一种林木资源调查勘测装置及其勘测方法与流程

本发明涉及森林林木资源调查领域，更具体地涉及一种基于激光测距、gps定位技术的调查勘测系统，主要用于林区树木资源统计勘察工作。

背景技术：

当前林业资源勘探工作中，在统计林区、保护区或山地树木资源时主要采用人工抽样和统计的计算方法来进行勘测统计，尤其是林间距、林木数量、直径等重要的资源参数主要依赖于抽样调查。这种方法统计准确率不高、效率低，更是无法准确确定树木的间离。针对这些问题，人们提出了多种方法，例如，借助卫星遥感获取林区影像资料，基于数学统计分析算法对影像资料进行分析，间接得到上述参数，或利用履带小车航拍图片，基于图形图像识别技术进行分析，或利用机载激光雷达在林区上空扫表，利用获得的点云数据进行分析统计。

上述方法或系统都属于间接分析法，通过间接的数学分析方法得到目标参数，和人工抽象统计没有本质上的区别，其特点是效率较高，但统计数据准确度不尽如人意，例如对植株数量统计准确率和实测有15％-20％的偏差率，并且无法获取详尽的植株间距数据，无法做到对林区林木资源的精确掌握。

鉴于此，本专利开发了一种用于准确统计勘察林区树木资源的调查勘测装置及其勘测方法，此系统以动力车为搭载平台，基于激光测距技术，可精确测定树木数量、树木位置和树木间距。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种能够精确确定林区数量、树间距的一种林木资源调查勘测装置及其勘测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种林木资源调查勘测装置，包括，激光测距装置，旋转平台，步进式电机，平衡台架，陀螺仪平衡仪，防护外壳，gps定位器，旋转扫描控制器，动力车以及电源模块。

所述激光测距装置用于测量所述激光测距装置与树木间距离；

激光测距装置固定在所述旋转平台的顶部；

所述步进式电机的输出端与所述旋转平台的底部固定连接；

所述步进式电机固定在所述平衡台架顶部；

所述平衡台架与所述陀螺仪平衡仪连接且设于所述陀螺仪平衡仪上方；

所述步进式电机固定在所述防护外壳内部，且所述步进式电机的输出端延伸出所述防护外壳；

所述gps定位器固定在所述防护外壳的内侧；

所述旋转扫描控制器与所述gps定位器，所述步进式电机，所述陀螺仪平衡仪，动力车以及所述激光测距装置通信连接；

所述陀螺仪平衡仪固定在所述动力车上，三轴陀螺仪平衡仪可实时测得搭载平台即动力车的倾角、运动速度、转向的参数；平衡台架的舵机配合陀螺仪平衡仪使用，将陀螺仪平衡仪测出的倾角等参数反馈给旋转扫描控制器，旋转扫描控制器发出补偿指令控制平衡台架的舵机转动，使平衡台架支杆伸缩，保证平衡台架始终处于水平状态，不受搭载平台即动力车的运动影响，始终保持初始设定的姿态，得到一个恒稳的局部坐标系。

本发明旋转扫描控制器利用脉冲电压控制步进电机的转动，同时控制激光测距装置发送和接受信号，使步进电机的转动和激光测距装置的收发协同配合工作。

所述电源模块位于所述防护外壳的内部且与所述激光测距装置，步进式电机，陀螺仪平衡仪，所述gps定位器，旋转扫描控制器以及动力车电连接。

本发明利用动力车携带上述设备对区域内的林木资源进行精确测定，本发明基于激光测距技术利用激光测距装置测量所述激光测距装置与树木间距离，系统自动运行，通过gps定位器以及陀螺仪平衡仪可以地点坐标系，植物地理坐标，可精确测定树木数量、树木位置和树木间距。

进一步的，所述动力车为全地形履带车。

进一步的，激光测距装置包括光源部，物镜组，光转发部以及受光部

所述光源部与所述电源模块电连接用于发射测距光；

所述物镜组包括由凸透镜构成的前片和正片以及由凹透镜构成的负片；

所述光转发部用于将所述测距光透过所述物镜组转发至测定目标；

所述受光部用于接收由所述测定目标反射并透过所述物镜组返回的测距光；

所述正片和负片的中心具有第一通孔。

进一步的，光转发部包括第一偏转部件、准直透镜和第二偏转部件；所述第一偏转部件位于所述光源部所在的光轴上并将所述光源部发射的测距光经所述准直透镜偏转至与所述物镜组同轴的第二偏转部件上，所述第二偏转部件将接收到的光经过所述第一通孔转发至所述测定目标；所述第一通孔的内径大于所述第二偏转部件的高度。

