測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置制造方法
【專利摘要】一種測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，硬件有激光全景掃描器的外殼(5)、外殼下方的支架(1)，外殼內(nèi)部安裝有電池供電組件(12)、帶鏡頭的激光測樹傳感器(11)、步進(jìn)電機(jī)(13)和PCB集成電路板(14)，外殼頂部有功能選擇按鍵(9)、信號指示燈(7)和開關(guān)(8)，外殼前端有鏡頭、后端有顯示屏(10)，外殼側(cè)面有USB接口和SD卡接口，支架頂部有水平校準(zhǔn)器(2)；測樹電路包括單片機(jī)電路(A)、信號接收電路(B)、功能按鍵電路(C)、信號燈顯示電路(D)、SD卡接口電路(E)、USB接口電路(F)和穩(wěn)壓電路(G)。用本裝置測定森林蓄積參數(shù)，為非接觸測量，效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，還能提供垂直方向的遙感信息。
【專利說明】測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于一種激光傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的森林?jǐn)嗝娣e、密度和蓄積參數(shù)的測量掃描儀器。
【【背景技術(shù)】】
[0002]森林蓄積參數(shù)的測定，公知公用的角規(guī)測量方法雖然勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率不高，但角規(guī)原理仍然保持了它的技術(shù)優(yōu)勢。角規(guī)在過去半個(gè)多世紀(jì)經(jīng)歷了多次改進(jìn)，但基本原理仍然未變。
[0003]對于區(qū)域森林蓄積量、生物量的估計(jì)，一般采用地面抽樣或遙感的方法進(jìn)行。遙感方法也需要地面調(diào)查數(shù)據(jù)配合建模。地面調(diào)查方法主要有樣地調(diào)查和角規(guī)調(diào)查兩種。前者需要對每株樹進(jìn)行測量，工作量大、耗時(shí)長。后者用角規(guī)繞測，工作量大幅度減少，但得到的信息單一，只有單位面積胸高斷面積。如何高效獲取地面調(diào)查信息仍然是森林資源監(jiān)測中亟待解決的問題。
[0004]為此，結(jié)合角規(guī)原理和新的激光傳感器，設(shè)計(jì)一種配套的測量森林蓄積參數(shù)的自動(dòng)化裝置，顯得十分必要。所設(shè)計(jì)的裝置力求操作簡單、高效、勞動(dòng)強(qiáng)度低，通過在選定地點(diǎn)自動(dòng)環(huán)繞掃描獲取林木的株數(shù)、平均胸徑、胸高斷面積、密度、空間坐標(biāo)和不同高度的森林植被覆蓋率等多種森林特征信息，極大地豐富了森林調(diào)查信息內(nèi)容，大大縮短了信息獲取時(shí)間；由于其能獲得森林立木垂直面的掃描信息，用于配合航天、航空遙感信息進(jìn)行生態(tài)環(huán)境與森林狀況監(jiān)測，無疑具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。對此，經(jīng)檢索和市場調(diào)查，尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)的資料報(bào)道和儀器面市。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是針對森林資源監(jiān)測應(yīng)用需求，利用激光傳感器和單片機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)一套能對森林進(jìn)行掃描并能輸出森林密度、單位面積胸高斷面積、平均胸徑等森林蓄積參數(shù)的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置。
[0006] 解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，包括硬件與測樹電路兩大部分，硬件為激光全景掃描器的外殼、外殼下方的支架，外殼內(nèi)部安裝有電池供電組件、帶鏡頭的激光測樹傳感器、步進(jìn)電機(jī)和PCB集成電路板，外殼頂部有功能選擇按鍵、信號指示燈和開關(guān)，外殼前端有鏡頭、后端有顯示屏，外殼側(cè)面有USB接口和SD卡接口，支架頂部有水平校準(zhǔn)器；測樹電路部分包括單片機(jī)電路、信號接收電路、功能按鍵電路、信號燈顯示電路、SD卡接口電路、USB接口電路和穩(wěn)壓電路。
[0008]所述的單片機(jī)電路內(nèi)部各單元的連接關(guān)系是:控制芯片STM32F10X，50號引腳、75號引腳、100號引腳、28號引腳和11號引腳均與+3.3伏電源連接，12號引腳和13號引腳分別與8M外部晶振系統(tǒng)Yl的兩端連接，14號引腳接復(fù)位電路的二極管Dl與電容C105之間，72號引腳、76號引腳、77號引腳、89號引腳、90號引腳和14號引腳分別接程序下載接口JPl 的 8、10、6、5、4 和 3 號腳。
