下分

为３层，分别是用户应用层、数据处理层和数据提取层。层级间相互独立承担任务来接触耦合性，系统

结构如图２所示。用户应用层承担着与使用者交互的任务，用户在本层的界面上对系统进行直接操

作，实现数据管理、坐标获取和转化、拍摄照片、图

像提取，数据处理、保存、导出等操作。数据处理层

关联起用户应用层和数据提取层，进行数据解码操

作的预处理。数据提取层负责提取生成的数据并

递交上层处理，系统采取用户生成和本地库获取并

存的形式，遍历本地数据库读取文件获取，或将用

户输入信息存入缓存读取。

图２　系统结构图Ｆｉｇ２Ｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

２　关键技术与系统功能２１　功能模块

单木材积内外业一体化测量系统总体目标是

实现单木信息的采集、录入与存储，实现对单木进

行摄影测量并解算其材积，同时直接储存数据并生

成相应文档，系统的功能模块设置应满足如下目标：

１）基于多层级结构设计，降低系统耦合性、增加扩展性以及系统开发效率；

２）基于便携式测树超站仪，集多种观测设备功能于一体，实现单人对材积测量的定向操作；

３）基于 ＧｒｅｅｎＤＡＯ，ＪＸＬＡＰＩ和 ＢＬＥＡＰＩ技术对系统进行搭建配置，以建立标准化开发模式，为

内业数据的稳定性与流通性提供保障。

该系统旨在对传统的材积测量方式进行改进，

考虑到内外业的一体化，将野外观测记录工作与内

业数据处理有效整合，从而实现单木材积测量外业

与内业的无缝对接，减轻工作强度，提高数据处理

速度，最终提高整体工作效率。本系统主要是利用

单片摄影测量对树木材积进行计算和对数据的存

储和展示。因此，将该系统分为６个功能模块，分别为单木摄影测量（拍摄照片、图像预处理和图片分

析）、数据后处理程序（数据导入、材积计算和数据

存储）、ＧＰＳ模块（坐标转换和ＧＰＳ测定）、扩展模块（距离测量、倾角测量）、管理模块（文件搜索管理、

图片列表管理和文件列表管理）、系统设置（数据导

出和ＢＬＥ链接），系统功能模块如图３所示。

图３　系统功能模块图Ｆｉｇ３Ｓｙｓｔｅｍｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓ

５３１

林业资源管理 第４期　

２２　关键技术ＧｒｅｅｎＤＡＯ是一种 Ａｎｄｒｏｉｄ系统的对象关系映

射，不仅降低了开发成本，还消弱对下游数据库依

赖。即便是受众最广体型最小的嵌入式 ＳＱＬｉｔｅ也无法做到快速响应任务，且过程繁琐耗时。通过将

Ｊａｖａ对象映射到数据库表，ｇｒｅｅｎＤＡＯ将这些对象从中解放出来，通过这种提供大量灵活通用接口方

式，可在多个场景建立基于对象的增删改查等工

作。与其他对象关系映射相比，ｇｒｅｅｎＤＡＯ具有：１）加载速度快，可使用其实现高速吞吐海量数据；２）支持加密，避免重要信息外泄，为信息提供屏障，凭

权限访问任何设定文件；３）空间占用率低，其核心库的大小不到１００ｋ，添加时不损害ＡＰＫ大小。

ＢＬＥＡＰＩ是为智能终端与其他设备传输信息的一种无线蓝牙通讯技术，不同于传统 Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ模式，ＢＬＥ的重要特点是功耗较低、应用范围较小和待机时间长，使得程序可完成对其他设备的搜索、

查询与数据读取等服务。通过该技术可以实现系

统内部不同模块的数据传输。

ＪＸＬＡＰＩ是一种成熟的开源 ＡＰＩ，可应用于 Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统来开发对电子表格的使用，能够读取生成历代格式和版本，虽然还没有更新ｘｍｌ兼容版，但已经能应对文字等基本场景并支持格式化定制。支持开

发人员动态读取、写入和修改Ｅｘｃｅｌ电子表格。目前，开发者不仅可以简单读取Ｅｘｃｅｌ电子表格，还能使用ＡＰＩ修改它们，并将更改写入任何输出流，例如磁盘、ＨＴＴＰ、数据库或任何套接字。任何可以运行Ｊａｖａ虚拟机的操作系统都可以处理和交付Ｅｘｃｅｌ电子表格。可以将存储的数据以表格形式显示在仪器屏幕上，也能

