CN109099856A - 一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法及系统。方法包括：获取树冠在地面的投影点；获取胸径处树干中心点；根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角；计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；根据各所述投影点的坐标点确定所述树冠投影图的面积。采用本发明的方法或系统能够快速、准确、高效地测量树冠投影形状与面积。

Description

一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法及系统

技术领域

本发明涉及树冠投影领域，特别是涉及一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法及系统。

背景技术

树冠大小反映了树木的生长空间与竞争能力，树冠投影是树冠大小、形状与面积的直接反映，是林业与生态中的一个常用指标。散生树树冠通常近似为圆形或椭圆形，测量较为容易。在森林中，由于树种、生长环境的差异，以及临近树木的竞争挤压，使得树冠形状千差万别，精确的测量树冠是一项繁杂费时的工作。树冠投影的测量有直接量距法、全站仪测量法、激光点云法、高分辨率遥感影像法几种，但目前的测量方法在成本、精度、可操作性与测量效率等方面存在较多问题，一般地，成本低的方法操作简单但精度低，精度高的方法成本高且操作复杂。

直接量距法：测量树冠投影，通常是3人一组，1人站于树干位置、1人站于树冠边缘投影处，通过钢尺或卷尺测量水平距离，另一人记录并绘出树冠投影图。不能同时测量角度，通常依靠经验判断，角度误差大。测距时通过目视测尺是否水平来获得水平距离，判断主观性大，难以保证为水平距离，在坡地上测量时更为困难。需要多人同时工作，也不建立坐标系统，通常在坐标纸上绘图。测量与绘图费工、费时且精度难以保证。

全站仪测量法：利用高精度的全站仪，通过预先设定的两点定向并建立相对坐标系，测量树冠四周外围枝叶的三维坐标，通过坐标再计算树冠投影形状与面积。由于全站仪的视野限制，一次只能测量测站一侧树冠上点的坐标，测量树冠四周时需要设立控制点，并多次搬站在各控制点上进行测量。全站仪价格较高，体积与重量较大，仪器安置需时长，不利于森林环境中使用。测量作业技术难度大，耗时长，效率较低。

激光点云法：利用机载雷达或地基雷达对森林进行扫描，获得数量庞大的点云数据，通过点云单木提取算法，得到树冠的形状与投影。此种方法设备价格更高，数据处理专业性非常高，且处理过程复杂。由于数据量庞大，要求的电脑硬件性能较高。进行多棵树树冠测量时，存在树冠边界相连不易或不能区分问题。

高分辨率遥感影像法：在高分辨率遥感影像中单株树冠清晰可见，基于高空间分辨率遥感影像，目前主要采用面向对象提取技术，主要根据像元的灰度、纹理和形状等影像分割方法将“同类栅格”聚类为同一个对象，从而实现单木树冠的提取。卫星高分辨率遥感影像时间分辨率较低，通常只能利用往期的遥感影像，不能获取现状的树冠投影；而航拍的高分辨率遥感影像虽然能获取现状的树冠状态，但是价格过于昂贵，往往受到经费限制，适用性较低。高分辨率遥感影像法数据处理复杂，相连的树冠边界不能准确区分。就单独测量树冠来说，高分辨率遥感影像法是一种成本高、精度低的测量方法，但可进行大范围的树冠测量，具有较高的测量效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法及系统，能够快速、准确、高效地测量树冠投影形状与面积。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法，所述方法包括：

获取树冠在地面的投影点；

获取胸径处树干中心点；

根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角；

计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

根据各所述投影点的坐标点确定所述树冠投影图的面积。

可选的，所述根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到反方位角，具体包括：

根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

根据各所述正方位角确定与所述正方位角对应的反方位角。

可选的，所述根据各所述方位角确定与所述方位角对应的反方位角，具体包括：

若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；

若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

可选的，所述获取胸径处树干中心点，具体包括：

根据胸围尺得到所述树干胸径；

根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于方位角与距离的树冠投影测量系统，所述系统包括：

投影点获取模块，用于获取树冠在地面的投影点；

中心点获取模块，用于获取胸径处树干中心点；

反方位角确定模块，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角；

水平距离计算模块，用于计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

极坐标系建立模块，用于以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

坐标点标注模块，用于根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

树冠投影图确定模块，用于将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

面积确定模块，用于根据各所述投影点的坐标点确定树冠投影图的面积。

可选的，所述反方位角确定模块，具体包括：

正方位角确定单元，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

反方位角确定单元，用于根据各所述正方位角确定与所述正方位角对应的反方位角。

可选的，在所述反方位角确定单元中，若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

可选的，所述中心点获取模块，具体包括：

树干胸径获取单元，用于根据胸围尺得到所述树干胸径；

中心点确定单元，用于根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提出一种基于方位角与水平距离的树冠投影测量方法，以树干胸径中心为极点、以北向为极轴、角度按顺时针为正建立了极坐标系，通过反方位角与水平距离确定树冠投影点坐标，解决了坐标系建立与坐标快速测量两个关键问题，可以快速、准确、高效地测量树冠投影形状与面积。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于方位角与距离的树冠投影测量方法流程图；