本发明采用的激光测距装置能够由第二偏转部件将接收到的光并非透过透镜，而是透过平面镜转发至测定目标，因此无需准直透镜来将第一偏转部件发射的测距光变为平行光。平面镜表面镀有增透膜，以减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。第二偏转部件透过平面镜向测定目标发射的测距光，与现有技术相比，少经过了三块透镜，且平面镜的厚度远小于前片，经平面镜后端面反射回来的光极其微弱，进而反射的光再通过漫射后能够进入受光部中形成干扰的光就更少了，从而减少了周期误差对测距精度的影响，本发明的激光测距装置精确度更高。

进一步的，还包括通信装置，所述通信装置固定在所述动力车的上部，所述通信装置与所述旋转扫描控制器通信连接。

进一步的，通信装置利用gprs、cdma、5g、wifi以及雷达中的任意一种方式进行通信。

进一步的，还包括储存装置，所述储存装置固定在所述防护外壳内侧面，所述储存装置与所述旋转扫描控制器通信连接。

本发明可以将数据通过通信装置发送到远程的处理设备上，用于对勘测的树木信息进行处理。

进一步的，还包括平衡台外壳，所述平衡台外壳为圆柱形弹性外壳，所述平衡台外壳套设于所述平衡台架以及陀螺仪平衡仪的外部，所述平衡台外壳一端与所述动力车可拆卸连接，另一端与所述防护外壳固定连接。

平衡台外壳能够对平衡台架以及陀螺仪平衡仪进行很好的防护作用，能够防止植物对平衡台架以及陀螺仪平衡仪造成破坏，影响平衡台架以及陀螺仪平衡仪的正常运行。

一种林木资源调查勘测方法，基于上述的一种林木资源调查勘测装置，包括以下调查勘测步骤：

1)动力车到达采集位置p点，gps定位器实时接收运载平台所处地理坐标(u,v,w)，陀螺仪平衡仪使平衡台保持平衡，旋转扫描控制器将p点的gps坐标信息，动力车行走距离，转向、速度参数储存于储存装置或通过通信装置传送回数据处理平台；

2)对待调查的森林样地进行数据采集，获取覆盖整个激光测距装置的最大有效测距范围d和林区植株的平均直径r；

3)激光测距装置转动α角，获取覆盖整个激光测距装置(1)的最大有效测距范围d和林区植株的平均直径r，完成360°扫描。

4)建立p点坐标系，将计算得到的有效数据坐标标识在p点坐标系中，形成植株分布位置图。

进一步的，所述步骤1)p坐标也可以是相对某个被精确标定过的gps坐标的相对坐标(x,y,z)，这个坐标可由陀螺仪平衡仪计算得到。

进一步的，所述步骤2)中α角为：sinα＝2r/d，旋转扫描控制器控制步进式电机以t1＝α/ω为周期，ω为步进电机转速，每转动α角，发射一次激光测距光线，并等待t2时长，等待接收回射信号，t＝t1+t2为周期，激光测距装置发收一次测距信号，完成一次探测，旋转扫描控制器记录下收发数据时间差△t，同时记录下步进电机转过的角度值α。

进一步的，所述步骤4)中动力车在p点停留△t时间，在此时间内激光测距装置在步进电机带动下完成360度旋转扫描，将扫描得到若干个收发数据时间差△t，及其对应的方位角度α，依据下述公式计算被测植株的相对坐标，此相对坐标原点为步进电机转轴中心点：

x＝△t*c*sinα/2

y＝△t*c*cosα/2

其中，c为光速。

本发明在测量过程中，每个停留点就是一个局部坐标系原点，对于相邻的两个停留点p1和p2，当运载平台停留在p1点时，在以p1为原点的坐标系内测得某棵植株的坐标为(x1,y1,z1)，当运载平台停留在p2点时，在以p2为原点的坐标系内测得某棵植株的坐标为(x2,y2,z2)；根据陀螺仪控制模块的行走距离和方位记录，可得到p1和p2的位置关系，利用此位置关系，可得到(x2,y2,z2)在p1为原点的坐标系内坐标为(x21,y21,z21)，如(x21,y21,z21)和(x1,y1,z1)完全相同，或差距很小，则表明植株(x2,y2,z2)就是植株(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)为重复扫描测得的数据，应舍去；以一系列停留点p1,p2,…pn为原点，建立一系列局部坐标系，将计算得到的有效数据坐标标识在图中，形成植株分布位置图。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明结构设计合理，方便使用且可以针对林业资源勘探通过激光测距技术，可精确测定树木数量、树木位置和树木间距，做到精准的统计。

