测量森林蓄积参数激光全景扫描装置制造方法
【专利摘要】一种测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，硬件有激光全景扫描器的外壳(5)、外壳下方的支架(1)，外壳内部安装有电池供电组件(12)、带镜头的激光测树传感器(11)、步进电机(13)和PCB集成电路板(14)，外壳顶部有功能选择按键(9)、信号指示灯(7)和开关(8)，外壳前端有镜头、后端有显示屏(10)，外壳侧面有USB接口和SD卡接口，支架顶部有水平校准器(2)；测树电路包括单片机电路(A)、信号接收电路(B)、功能按键电路(C)、信号灯显示电路(D)、SD卡接口电路(E)、USB接口电路(F)和稳压电路(G)。用本装置测定森林蓄积参数，为非接触测量，效率高，劳动强度低，还能提供垂直方向的遥感信息。
【专利说明】测量森林蓄积参数激光全景扫描装置
【【技术领域】】
[0001]本发明属于一种激光传感器与计算机技术结合的森林断面积、密度和蓄积参数的测量扫描仪器。
【【背景技术】】
[0002]森林蓄积参数的测定，公知公用的角规测量方法虽然劳动强度大、效率不高，但角规原理仍然保持了它的技术优势。角规在过去半个多世纪经历了多次改进，但基本原理仍然未变。
[0003]对于区域森林蓄积量、生物量的估计，一般采用地面抽样或遥感的方法进行。遥感方法也需要地面调查数据配合建模。地面调查方法主要有样地调查和角规调查两种。前者需要对每株树进行测量，工作量大、耗时长。后者用角规绕测，工作量大幅度减少，但得到的信息单一，只有单位面积胸高断面积。如何高效获取地面调查信息仍然是森林资源监测中亟待解决的问题。
[0004]为此，结合角规原理和新的激光传感器，设计一种配套的测量森林蓄积参数的自动化装置，显得十分必要。所设计的装置力求操作简单、高效、劳动强度低，通过在选定地点自动环绕扫描获取林木的株数、平均胸径、胸高断面积、密度、空间坐标和不同高度的森林植被覆盖率等多种森林特征信息，极大地丰富了森林调查信息内容，大大缩短了信息获取时间；由于其能获得森林立木垂直面的扫描信息，用于配合航天、航空遥感信息进行生态环境与森林状况监测，无疑具有重大的现实意义。对此，经检索和市场调查，尚未发现有相关的资料报道和仪器面市。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明需要解决的技术问题是针对森林资源监测应用需求，利用激光传感器和单片机相结合的技术，设计一套能对森林进行扫描并能输出森林密度、单位面积胸高断面积、平均胸径等森林蓄积参数的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置。
[0006] 解决上述技术问题采用如下技术方案:
[0007]本测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，包括硬件与测树电路两大部分，硬件为激光全景扫描器的外壳、外壳下方的支架，外壳内部安装有电池供电组件、带镜头的激光测树传感器、步进电机和PCB集成电路板，外壳顶部有功能选择按键、信号指示灯和开关，外壳前端有镜头、后端有显示屏，外壳侧面有USB接口和SD卡接口，支架顶部有水平校准器；测树电路部分包括单片机电路、信号接收电路、功能按键电路、信号灯显示电路、SD卡接口电路、USB接口电路和稳压电路。
[0008]所述的单片机电路内部各单元的连接关系是:控制芯片STM32F10X，50号引脚、75号引脚、100号引脚、28号引脚和11号引脚均与+3.3伏电源连接，12号引脚和13号引脚分别与8M外部晶振系统Yl的两端连接，14号引脚接复位电路的二极管Dl与电容C105之间，72号引脚、76号引脚、77号引脚、89号引脚、90号引脚和14号引脚分别接程序下载接口JPl 的 8、10、6、5、4 和 3 号脚。
[0009]所述的信号接收电路内部各元件的连接关系是:信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX485的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦E303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚。
[0010]所述的功能按键电路内部各元件的连接关系是:按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按键S702和按键S703的电路连接与S701相同。
[0011]所述的信号灯显示电路内部各元件的连接关系是:S伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地。
[0012]所述的SD卡接口电路内部各元件的连接关系是:CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联IOk电阻接+3.3v电源。
[0013]所述的USB接口电路内部各元件的连接关系是:CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的1、3号引脚分别接USB接 口 P5的2、3号引脚。