[0009]所述的信號接收電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進(jìn)，MAX485的引腳RE與DE連接，然后再與光耦E301的3號引腳連接、MAX485的引腳DI接光耦E302的4號引腳，MAX485的引腳RO接光耦E303的2號引腳，其中E301的2號引腳接CPU的U485_EN引腳，E302的2號引腳接CPU的U485_TX引腳，E303的4號引腳串聯(lián)電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
[0010]所述的功能按鍵電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:按鍵S701與C701并聯(lián)然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯(lián)，按鍵S702和按鍵S703的電路連接與S701相同。
[0011]所述的信號燈顯示電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:S伏電源串聯(lián)LED燈，串聯(lián)限流電阻R602和三極管V601并接地。
[0012]所述的SD卡接口電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引腳分別與接口芯片U4的7、8、9、1、5和2連接，每組信號線通過串聯(lián)IOk電阻接+3.3v電源。
[0013]所述的USB接口電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:CPU的USB發(fā)送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯(lián)后，分別接入芯片U5的4號腳和6號腳，CPU的USBEN引腳連接Q501的2號引腳，Q501通過電阻R504連接U5的4號引腳，芯片U5的1、3號引腳分別接USB接 口 P5的2、3號引腳。
[0014]所述的穩(wěn)壓電路內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:穩(wěn)壓芯片MC7805T即U2_l輸入引腳Vin接+12V電源，輸出引腳Vout得到第一組+5V電壓輸出，穩(wěn)壓芯片1117-50即U2_2輸入弓丨腳Vin接+12V電源，輸出引腳Vout得到第二組+5V電壓輸出，穩(wěn)壓芯片1117-33即U2_3輸入引腳Vin接第一組穩(wěn)壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩(wěn)壓芯片1117-33輸出引腳Vout得3.3V電壓輸出，步進(jìn)電機(jī)電源線正端接12V穩(wěn)壓電源LM7812輸出端vout，負(fù)端通過MOS管V201接地。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:采用本裝置能實(shí)現(xiàn)非接觸方式測量森林蓄積參數(shù)，提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提供傳統(tǒng)森林調(diào)查不能提供的垂直方向遙感信息。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0016]圖1為本裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本裝置部分硬件與電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖3為本裝置的單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4為本裝置的信號接收電路圖。
[0020]圖5為本裝置的功能按鍵電路圖。
[0021]圖6為本裝置的信號燈顯示電路圖。
[0022]圖7為本裝置的SD接口電路圖。
[0023]圖8為本裝置的USB接口電路圖。
[0024]圖9為本裝置的穩(wěn)壓電路圖。
[0025]圖10為本裝置的系統(tǒng)流程示意圖。
[0026]圖11為樹干掃描識別示意圖。[0027]圖12為角規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖13為角規(guī)測樹原理示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0029]本發(fā)明下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖予以進(jìn)一步詳述:
[0030]本裝置包括硬件與測樹電路兩大部分，硬件為激光全景掃描器的外殼5、外殼下方的支架1，外殼內(nèi)部安裝有電池供電組件12、帶鏡頭的激光測樹傳感器11、步進(jìn)電機(jī)13和PCB集成電路板14，外殼頂部有功能選擇按鍵9、信號指示燈7和開關(guān)8，外殼前端有鏡頭6、后端有顯示屏10，外殼側(cè)面有USB接口 3和SD卡接口 4，支架頂部有水平校準(zhǔn)器2 ;測樹電路部分包括單片機(jī)電路A、信號接收電路B、功能按鍵電路C、信號燈顯示電路D、SD卡接口電路E、USB接口電路F和穩(wěn)壓電路G。