2、本发明通过自动化程度高，可以自动运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明林木资源调查勘测装置的结构示意图；

图2为本发明林木资源调查勘测方法示意图；

图3为本发明林木资源调查勘测方法中α角确定示意图；

图4为本发明林木资源调查勘测方法中激光测距装置勘测示意图。

图中：1为激光测距装置，2为旋转平台，，3为步进式电机，4为平衡台架，5为陀螺仪平衡仪，6为防护外壳，7为gps定位器，8为旋转扫描控制器，9为动力车，10为电源模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种林木资源调查勘测装置，包括，激光测距装置1，旋转平台2，步进式电机3，平衡台架4，陀螺仪平衡仪5，防护外壳6，gps定位器7，旋转扫描控制器8，动力车9以及电源模块10，

激光测距装置1用于测量激光测距装置1与树木间距离；

激光测距装置1固定在旋转平台2的顶部；

步进式电机3的输出端与旋转平台2的底部固定连接；

步进式电机3固定在平衡台架4顶部；

平衡台架4与陀螺仪平衡仪5连接且设于陀螺仪平衡仪5上方；

步进式电机3固定在防护外壳6内部，且步进式电机3的输出端延伸出防护外壳6；

gps定位器6固定在防护外壳6的内侧；防护外壳6可以有效的保证gps定位器6，步进式电机3不被

旋转扫描控制器8与gps定位器7，步进式电机3，陀螺仪平衡仪5，动力车9以及激光测距装置1通信连接；

陀螺仪平衡仪5固定在动力车9上；三轴陀螺仪平衡仪5可实时测得搭载平台即动力车9的倾角、运动速度、转向的参数；平衡台架4的舵机配合陀螺仪平衡仪5使用，将陀螺仪平衡仪5测出的倾角等参数反馈给旋转扫描控制器8，旋转扫描控制器8发出补偿指令控制平衡台架4的舵机转动，使平衡台架4支杆伸缩，保证平衡台架4始终处于水平状态，不受搭载平台即动力车9的运动影响，始终保持初始设定的姿态，得到一个恒稳的局部坐标系。

本实施例旋转扫描控制器8利用脉冲电压控制步进电机3的转动，同时控制激光测距装置1发送和接受信号，使步进电机的转动3和激光测距装置1的收发协同配合工作。

电源模块10位于防护外壳6的内部且与激光测距装置1，步进式电机3，陀螺仪平衡仪5，gps定位器7，旋转扫描控制器8以及动力车9电连接。

在另一些实施例中，动力车9的动力也可以为可燃机，也可以采用单独的驱动电源，驱动电源设于动力车9的内部。

本实施例利用动力车携带上述设备对区域内的林木资源进行精确测定，本实施例基于激光测距技术利用激光测距装置1测量激光测距装置1与树木间距离，系统自动运行，通过gps定位器7以及陀螺仪平衡仪5可以地点坐标系，植物地理坐标，可精确测定树木数量、树木位置和树木间距。

本实施例中，激光测距装置1包括光源部，物镜组，光转发部以及受光部；

光源部与电源模块10电连接用于发射测距光；

物镜组包括由凸透镜构成的前片和正片以及由凹透镜构成的负片；

光转发部用于将测距光透过物镜组转发至测定目标；

受光部用于接收由测定目标反射并透过物镜组返回的测距光；

正片和负片的中心具有第一通孔。

光转发部包括第一偏转部件、准直透镜和第二偏转部件；第一偏转部件位于光源部所在的光轴上并将光源部发射的测距光经准直透镜偏转至与物镜组同轴的第二偏转部件上，第二偏转部件将接收到的光经过第一通孔转发至测定目标；第一通孔的内径大于第二偏转部件的高度。

本实施例中，采用的激光测距装置能够由第二偏转部件将接收到的光并非透过透镜，而是透过平面镜转发至测定目标，因此无需准直透镜来将第一偏转部件发射的测距光变为平行光。平面镜表面镀有增透膜，以减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。第二偏转部件透过平面镜向测定目标发射的测距光，与现有技术相比，少经过了三块透镜，且平面镜的厚度远小于前片，经平面镜后端面反射回来的光极其微弱，进而反射的光再通过漫射后能够进入受光部中形成干扰的光就更少了，从而减少了周期误差对测距精度的影响，本发明的激光测距装置精确度更高。