图2为本发明实施例正、反方位角示意图；

图3为本发明实施例极坐标系示意图；

图4为本发明实施例树冠投影测试示意图；

图5为本发明实施例基于方位角与距离的树冠投影测量系统结构图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于方位角与距离的树冠投影测量方法流程图。如图1所示，一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法，所述方法包括：

步骤101：获取树冠在地面的投影点；

步骤102：获取胸径处树干中心点；

步骤103：根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角，图2为本发明实施例正、反方位角示意图。图2中角度箭头表示方位角方向，所述反方位角为所述胸径处树干中心点O与树冠投影点A连线OA与磁北方向的角度；

步骤104：计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

步骤105：以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

步骤106：根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

步骤107：将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

步骤108根据各所述投影点的坐标点确定所述树冠投影图的面积。

步骤103，具体包括：

根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

根据各所述方位角确定与所述方位角对应的反方位角。具体包括：

若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；

若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

步骤102，具体包括：

根据胸围尺得到所述树干胸径；

根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。

方位角：由标准方向的北端，顺时针方向量至某直线的角度。标准方向为磁北时则为磁方位角，一般测量的是磁方位角。

本发明提出一种基于方位角与水平距离的树冠投影测量方法，以树干中心为极点、以北向为极轴、角度按顺时针为正建立了坐标系，通过方位角反算与水平距离确定树冠投影点坐标，解决了坐标系建立与坐标快速测量两个关键问题，可以快速、准确、高效地测量树冠投影形状与面积。

与直接量距法相比，本发明建立了科学实用的坐标系，通过方位角反算解决了以往不能在树干中心点测量方向的问题，只需一人利用激光测距仪测量，可快速获取多个投影点的准确坐标，树冠投影形状与面积更准确，不但节省人力，而且提高了效率。

与全站仪测量法相比，本发明利用激光测距仪，价格便宜、体积小、便于携带。不设控制点，不用进行仪器安置，操作简便，测量效率高。

与激光点云法相比，无论是从空中还是地面获得激光点云数据，都需要昂贵的设备，且数据量大，数据处理复杂。本发明价格便宜，体积小、便于携带，不用进行大量的数据处理，操作简便。在地面直接判断树冠投影，不存在边界不易区分问题。

与高分辨率遥感影像法相比，本发明直接获取树冠的投影坐标，不需要昂贵的影像获取费用，数据处理简单实用，树冠边界判别清楚，操作简便高效，具有较高的测量精度，能获取现状树冠的形状与面积。

具体实施例1：

第一步，在森林中及待测量树木周边进行踏查，了解林分及冠层现状。抬头观察树冠边缘形状及其与周边树木的位置关系，获得待测树冠相对应的地面投影点。

第二步，用直尺量取树干距地面1.3m处的胸径位置，如在坡地上，则在树木上坡位处测量胸径位置。在胸径位置处做好标记，用胸围尺测量胸径，精确到0.1cm，并计算得到待测树木的树干半径r。

第三步，根据第一步得到的地面投影点，选择便于识别的一个投影点为第1点，记为A点并做好标记。以A点为测站，用激光测距仪(具有方位角测量功能)瞄准第二步标记的树干胸径位置处树干中心O方向，测量AO的水平距离与AO方向的方位角。依次测量得到各树冠投影点到树干胸径处的水平距离与各投影点与树干中心连线的正方位角。

第四步，根据第三步得到的各投影点与树干中心连线的正方位角，按照正反方位角的关系计算反方位角，得到各投影点与树干中心连线的反方位角，即得到树干中心与各投影点连线的(正)方位角。如AO的反方位角即为OA的正方位角。计算时，如正方位角<180°时，反方位角＝正方位角+180°，当正方位角>180°时，反方位角＝正方位角－180°。

第五步，根据第三步得到的各树冠投影点到树干胸径处的水平距离，加上第二步得到的树干半径r，得到各树冠投影点至树干中心点O的水平距离。

第六步，根据第二步确定的树干中心点O，以O点为极点，以过O点的正北方向为极轴，极角取顺时针方向为正，建立平面极坐标系。角度类型为十进制度，精度为0.1°。图3为本发明实施例极坐标系示意图。图3中箭头表示极角方向。