[0031]所述的單片機(jī)電路A內(nèi)部各單元的連接關(guān)系是:控制芯片STM32F10X，VDD_1(50號引腳)、VDD_2 (75號引腳)、VDD_3 (100號引腳)、VDD_4 (28號引腳)和VDD_5 (I I號引腳)均與+3.3伏電源連接，0SC_IN(12號引腳)和0SC_0UT(13號引腳)分別與SM外部晶振系統(tǒng)Yl的兩端連接，NRST (14號引腳)接復(fù)位電路的二極管Dl與電容C105之間，PA13(72號引腳)、PA14(76號引腳)、PA15(77號引腳)、PB3(89號引腳)、PB4(90號引腳)和NRST (14號引腳)分別接程序下載接口 JPl的8、10、6、5、4和3號腳。
[0032]所述的信號接收電路B內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進(jìn)，MAX4 85的引腳RE與DE連接，然后再與光耦E301的3號引腳連接、MAX485的引腳DI接光耦E302的4號引腳，MAX485的引腳RO接光耦E303的2號引腳，其中E301的2號引腳接CPU的U485_EN引腳，E302的2號引腳接CPU的U485_TX引腳，E303的4號引腳串聯(lián)電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
[0033]所述的功能按鍵電路C內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:按鍵S701與C701并聯(lián)然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯(lián)，按鍵S702和按鍵S703的電路連接與S701相同。
[0034]所述的信號燈顯示電路D內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:5伏電源串聯(lián)LED燈，串聯(lián)限流電阻R602和三極管V601并接地。
[0035]所述的SD卡接口電路E內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:CPU的PC8、PC9、PC10、PC11、PC12和PD2引腳分別與接口芯片U4的7、8、9、1、5和2連接，每組信號線通過串聯(lián)IOk電阻接+3.3v電源。
[0036]所述的USB接口電路F內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:CPU的USB發(fā)送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯(lián)后，分別接入芯片U5的4號腳和6號腳，CPU的USBEN引腳連接Q501的2號引腳，Q501通過電阻R504連接U5的4號引腳，芯片U5的
1、3號引腳分別接USB接口 P5的2、3號引腳。
[0037]所述的穩(wěn)壓電路G內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:穩(wěn)壓芯片MC7805T(U2_1)輸入引腳Vin接+12伏電源，輸出引腳Vout得到第一組+5V輸出，穩(wěn)壓芯片1117-50 (U2_2)輸入引腳Vin接+12伏電源，輸出引腳Vout得到第二組+5V輸出，穩(wěn)壓芯片1117-33 (U2_3)輸入引腳Vin接第一組穩(wěn)壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩(wěn)壓芯片1117-33輸出引腳Vout得
3.3V輸出，步進(jìn)電機(jī)電源線正端接12V穩(wěn)壓電源LM7812輸出端vout，負(fù)端通過MOS管V201接地。
[0038]本裝置帶鏡頭的激光測樹傳感器為深圳市精測瑞科工業(yè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DMA-50型激光測距傳感器，其余支架、步進(jìn)電機(jī)、水平校正器等均可市售獲得。
[0039]用本裝置進(jìn)行測量的方法按如下步驟進(jìn)行:
[0040](I)掃描林分:在森林中，通過調(diào)整三腳架(1)，將本裝置調(diào)至1.3米高度，再調(diào)整水平校正器(2)將該裝置調(diào)至水平，將激光鏡頭瞄準(zhǔn)方向復(fù)位到起始位置后開始360度環(huán)繞掃描，得到周圍所有樹木與本裝置中心點(diǎn)之間的距離；
[0041](2)獲取胸徑:逐一掃描每一株樹，參見圖11、圖13，定0為本裝置中心點(diǎn)，C為樹干中心點(diǎn)，裝置的測距傳感器勻速步進(jìn)，其相鄰兩個(gè)掃描點(diǎn)之間的夾角《相等，即ZEOG =Z GOC2 = Z C2OH = Z HOF = Co , Co由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和激光掃描速率確定；
[0042]以O(shè)E和OF之間的平分線OC為斜邊構(gòu)成的直角三角形EOC和COF相等，有Z EOF





=a , Z EOC = Z COF = a /2，設(shè) R = 0C，R' = OE = OF,則樹木胸徑
【權(quán)利要求】
