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測量森林蓄積參數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)、步進電機(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(8)，外殼前端有鏡頭、后端有顯示屏(10)，外殼側面有USB接口和SD卡接口，支架頂部有水平校準器(2)；測樹電路包括單片機電路(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)和穩壓電路(G)。用本裝置測定森林蓄積參數，為非接觸測量，效率高，勞動強度低，還能提供垂直方向的遙感信息。
【專利說明】測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置
【【技術領域】】
[0001]本發明屬于一種激光傳感器與計算機技術結合的森林斷面積、密度和蓄積參數的測量掃描儀器。
【【背景技術】】
[0002]森林蓄積參數的測定，公知公用的角規測量方法雖然勞動強度大、效率不高，但角規原理仍然保持了它的技術優勢。角規在過去半個多世紀經歷了多次改進，但基本原理仍然未變。
[0003]對于區域森林蓄積量、生物量的估計，一般采用地面抽樣或遙感的方法進行。遙感方法也需要地面調查數據配合建模。地面調查方法主要有樣地調查和角規調查兩種。前者需要對每株樹進行測量，工作量大、耗時長。后者用角規繞測，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查信息仍然是森林資源監測中亟待解決的問題。
[0004]為此，結合角規原理和新的激光傳感器，設計一種配套的測量森林蓄積參數的自動化裝置，顯得十分必要。所設計的裝置力求操作簡單、高效、勞動強度低，通過在選定地點自動環繞掃描獲取林木的株數、平均胸徑、胸高斷面積、密度、空間坐標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查信息內容，大大縮短了信息獲取時間；由于其能獲得森林立木垂直面的掃描信息，用于配合航天、航空遙感信息進行生態環境與森林狀況監測，無疑具有重大的現實意義。對此，經檢索和市場調查，尚未發現有相關的資料報道和儀器面市。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明需要解決的技術問題是針對森林資源監測應用需求，利用激光傳感器和單片機相結合的技術，設計一套能對森林進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的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置。
[0006] 解決上述技術問題采用如下技術方案:
[0007]本測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，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，外殼內部安裝有電池供電組件、帶鏡頭的激光測樹傳感器、步進電機和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，外殼前端有鏡頭、后端有顯示屏，外殼側面有USB接口和SD卡接口，支架頂部有水平校準器；測樹電路部分包括單片機電路、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接口電路和穩壓電路。
[0008]所述的單片機電路內部各單元的連接關系是: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Yl的兩端連接，14號引腳接復位電路的二極管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部各元件的連接關系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進，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號引腳串聯電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
[0010]所述的功能按鍵電路內部各元件的連接關系是:按鍵S701與C701并聯然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯，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部各元件的連接關系是:S伏電源串聯LED燈，串聯限流電阻R602和三極管V601并接地。
[0012]所述的SD卡接口電路內部各元件的連接關系是: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IOk電阻接+3.3v電源。
[0013]所述的USB接口電路內部各元件的連接關系是:CPU的USB發送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯后，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]所述的穩壓電路內部各元件的連接關系是:穩壓芯片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，穩壓芯片1117-33即U2_3輸入引腳Vin接第一組穩壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩壓芯片1117-33輸出引腳Vout得3.3V電壓輸出，步進電機電源線正端接12V穩壓電源LM7812輸出端vout，負端通過MOS管V201接地。
[0015]本發明的有益效果是:采用本裝置能實現非接觸方式測量森林蓄積參數，提高效率，降低勞動強度，同時提供傳統森林調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為本裝置結構示意圖。
[0017]圖2為本裝置部分硬件與電路結構框圖。
[0018]圖3為本裝置的單片機電路結構圖。
[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為本裝置的穩壓電路圖。
[0025]圖10為本裝置的系統流程示意圖。
[0026]圖11為樹干掃描識別示意圖。[0027]圖12為角規結構示意圖。
[0028]圖13為角規測樹原理示意圖。
【【具體實施方式】】
[0029]本發明下面結合實施例并參照附圖予以進一步詳述:
[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、步進電機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8，外殼前端有鏡頭6、后端有顯示屏10，外殼側面有USB接口 3和SD卡接口 4，支架頂部有水平校準器2 ;測樹電路部分包括單片機電路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和穩壓電路G。
