测树与无人机造林装备设计和实验研究

发布时间：2020-05-12 22:29

【摘要】：随着现代林业的发展和精准林业、数字林业的提出与不断完善,森林资源调查、观测和造林进入了测量精准、装备智能的信息化时代。为适应现代化林业发展的需求,该文针对森林调查数字化、多功能、智能化的测树仪器、森林观测设备和无人机造林装备技术体系展开研究,形成一套由森林调查到科学造林再到精准观测和经营的完整森林精准经营装备体系。该文研制并构建了适用于森林资源调查的手持式树高和胸径测量装备硬件体系,分别研制了手持式精准立木树高测量装置与手持式高精度立木胸径测量设备,通过软件设计协同使用各测量装备,形成了更为精准高效的森林资源调查作业装备体系,实现了森林调查的树高和胸径精准测量,提高了森林资源调查外业和内业效率,测量精度满足国家森林资源调查的标准。该文针对林分样地三维观测设备和方法展开研究,设计和研制了手持式林分样地三维摄影观测设备,并以手持式林分样地三维摄影观测设备为基础,对多种不同类型的林分样地展开三维观测实验。文章针对不同类型的林分样地三维摄影观测提出了 U型观测方法、交叉U型观测方法、螺旋仿航线摄影方法、阿基米德螺线摄影方法等。经过实验验证,螺旋仿航线摄影方法仅使用171张相片即可成功观测500m2以上的矩形林分样地,三维观测作业效率高,点云密度较高,胸径截面处点云数据仅存在少量的噪点。该方法不受观测面积大小的限制,可以和航空摄影方法一样对地面林分样地进行大规模的三维观测。阿基米德螺线摄影方法对圆形样地摄影观测效果良好,能够克服在观测时因拍摄角度遇到的杂草、枝叶、树干等遮挡问题,具有较高的抗干扰能力,更适合复杂环境的天然林观测,同时具备更高密度的点云观测效果和更少的点云噪点。该文利用无人机技术、机械技术、计算机技术、电子信息技术等,研制了无人机精密造林装备系统,将现代无人机技术应用于林业造林中。该文研制的无人机机载造林装置具有良好的造林速度和稳定性,可以精准控制种子造林间距,并具有较好的可调节性,能够实现单点单株、单点多株和航线连续造林等多种造林模式,经实验验证利用GNSS RTK无人机定位系统造林种子偏离航线平均绝对误差为7.6cm,精度较高,无人机精密造林装备系统可以适用于多种造林任务。该文针对测树和造林装备的研究,构建了森林资源调查与观测的装备技术体系和无人机精密造林装备系统,对森林资源调查、检测、管理和经营有较大现实意义。该文研制的调查和观测装备可为无人机造林决策提供精准而有效的数据支撑。该文研制的仪器设备,能够提高森林资源调查、监测和造林作业的工作效率,研制的主要装备技术和方法对提高当前我国森林资源调查与监测技术水平、降低野外劳动强度和林业生产成本具有重要意义,可以满足不同尺度、不同精度和不同成本预算的森林资源调查与造林作业需求,对森林资源信息快速高效的获取和精准造林具有指导和借鉴意义。
【图文】：

流程图,嵌入式程序,流程图

￣￣｜逦电源邋｜逦逦＾逡逑图２－ｌ（ａ）硬件设计图逦图２－ｌ（ｂ）试验样机逡逑图２－１硬件设计和试验样机图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｈａｒｄｗａｒｅ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ａｎｄ邋ｔｅｓｔ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑２．１．２软件设计逡逑２．１．２．１胸径测量设备软件设计逡逑手持式高精度立木胸径测量设备嵌入式软件程序在Ａｒｄｎｉｎｏ邋１ＤＥ邋１．７．８开发环境逡逑下编程设计，利用基于Ｃ＋＋编程语言的Ａｒｄｕｉｎｏ语法编写嵌入式代码，设备嵌入式代逡逑码采用模块化程序结构设计，主要包括立木胸径测量的主程序模块，按键控制程序模逡逑块，时间控制程序模块，校准与归零点设置程序模块等，最终集成为完整的嵌入式胸逡逑径测量设备软件，逐一实现立木胸径测量功能，，按键操作和控制功能，定时与计时功逡逑能和测量设备校准等功能。如图２－２所示嵌入式程序流程图。逡逑

胸径,拉伸长度,钢丝,电压信号

钢丝拉伸长度产生的，即胸径传感器通过钢丝拉伸长度不同输出不同的电压信号值，逡逑胸径传感器钢丝的拉伸长度信息与电压信号是线性关系，再通过智能芯片计算和处理逡逑后可得到精准的树木胸径测量值，本文设计研制的胸径传感器原理如图２－３所示。逡逑１６逡逑
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S757.2

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