1.一種測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，包括硬件與測樹電路兩大部分，其特征是硬件為激光全景掃描器的外殼(5)、外殼下方的支架(1)，外殼內(nèi)部安裝有電池供電組件(12)、帶鏡頭的激光測樹傳感器(11)、步進(jìn)電機(jī)(13)和PCB集成電路板(14)，外殼頂部有功能選擇按鍵(9)、信號指示燈(7)和開關(guān)(8)，外殼前端有鏡頭(6)、后端有顯示屏(10)、外殼側(cè)面有USB接口(3)和SD卡接口(4)，支架頂部有水平校準(zhǔn)器(2);測樹電路部分包括單片機(jī)電路(A)、信號接收電路(B)、功能按鍵電路(C)、信號燈顯示電路(D)、SD卡接口電路(E)、USB接口電路(F)和穩(wěn)壓電路(G)。
2.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的單片機(jī)電路㈧內(nèi)部各單元的連接關(guān)系是:控制芯片STM32F10X，50號引腳、75號引腳、100號引腳、28號引腳和11號引腳均與+3.3伏電源連接，12號引腳和13號引腳分別與SM外部晶振系統(tǒng)Yl的兩端連接，14號引腳接在復(fù)位電路的二極管Dl與電容C105之間，72號引腳、76號引腳、77號引腳、89號引腳、90號引腳和14號引腳分別接程序下載接口 JPl的8、10、6、5、4和3號腳。
3.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的信號接收電路⑶內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進(jìn)，MAX485的引腳RE與DE連接，然后再與光耦E301的3號引腳連接、MAX485的引腳DI接光耦E302的4號引腳，MAX485的引腳RO接光耦F303的2號引腳，其中E301的2號引腳接CPU的U485_EN引腳，E302的2號引腳接CPU的U485_TX引腳，E303的4號引腳串聯(lián)電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
4.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的功能按鍵電路(C)內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:按鍵S701與C701并聯(lián)然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯(lián)，按健S702和按鍵S703的電路連接與S701相同。`
5.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的信號燈顯示電路⑶內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:5伏電源串聯(lián)LED燈，串聯(lián)限流電阻R602和三極管V601并接地。
6.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的SD卡接口電路(E)內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是=CPU的PC8、PC9、PC10、PClU PC12和PD2引腳分別與接口芯片U4的7、8、9、1、5和2連接，每組信號線通過串聯(lián)IOk電阻接+3.3v電源。
7.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的USB接口電路(F)內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:CPU的USB發(fā)送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯(lián)后，分別接入芯片U5的4號腳和6號腳，CPU的USBEN引腳連接Q501的2號引腳，Q501通過電阻R504連接U5的4號引腳，芯片U5的1、3號引腳分別接USB接口 P5的2、3號引腳。
8.如權(quán)利要求1所述的測量森林蓄積參數(shù)激光全景掃描裝置，其特征是所述的穩(wěn)壓電路(G)內(nèi)部各元件的連接關(guān)系是:穩(wěn)壓芯片MC7805T，即U2_l輸入引腳Vin接+12伏電源，輸出引腳Vout得到第一組+5V電壓輸出，穩(wěn)壓芯片1117-50即U2_2輸入引腳Vin接+12伏電源，輸出引腳Vout得到第二組+5V電壓輸出，穩(wěn)壓芯片1117-33即U2_3輸入引腳Vin接第一組穩(wěn)壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩(wěn)壓芯片1117-33輸出引腳Vout得3.3V電壓輸出，步進(jìn)電機(jī)電源線正端接12V穩(wěn)壓電源LM7812輸出端vout，負(fù)端通過MOS管V201接地。
【文檔編號】G01C11/00GK103616015SQ201310633098
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】張茂震, 何衛(wèi)安 申請人:浙江農(nóng)林大學(xué)