将数据导入其他终端来管理，或挂载在任何信息管理

软件上。信息数据库数据表格生成是内外业一体化的

关键技术之一，现场即时查看结果数据，比对数据是否

合理，随时随地可执行增删改查的操作。

３　材积测量的基本原理３１　单木材积的求算模型

测量具体过程如图４所示，自动获取立木胸径的边缘后，系统自动提取分界线与矩形识别区域的

中心线的交点，然后以此两点作为图像所获取像素

坐标值，将纠正后的两个像素坐标值进行计算，获

取待测胸径所对应的像素值 Ｎ。本系统借助红外激光测距模块获取距离 Ｌ，通过 ＢＬＥ连接传输至ＰＤＡ模块，通过图像识别处理技术计算出胸径数据，具体计算公式是：

Ｄ＝Ｎ×Ｌｆ （１）

式中：Ｄ为掌上超站仪测量胸高处待测直径；Ｎ即掌上超站仪显示的像素数；Ｌ是掌上超站仪测量中心到胸径处的间距；ｍ，ｆ是经过限制修改过的摄像头焦距。

图４　测径示意图Ｆｉｇ４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

系统测径的具体操作流程为：选择视野通透、

树冠可见的测点，架设便携式测树超站仪，进入程

序初始化界面后，用十字丝竖线对准树干中部，近

水平正直摄影的方式获取单张影像，用数据后处理

程序对影像信息畸变进行纠正处理，并获取照片上

关键像素点坐标。之后，获取测站至树木胸径处的

距离，结合胸径处标定线像素值和镜头焦距自动计

算出胸径，地径测量原理和胸径测量一致，单木影

像采集界面如图５所示。结合分段求积法的测定原理，根据树干形状变

化的特点，将整棵树的各部分近似看成几何体，树

干划分为若干不等长的分段，树冠部分以下各部分

视为圆台，树冠部分视为圆锥体，通过圆锥和台柱

计算公式分别求算每个部分材积，最后，将各段体

积进行累加，得到整棵单木材积，具体算法如下：

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　第４期 蒋君志伟等：单木材积内外业一体化测量系统的研究与探索

图５　单木影像采集界面Ｆｉｇ５Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

Ｖ＝∑ｎ－２

ｉ＝１

π１２Ｄ

２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋

( )１ ×ｈｉ＋

π４Ｄ

２ｎ－１ Ｈ－∑

ｎ－２

ｉ＝１ｈ( )ｉ （２）

式中：Ｖ表示立木材积；Ｄｉ和 Ｄｉ＋１分别为从立木地径开始依次向上测量的直径；Ｈ为树高；ｈｉ为分段区间ｉ～（ｉ＋１）段的高度；Ｄｎ－１为所测量无遮挡最高处的直径。

图６　单木材积模型图Ｆｉｇ６Ｍｏｄｅｌｏｆｓｔａｎｄｉｎｇｔｒｅｅｖｏｌｕｍｅ

　　系统测量单木材积的具体操作流程为：对单木的影像进行分段标定线处理后，获取树干各处直径

像素值，结合已经测得的胸径值和地径值，推算出

各处直径值和树高，再通过公式（２）计算无遮挡条件下的立木材积。

图７　材积解算界面Ｆｉｇ７Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｖｏｌｕｍｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