本实施例中，还包括通信装置，通信装置固定在动力车9的上部，通信装置与旋转扫描控制器8通信连接。

在另一些实施例中，通信装置利用gprs、cdma、5g、wifi以及雷达中的任意一种方式进行通信。

本实施例可以将数据通过通信装置发送到远程的处理设备上，用于对勘测的树木信息进行处理。

本实施例中，还包括储存装置，储存装置固定在防护外壳6内侧面，储存装置与旋转扫描控制器8通信连接。

本实施例中，还包括平衡台外壳，平衡台外壳为圆柱形弹性外壳，平衡台外壳套设于平衡台架4以及陀螺仪平衡仪5的外部，平衡台外壳一端与动力车9可拆卸连接，另一端与防护外壳6固定连接。

平衡台外壳能够对平衡台架4以及陀螺仪平衡仪5进行很好的防护作用，能够防止植物对平衡台架4以及陀螺仪平衡仪5造成破坏，影响平衡台架4以及陀螺仪平衡仪5的正常运行。

如图2所示：一种林木资源调查勘测方法，基于上述的一种林木资源调查勘测装置，包括以下调查勘测步骤：

1)动力车9到达采集位置p点，gps定位器7实时接收运载平台所处地理坐标u,v,w，陀螺仪平衡仪5使平衡台保持平衡，旋转扫描控制器8将p点的gps坐标信息，动力车9行走距离，转向、速度参数储存于储存装置或通过通信装置传送回数据处理平台；

2)对待调查的森林样地进行数据采集，获取覆盖整个激光测距装置1的最大有效测距范围d和林区植株的平均直径r；

3)激光测距装置1转动α角，获取覆盖整个激光测距装置1的最大有效测距范围d和林区植株的平均直径r，完成360°扫描。

4)建立p点坐标系，将计算得到的有效数据坐标标识在p点坐标系中，形成植株分布位置图。

其中，步骤1)中p坐标也可以是相对某个被精确标定过的gps坐标的相对坐标x,y,z，这个坐标可由陀螺仪平衡仪5计算得到。

其中，步骤2)中α角为：sinα＝2r/d，旋转扫描控制器8控制步进式电机3以t1＝α/ω为周期，ω为步进电机转速，每转动α角，发射一次激光测距光线，并等待t2时长，等待接收回射信号，t＝t1+t2为周期，激光测距装置发收一次测距信号，完成一次探测，旋转扫描控制器记录下收发数据时间差△t，同时记录下步进电机转过的角度值α。

具体的：α角的确定：α角取决于激光测距装置1的最大有效测距范围d和林区植株的平均直径r。如果d的值一定，α角太大，就会使相邻两次收发信号的间隔距离太大，导致很多植株被漏测；α角太小，就会使相邻两次收发信号的间隔距离太小，导致多次扫描激光信号总在一棵树干上，增加无效测量数据，给后期软件处理数据带来太多无效工作。

如3图所示：合适的α角同d和r存在如下关系：sinα＝2r/d。

据此可确定α角的值，将一个圆周360度等分成n＝360/α份；

如4图所示：旋转扫描控制器8控制步进电机3以t1＝α/ω为周期，ω为步进电机3的转速，每转动α角，停下来发射一次激光测距光线，并等待t2时长，等待接收回射信号，所以t＝t1+t2为周期，激光测距装置1发收一次测距信号，完成一次探测，旋转扫描控制器8中记录下收发数据时间差△t，同时记录下步进电机转过的角度值α，利用这两个值，计算出被测植株到车辆当前位置的距离和方位坐标。

其中，步骤4)中动力车9在p点停留△t时间，在此时间内激光测距装置在步进电机带动下完成360度旋转扫描，将扫描得到若干个收发数据时间差△t，及其对应的方位角度α，依据下述公式计算被测植株的相对坐标，此相对坐标原点为步进电机转轴中心点：

x＝△t*c*sinα/2

y＝△t*c*cosα/2

其中，c为光速。

在测量过程中，每个停留点就是一个局部坐标系原点，对于相邻的两个停留点p1和p2，当运载平台停留在p1点时，在以p1为原点的坐标系内测得某棵植株的坐标为(x1,y1,z1)，当运载平台停留在p2点时，在以p2为原点的坐标系内测得某棵植株的坐标为(x2,y2,z2)；根据陀螺仪控制模块的行走距离和方位记录，可得到p1和p2的位置关系，利用此位置关系，可得到(x2,y2,z2)在p1为原点的坐标系内坐标为(x21,y21,z21)，如(x21,y21,z21)和(x1,y1,z1)完全相同，或差距很小，则表明植株(x2,y2,z2)就是植株(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)为重复扫描测得的数据，应舍去；以一系列停留点p1,p2,…pn为原点，建立一系列局部坐标系，将计算得到的有效数据坐标标识在图中，形成植株分布位置图。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。