基于激光测距的树高测量方法研究
基于激光测距的树高测量方法研究
作者:闫伟;马岩
在林业生产、科研、教学以及森林调查中,往往需要在不伐倒树木的情况下测量其高度。立木高度的测量一直是测量工作的重点和难点,早期的测量仪器测量精度低且测量较繁琐,不能满足林业上测量树高的精度要求。本研究将激光测距仪技术应用到树高测量仪器中,省去许多繁琐的测量和计算过程,从而大大提高了森林调查的效率。
1 激光测距原理及其精度计算
1.1 激光测距原理
激光测距仪一般采用脉冲或相位两种方式来测量距离。相位式激光测距仪是利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算出此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。相位式激光测距仪一般应用在比较精密的测距中。为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,通常对这种测距仪都配置“合作目标反射镜”。目前推出的手持式激光测距仪属于新型的脉冲式激光测距仪,其不仅体积小、质量轻,还采用了数字测相脉冲展宽细分技术,无需合作目标即可达到毫米级精度,测程已经超过 100m,且能快速准确地直接显示测量结果。
本文采用的脉冲激光测距原理。扫描仪的发射器通过激光发射单元内的激光二极管向目标发射近红外波长的激光束。激光经目标物体的漫反射后有部分反射信号被接收器接收。通过计算信号在仪器和目标物体表面的往返时间,计算出仪器和目标物体间的距离。
1.2 激光测量树高原理
激光测量树高原理将仪器置于距被测树木一定距离处,该处应便于观测树根和树梢。首先用望远镜观测激光束将其对准树根,这时所得距离 L2 为我们需要的第一个参数;向上转动仪器,用望远镜观测激光束对准树梢处时,仪器转过的角度 a 为我们所需要的第二个参数;保持角度 a 不变,测量此时 A 点到 B 点的距离 L1,这是我们所需要的第三个参数。
这种方法测量树高时,不论地势是起伏还是平坦都不会影响测量的结果,而且计算参数的获取方法简单、快捷。式中:H 是树高;L1 是测量点到树梢的距离;L2 是测量点到树根的距离;a 是仪器从树根到树梢所转过的角度。用上述方法实际测量树高 H 过程中,测量距离 L1(测量点到树梢的距离)时,树木的茂密枝叶会阻挡激光束,因此测得的数值并不是真实的 L1 值,测量结果存在误差。我们将上述方法改进后得到的测量方法如图 3所示。将仪器置于距被测树木一定距离的 A 点,为了准确测得树高,我们需要测量四个参数,即测量 A 点到 B点的距离 L2;测量点到树干的水平距离 L0;激光束处于AB 和 AC 位置时,分别与水平位置的夹角为 a1、a2。
1.3 精度计算
对树高计算进行内、外附和精度计算,从而得出总精度。
2 基于激光测距的树高测量过程
本文采用激光测树仪测量树高,其不需要其他辅助工具(如皮尺)即可直接测得树高的值,测量过程如下。
(1)任选一地点,该地点应能同时看见树梢与树根。地点可以是斜坡面,也可以是平坦路面;激光束的水平光线应通过树干。
(2)测量测距仪到树根的距离 AB。将仪器发出的激光束对准树根的位置,测得 AB 距离 L2。
(3)旋转测距仪使其激光束至水平,测量其转过的角度 a1,保持此位置不变,测量测距仪至树干的水平距离 L0。
(4)继续转动测距仪使其激光束至树梢的位置,此时我们不测量仪器至树梢的距离,而是测量此位置仪器相对水平位置的倾斜度,即夹角 a2。
完成以上步骤后,即可通过仪器的计算得出树高的值,该值直接显示在仪器的显示屏上。
3 小 结
激光测距有着悠久的历史,然而将激光用于测量树高才刚刚开始。传统的测树仪器在测量过程中缺点突出,其逐渐退出森林调查领域是必然趋势。本文提出的基于激光测距的树高测量方法将测距与测角功能集合在一台仪器上,大大节省了测量时间。该仪器体积小、质量轻、携带方便,而且测量结果可以直接在仪器上读出, 是继传统测量方法后出现的又一种新的测量方法。
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