第七步，根据第六步建立的平面极坐标系，以第四步得到的O点到各树冠投影点的方位角为极角，以第五步得到的各投影点至树干中心点O的水平距离为极径，画出各投影点坐标，坐标点首尾相连成闭合的多边形，得到树冠投影图，并通过坐标点计算多边形的面积。

第八步，如通过绘图软件如AutoCAD进行绘图，根据第六步建立的平面极坐标系，通过菜单命令中的单位设置(或Units)，设置基准方向为北，即方位角的起始方向；角度类型为十进制度，精度为0.0，角度方向为顺时针，即顺时针方向计算正的角度值。执行画多段线(Pline)命令，坐标采用极坐标输入，格式为：水平距离<极角。以第四步得到的O点到各树冠投影点的方位角为极角，以第五步得到的各投影点至树干中心点O的水平距离为极径，依次画出各树冠投影点，首尾相连得到树冠投影图。选中树冠投影多段线，查看对象特性，可得到树冠投影面积。图4为本发明实施例树冠投影测试示意图。图4中箭头表示测量时的瞄准方向，A-J为树冠投影点，O点为树干中心点，r为胸径处树干半径。

图5为本发明实施例基于方位角与距离的树冠投影测量系统结构图。如图5所示，一种基于方位角与距离的树冠投影测量系统，所述系统包括：

投影点获取模块501，用于获取树冠在地面的投影点；

树干中心点获取模块502，用于获取胸径处树干中心点；

反方位角确定模块503，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角；

水平距离计算模块504，用于计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

极坐标系建立模块505，用于以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

坐标点标注模块506，用于根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

树冠投影图确定模块507，用于将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

面积确定模块508，用于根据各所述投影点的坐标点确定树冠投影图的面积。

所述反方位角确定模块503，具体包括：

正方位角确定单元，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

反方位角确定单元，用于根据各所述方位角确定与所述方位角对应的反方位角。在所述反方位角确定单元中，若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

所述中心点获取模块502，具体包括：

树干胸径获取单元，用于根据胸围尺得到所述树干胸径；

中心点确定单元，用于根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于方位角与距离的树冠投影测量方法，其特征在于，所述方法包括：

获取树冠在地面的投影点；

获取胸径处树干中心点；

根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角；

计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

根据各所述投影点的坐标点确定所述树冠投影图的面积。

2.根据权利要求1所述的基于方位角与距离的树冠投影测量方法，其特征在于，所述根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到反方位角，具体包括：

根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

根据各所述正方位角确定与所述正方位角对应的反方位角。

3.根据权利要求2所述的基于方位角与距离的树冠投影测量方法，其特征在于，所述根据各所述方位角确定与所述方位角对应的反方位角，具体包括：

若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；

若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

4.根据权利要求1所述的基于方位角与距离的树冠投影测量方法，其特征在于，所述获取胸径处树干中心点，具体包括：

根据胸围尺得到所述树干胸径；

根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。

5.一种基于方位角与距离的树冠投影测量系统，其特征在于，所述系统包括：

投影点获取模块，用于获取树冠在地面的投影点；

中心点获取模块，用于获取胸径处树干中心点；

反方位角确定模块，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，确定反方位角，所述反方位角为胸径处树干中心点与树冠投影点连线的方位角；

水平距离计算模块，用于计算各所述投影点和所述胸径处树干中心点的水平距离；

极坐标系建立模块，用于以所述胸径处树干中心点为极点，以所述极点的正北方向为极轴，以顺时针为极角方向建立平面极坐标系；

坐标点标注模块，用于根据所述投影点的反方位角和与所述投影点对应的水平距离，在所述平面极坐标系上标注所有所述投影点的坐标点；

树冠投影图确定模块，用于将所述坐标点以首尾相连的方式连接，得到闭合多边形，所述闭合多边形为树冠投影图；

面积确定模块，用于根据各所述投影点的坐标点确定树冠投影图的面积。

6.根据权利要求5所述的基于方位角与距离的树冠投影测量系统，其特征在于，所述反方位角确定模块，具体包括：

正方位角确定单元，用于根据各所述投影点和所述胸径处树干中心点，得到多个与所述投影点对应的正方位角；

反方位角确定单元，用于根据各所述正方位角确定与所述正方位角对应的反方位角。

7.根据权利要求5所述的基于方位角与距离的树冠投影测量系统，其特征在于，在所述反方位角确定单元中，若正方位角<180°时，则反方位角＝所述正方位角+180°；若正方位角>180°时，则反方位角＝所述正方位角－180°。

8.根据权利要求1所述的基于方位角与距离的树冠投影测量方法，其特征在于，所述中心点获取模块，具体包括：

树干胸径获取单元，用于根据胸围尺得到所述树干胸径；

中心点确定单元，用于根据所述树干胸径得到胸径处树干中心点。