[0031]所述的單片機電路A內部各單元的連接關系是: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Yl的兩端連接，NRST (14號引腳)接復位電路的二極管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內部各元件的連接關系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進，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號引腳串聯電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
[0033]所述的功能按鍵電路C內部各元件的連接關系是:按鍵S701與C701并聯然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯，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內部各元件的連接關系是:5伏電源串聯LED燈，串聯限流電阻R602和三極管V601并接地。
[0035]所述的SD卡接口電路E內部各元件的連接關系是: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IOk電阻接+3.3v電源。
[0036]所述的USB接口電路F內部各元件的連接關系是:CPU的USB發送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯后，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]所述的穩壓電路G內部各元件的連接關系是:穩壓芯片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，穩壓芯片1117-33 (U2_3)輸入引腳Vin接第一組穩壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩壓芯片1117-33輸出引腳Vout得
3.3V輸出，步進電機電源線正端接12V穩壓電源LM7812輸出端vout，負端通過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技術有限公司生產的DMA-50型激光測距傳感器，其余支架、步進電機、水平校正器等均可市售獲得。
[0039]用本裝置進行測量的方法按如下步驟進行:
[0040](I)掃描林分:在森林中，通過調整三腳架(1)，將本裝置調至1.3米高度，再調整水平校正器(2)將該裝置調至水平，將激光鏡頭瞄準方向復位到起始位置后開始360度環繞掃描，得到周圍所有樹木與本裝置中心點之間的距離；
[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，C為樹干中心點，裝置的測距傳感器勻速步進，其相鄰兩個掃描點之間的夾角《相等，即ZEOG =Z GOC2 = Z C2OH = Z HOF = Co , Co由步進電機轉速和激光掃描速率確定；
[0042]以OE和OF之間的平分線OC為斜邊構成的直角三角形EOC和COF相等，有Z EOF





=a , Z EOC = Z COF = a /2，設 R = 0C，R' = OE = OF,則樹木胸徑
【權利要求】
1.一種測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，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)、步進電機(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(8)，外殼前端有鏡頭(6)、后端有顯示屏(10)、外殼側面有USB接口(3)和SD卡接口(4)，支架頂部有水平校準器(2);測樹電路部分包括單片機電路(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)和穩壓電路(G)。
2.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的單片機電路㈧內部各單元的連接關系是: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Yl的兩端連接，14號引腳接在復位電路的二極管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.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的信號接收電路⑶內部各元件的連接關系是:信號從接口芯片MAX485的引腳A和引腳B引進，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號引腳串聯電阻R309后接CPU的U485_RX引腳。
4.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的功能按鍵電路(C)內部各元件的連接關系是:按鍵S701與C701并聯然后通過電阻R701接3.3伏電源，二極管D701與電阻R701并聯，按健S702和按鍵S703的電路連接與S701相同。`
5.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的信號燈顯示電路⑶內部各元件的連接關系是:5伏電源串聯LED燈，串聯限流電阻R602和三極管V601并接地。
6.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的SD卡接口電路(E)內部各元件的連接關系是=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IOk電阻接+3.3v電源。
7.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的USB接口電路(F)內部各元件的連接關系是:CPU的USB發送引腳USBD+和接收引腳USBD-分別與電阻R501和R502串聯后，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.如權利要求1所述的測量森林蓄積參數激光全景掃描裝置，其特征是所述的穩壓電路(G)內部各元件的連接關系是:穩壓芯片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，穩壓芯片1117-33即U2_3輸入引腳Vin接第一組穩壓芯片MC7805T的+5V輸出引腳Vout，穩壓芯片1117-33輸出引腳Vout得3.3V電壓輸出，步進電機電源線正端接12V穩壓電源LM7812輸出端vout，負端通過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 優先權日:2013年11月29日
【發明者】張茂震, 何衛安 申請人:浙江農林大學