系统生成材积数据、单木影像数据和其他测量

参数后，系统按条目将数据以文件形式保存在数据

库，并可对其进行查看、修改、删除等操作，也可利

用ＪＸＬ技术以电子表格形式导出数据，实现内外业一体化、无缝对接协同作业，界面如图８所示。３２　测量误差对材积计算的精度影响

用便携式测树超站仪进行立木的材积测量时，误

差是不可避免的，必然会影响计算精度，对于立木材

积测量，可以应用误差传播定律进行误差分析。单木

材积的解算模型公式２替换为：

Ｖ＝∑ｎ－２

ｉ＝１Ｖｉ＋Ｖｎ－１

Ｖｉ＝π１２Ｄ

２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋

( )１ ×ｈｉ

Ｖｎ－１ ＝π４Ｄ

２ｎ－１ Ｈ－∑

ｎ－２

ｉ＝１ｈ( )ｉ （３）

７３１

林业资源管理 第４期　

图８　结果信息列表界面Ｆｉｇ８Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｒｅｓｕｌｔｌｉｓｔ

对Ｖｉ取对数，再进行全微分运算后得：

１ＶｉｄＶｉ＝

１ｈｉｄｈｉ＋

２Ｄｉ＋Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋１ｄＤｉ＋

Ｄｉ＋２Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋１ｄＤｉ＋１ （４）

由误差传播定律得：

δＶｉＶ( )ｉ

２

＝ １ｈｉ

２Ｄｉ＋Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋１

Ｄｉ＋２Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋

[ ]１

δｈｉ２ δｈｉＤｉ δｈｉＤｉ＋１

δＤｉｈｉ δＤｉ２ δＤｉＤｉ＋１

δＤｉ＋１ｈｉ δＤｉ＋１Ｄｉ δＤｉ＋１

２

１ｈｉ

２Ｄｉ＋Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋１

Ｄｉ＋２Ｄｉ＋１Ｄ２ｉ＋ＤｉＤｉ＋１＋Ｄ

２ｉ＋

１

（５）

式中：δＶｉ为测量立木的第ｉ段的中误差；δｈｉ２为

ｈｉ的方差，δＤｉ２，δＤｉ＋１

２为任意处立木的直径；δｈｉＤｉ，

δｈｉＤｉ＋１，δＤｉＤｉ＋１为段高和直径的协方差。

对Ｖｎ－１取对数，经全微分整理得：１Ｖｎ－１ｄＶｎ－１ ＝

１Ｈ－Ｈｎ－２

ｄＨ－Ｈｎ－( )２ ＋

２Ｄｎ－１ｄＤｎ－１

（６）

由误差传播定律得：

δＶｎ－１Ｖｎ－

( )１

２

＝ １Ｈ

２Ｄｎ－[ ]

１

δＨ２ δＨＤｎ－１

δＤｎ－１Ｈ δＤｎ－１[ ]２

１Ｈ２Ｄｎ－

１

（７）对所有结果进行开平方并求和，可得到所测立

木材积相对误差为：

δＶＶ ＝∑

ｎ－１

ｉ＝１

δＶｉＶｉ

（８）

式中：δＶ为测量立木材积的中误差；δＶｉ为测量立木的第ｉ段的中误差。

４　实验验证与分析为验证单木材积内外业一体化测量系统适用

性与精确性，在辽宁省辽阳市、山西平朔生态恢复

区和福建三明市将乐县展开试验。在林区选取不

同立地条件的多个样地对材积进行测量试验，树种

包括樟子松、油松、落叶松、垂柳等，选择实验目标

树木要具有代表性，树高要在 ５ｍ以上，胸径要在５ｃｍ以上。在两个相互垂直方向选择观测点对每个待测木进行２次观测，最后取平均值作为测量值。采用南方测绘 ＮＴＳ－３７２Ｒ型全站仪和便携式测树超站仪进行单木材积测量试验，由于全站仪无损测

量树木的理论精度均远高于林业调查的精度要

求［１９］，因此，将全站仪获取的实测数据作为参考值，

与便携式测树超站仪所测的数据进行比较。

根据相对误差计算公式：ＥＨ ＝Ｖ－

Ａ－Ｖ－

Ｅ

Ｖ－

Ｅ

（式

中，Ｖ－

Ａ为便携式测树超站仪测量数据的平均值，单

位ｍ；Ｖ－

Ｅ为全站仪测量数据的平均值，单位 ｍ；ＥＨ为相对误差，单位％）为计算各对比试验测量结果的相对误差，便携式测树超站仪材积测量功能对比

试验及误差分析结果如表１所示。通过试验结果表明，在１０００组测量数据随机

选取的６０组测量数据中，平均相对误差为５６％，便携式测树超站仪的平均精度为９４４％，可以满足林业调查的精度需求。

８３１

　第４期 蒋君志伟等：单木材积内外业一体化测量系统的研究与探索

表１　单木材积测量试验及误差分析结果Ｔａｂ１Ｔｅｓｔａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔａｎｄｉｎｇｔｒｅｅｖｏｌｕｍｅ