[0014]所述的稳压电路内部各元件的连接关系是:稳压芯片MC7805T即U2_l输入引脚Vin接+12V电源，输出引脚Vout得到第一组+5V电压输出，稳压芯片1117-50即U2_2输入弓丨脚Vin接+12V电源，输出引脚Vout得到第二组+5V电压输出，稳压芯片1117-33即U2_3输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得3.3V电压输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。
[0015]本发明的有益效果是:采用本装置能实现非接触方式测量森林蓄积参数，提高效率，降低劳动强度，同时提供传统森林调查不能提供的垂直方向遥感信息。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0016]图1为本装置结构示意图。
[0017]图2为本装置部分硬件与电路结构框图。
[0018]图3为本装置的单片机电路结构图。
[0019]图4为本装置的信号接收电路图。
[0020]图5为本装置的功能按键电路图。
[0021]图6为本装置的信号灯显示电路图。
[0022]图7为本装置的SD接口电路图。
[0023]图8为本装置的USB接口电路图。
[0024]图9为本装置的稳压电路图。
[0025]图10为本装置的系统流程示意图。
[0026]图11为树干扫描识别示意图。[0027]图12为角规结构示意图。
[0028]图13为角规测树原理示意图。
【【具体实施方式】】
[0029]本发明下面结合实施例并参照附图予以进一步详述:
[0030]本装置包括硬件与测树电路两大部分，硬件为激光全景扫描器的外壳5、外壳下方的支架1，外壳内部安装有电池供电组件12、带镜头的激光测树传感器11、步进电机13和PCB集成电路板14，外壳顶部有功能选择按键9、信号指示灯7和开关8，外壳前端有镜头6、后端有显示屏10，外壳侧面有USB接口 3和SD卡接口 4，支架顶部有水平校准器2 ;测树电路部分包括单片机电路A、信号接收电路B、功能按键电路C、信号灯显示电路D、SD卡接口电路E、USB接口电路F和稳压电路G。
[0031]所述的单片机电路A内部各单元的连接关系是:控制芯片STM32F10X，VDD_1(50号引脚)、VDD_2 (75号引脚)、VDD_3 (100号引脚)、VDD_4 (28号引脚)和VDD_5 (I I号引脚)均与+3.3伏电源连接，0SC_IN(12号引脚)和0SC_0UT(13号引脚)分别与SM外部晶振系统Yl的两端连接，NRST (14号引脚)接复位电路的二极管Dl与电容C105之间，PA13(72号引脚)、PA14(76号引脚)、PA15(77号引脚)、PB3(89号引脚)、PB4(90号引脚)和NRST (14号引脚)分别接程序下载接口 JPl的8、10、6、5、4和3号脚。
[0032]所述的信号接收电路B内部各元件的连接关系是:信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX4 85的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦E303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚。
[0033]所述的功能按键电路C内部各元件的连接关系是:按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按键S702和按键S703的电路连接与S701相同。
[0034]所述的信号灯显示电路D内部各元件的连接关系是:5伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地。
[0035]所述的SD卡接口电路E内部各元件的连接关系是:CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联IOk电阻接+3.3v电源。
[0036]所述的USB接口电路F内部各元件的连接关系是:CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的
1、3号引脚分别接USB接口 P5的2、3号引脚。
[0037]所述的稳压电路G内部各元件的连接关系是:稳压芯片MC7805T(U2_1)输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第一组+5V输出，稳压芯片1117-50 (U2_2)输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第二组+5V输出，稳压芯片1117-33 (U2_3)输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得
3.3V输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。
[0038]本装置带镜头的激光测树传感器为深圳市精测瑞科工业技术有限公司生产的DMA-50型激光测距传感器，其余支架、步进电机、水平校正器等均可市售获得。
[0039]用本装置进行测量的方法按如下步骤进行:
[0040](I)扫描林分:在森林中，通过调整三脚架(1)，将本装置调至1.3米高度，再调整水平校正器(2)将该装置调至水平，将激光镜头瞄准方向复位到起始位置后开始360度环绕扫描，得到周围所有树木与本装置中心点之间的距离；
[0041](2)获取胸径:逐一扫描每一株树，参见图11、图13，定0为本装置中心点，C为树干中心点，装置的测距传感器匀速步进，其相邻两个扫描点之间的夹角《相等，即ZEOG =Z GOC2 = Z C2OH = Z HOF = Co , Co由步进电机转速和激光扫描速率确定；
[0042]以OE和OF之间的平分线OC为斜边构成的直角三角形EOC和COF相等，有Z EOF
=a , Z EOC = Z COF = a /2，设 R = 0C，R' = OE = OF,则树木胸径
【权利要求】
1.一种测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，包括硬件与测树电路两大部分，其特征是硬件为激光全景扫描器的外壳(5)、外壳下方的支架(1)，外壳内部安装有电池供电组件(12)、带镜头的激光测树传感器(11)、步进电机(13)和PCB集成电路板(14)，外壳顶部有功能选择按键(9)、信号指示灯(7)和开关(8)，外壳前端有镜头(6)、后端有显示屏(10)、外壳侧面有USB接口(3)和SD卡接口(4)，支架顶部有水平校准器(2);测树电路部分包括单片机电路(A)、信号接收电路(B)、功能按键电路(C)、信号灯显示电路(D)、SD卡接口电路(E)、USB接口电路(F)和稳压电路(G)。
2.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的单片机电路㈧内部各单元的连接关系是:控制芯片STM32F10X，50号引脚、75号引脚、100号引脚、28号引脚和11号引脚均与+3.3伏电源连接，12号引脚和13号引脚分别与SM外部晶振系统Yl的两端连接，14号引脚接在复位电路的二极管Dl与电容C105之间，72号引脚、76号引脚、77号引脚、89号引脚、90号引脚和14号引脚分别接程序下载接口 JPl的8、10、6、5、4和3号脚。
3.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的信号接收电路⑶内部各元件的连接关系是:信号从接口芯片MAX485的引脚A和引脚B引进，MAX485的引脚RE与DE连接，然后再与光耦E301的3号引脚连接、MAX485的引脚DI接光耦E302的4号引脚，MAX485的引脚RO接光耦F303的2号引脚，其中E301的2号引脚接CPU的U485_EN引脚，E302的2号引脚接CPU的U485_TX引脚，E303的4号引脚串联电阻R309后接CPU的U485_RX引脚。
4.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的功能按键电路(C)内部各元件的连接关系是:按键S701与C701并联然后通过电阻R701接3.3伏电源，二极管D701与电阻R701并联，按健S702和按键S703的电路连接与S701相同。`
5.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的信号灯显示电路⑶内部各元件的连接关系是:5伏电源串联LED灯，串联限流电阻R602和三极管V601并接地。
6.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的SD卡接口电路(E)内部各元件的连接关系是=CPU的PC8、PC9、PC10、PClU PC12和PD2引脚分别与接口芯片U4的7、8、9、1、5和2连接，每组信号线通过串联IOk电阻接+3.3v电源。
7.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的USB接口电路(F)内部各元件的连接关系是:CPU的USB发送引脚USBD+和接收引脚USBD-分别与电阻R501和R502串联后，分别接入芯片U5的4号脚和6号脚，CPU的USBEN引脚连接Q501的2号引脚，Q501通过电阻R504连接U5的4号引脚，芯片U5的1、3号引脚分别接USB接口 P5的2、3号引脚。
8.如权利要求1所述的测量森林蓄积参数激光全景扫描装置，其特征是所述的稳压电路(G)内部各元件的连接关系是:稳压芯片MC7805T，即U2_l输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第一组+5V电压输出，稳压芯片1117-50即U2_2输入引脚Vin接+12伏电源，输出引脚Vout得到第二组+5V电压输出，稳压芯片1117-33即U2_3输入引脚Vin接第一组稳压芯片MC7805T的+5V输出引脚Vout，稳压芯片1117-33输出引脚Vout得3.3V电压输出，步进电机电源线正端接12V稳压电源LM7812输出端vout，负端通过MOS管V201接地。
【文档编号】G01C11/00GK103616015SQ201310633098
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】张茂震, 何卫安 申请人:浙江农林大学