树木

编号树种

树高

／ｍ便携式

材积／ｍ３全站仪

材积／ｍ３相对误差／％材积

１ 樟子松 １１６ ００７３９ ００７２４ ２０７２ 樟子松 １１７ ００８９ ００９６５ ７７７３ 樟子松 １２８ ００９７２ ００９８６ １４２４ 樟子松 １２２ ０１１１５ ０１１１１ ０３６５ 樟子松 １２３ ０１３６２ ０１３４１ １５７６ 樟子松 ４９ ００２５３ ００２２３ １３４５７ 油松 １４１ ０３５２５ ０３５６６ １１５８ 油松 １５６ ０８３７４ ０８２６６ １３１９ 油松 １０８ ０１５３２ ０１６０１ ４３１１０ 油松 ９２ ０２５７４ ０２６１３ １４９… … … … … …

５６ 红松 １６０ ０１０３７ ０１１２１ ７４９５７ 红松 ２５５ ０３５３８ ０３５６ ０６２５８ 红松 １９４ ０１５０８ ０１５８８ ５０４５９ 红松 ９４ ００２２１ ００２４９ １１２４６０ 红松 ６２ ０００９７ ０００８８ １０２３平均值 １７０ ０１８７７ ０１８９３ ５６

除了在材积测量精度外，两种方法的工作效率

也需要进行比较。为此，本文选取辽阳市一块固定

样地进行不同材积测量方式的对比试验。通常使

用全站仪测量材积的外业工作比较繁重，具体的工

作包括架设全站仪、整平、观测等，内业处理则包括

原始数据导入、数据转化、材积计算和统计等；而单

木材积内外业一体化测量系统的外业工作仅为样

木拍摄和标定，拍摄同时系统自动计算生成结果。

为此对样地内的１０棵树以两种测量方式进行实验，其测量时间对比结果如表２。

表２　不同材积测量方式的工作量对比Ｔａｂ２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｉｍｅｃｏｎｓｕｍｉｎｇｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｗａｙｓｉｎｖｏｌｕｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｉｎ　

测量方式 外业时间 内业时间 总时间 平均单木测量时间

全站仪　　　　 ５７ ２８ ８５ ８５

一体化测量系统 １６ ０ １３ １６

从表２中可以看出，在测量１０棵树的过程中，全站仪测量材积总时间消耗８５ｍｉｎ，平均每棵树的材积测量时间需要 ８５ｍｉｎ；而一体化测量系统用１６ｍｉｎ即可完成内外业工作，平均每棵树的材积测

量时间需要１６ｍｉｎ。因此，单木内外业一体化测量系统可以显著的提升测量工作效率。

５　结论与讨论本文基于便携式测树超站仪，研发内外业一体

化材积测量系统。该系统的数据以影像和数据库

的形式进行记录，可自动生成电子表格并导出。该

系统使用 Ｊａｖａ开发语言在 ＡｎｄｒｏｉｄＳｔｕｄｉｏ开发环境下利用以测树学、图像处理技术和传感器技术，从

而在外业进行单木影像信息提取的同时，传输至后

处理程序，进行数据解算，生成单木材积结果。该

系统解决了外业调查劳动强度大且内业处理数据

效率低的问题，实现了内外业一体化的构想。试验

结果表明，单木材积内外业一体化测量系统能较好

地满足单木材积测量的要求。

虽然，该系统可提高部分林区材积测量的效

率，但是在外业操作中，系统内置软件无法自动标

定树木边界，仍需要通过手动标定；且系统仅研发

单机操作版本，不能将数据上传云端存储，还需进

一步增加网络端交互，与其他仪器进行协同操作。

本文对单木材积内外业一体化测量系统进行了研

法与试验，为材积测量便携化、精准化、智能化、内

外业一体化提供新的思路与展望。

参考文献：

［１］孟宪宇．测树学［Ｍ］．中国林业出版社，２００６．

［２］冯仲科，赵春江，聂玉藻．精准林业：第二辑［Ｍ］．中国林业出版

社，２００２．

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林业资源管理 第４期　

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