智能林分郁閉度電子測量儀的制作方法

本實發明專利實現了林分郁閉度的智能自動測量。現郁閉度測試方法主要用目測與估測統計方法。而儀器化主要由突面鏡成像柵格法，具有成像不穩定，客觀性差的不足。本發明使用自動電子成像與取樣計算技術，可以對林分郁閉度可重復的客觀測量，并保證誤差小于５%，是目前林業迫切需要儀器，用于對地面材積量、森林覆蓋率進行測量與計算。
背景技術：
：郁閉度就是指林冠覆蓋面積與地表面積的比例,它是反映林分密度的指標。是以林地樹冠垂直投影面積與林地面積之比，以十分數表示，完全覆蓋地面為1。根據聯合國糧農組織規定，0.20（含0.20）以上的郁閉林:一般以0.20-0.69為中度郁閉、0.70以上為密郁閉、0.20（不含0.20）以下為疏林。森林覆蓋率指一個國家或地區森林面積占土地面積的百分比。在計算森林覆蓋率時，森林面積包括郁閉度0．2以上的喬木林地面積和竹林地面積，國家特別規定的灌木林地面積、農田林網以及四旁（村旁、路旁、水旁、宅旁）林木的覆蓋面積。森林覆蓋率是反映森林資源的豐富程度和生態平衡狀況的重要指標。計算公式為：森林覆蓋率（%）=森林面積／土地總面積χ100％。森林面積指由喬木樹種構成，郁閉度0.2以上（含0.2）的林地或冠幅寬度10米以上的林帶的面積，即有林地面積。《森林法實施細則》規定有林地包括防護林林地、用材林林地、經濟林林地、薪炭林林地、特種用途林林地。上述測量方法，使用了遙感、衛星以及相近的測繪技術完成，測量過程冗長，測量成本巨大，測量準確性不高，不適合區域小林地與快速測量。傳統的光學與統計方法測量計算方式的林分郁閉度測量技術，測量過程不可控制與測量誤差大。技術實現要素：大視角光學系統微型化與ｃｃｄ光學傳感器的集成化，使得大范圍（廣角）取像可以實現。計算機系統的圖像計算技術對于圖像的內容計算，也在近年形成了較為明顯的進步，可以對1000萬級像素的圖像計算，在使用dsp技術時達到ms級遍歷計算。本發明采用大范圍視角聲像技術與高性能計算技術，形成對林冠圖像的獲取計算。林分郁閉度是建立在描述林冠圖像與天空識別技術的計算基礎上，通過對比天空與林冠面積計算形成。智能林分郁閉度電子測試儀利用地面1米到2米高度可觀察天空的面積比例，衡量林冠圖像的遮蓋程度，以可識別天空面積率計算林分郁閉度。產品采用向上（天空）180度視角的光學圖像取樣鏡頭（水平放置），與每幅圖像生成一個亮度不同的計算點陣，通過計算遮蓋處亮度低像素進行周期性計算，如圖１。若形成的圖像，高亮度點數量為x，低亮度點數量為y，計算點總數為z，且z=x+y,則（地）點郁閉度γ定義為：γ=a*（y/z）其中a為光學環境系數，如白天a=1，夜晚a=1-0.8之間等。a與光學系統的亮點定義閾值相關。采用rgb定義與單色定義時，取值由預先定義表決定。計算由數字電路與soc系統完成，并輸出。林地郁閉度γ’利用連續點測量形成線路（林地）測量均值方式完成，具有n個點郁閉度記錄形成林地郁閉度公式為公式一，詳見附圖11。林地郁閉度的測量技術如圖2為智能林地郁閉度測試儀原理圖，產品手持并處于鏡頭取樣向上（由于手持不能準確的保持水平，采用⑤電路來保持水平采樣），取樣圖像以圓形區域形成測量對象，cmos或ccd①形成圖像的點陣列像素，并形成可控制閾值的像素級數據輸出；像素由圖像處理器形成幀圖像文件緩存在fifo區，形成圖像數據。同時我們在采集圖像數據時，由于光照的影響會對我們的采集數據產生影響，我們可以通過模塊對采集時的光照進行采樣，光照不適合給予警告，并通過校正函數進行校正。這一套系統還可以通過模塊的gps定位系統自動完成數據的定位與儲存。采集的圖像數據在片上系統soc①中形成計算，相應計算形成γ值。并輸出到顯示器或進行存儲管理，還可以通過與外部進行數據的交換。光學成像測量模塊其中光學系統由150度廣角鏡頭和ov7725感光模塊組成形成覆蓋水平面以上的光學影像。圖3采用的是ov系列7725感光模塊,將光學影像投影到光學傳感器cmos上,通過sccb接口控制曝光時間、飽和度、色調等,獲得我們需要的光學像素陣列數據。圖4為三個水銀開關形成水平控制電路，用于保證所獲取的圖像是在水平狀態采集。如圖5輸出的光學像素的陣列數據是通過圖4電路控制，使光學陣列模塊水平向上時采集數據的數據通過fifo進行緩存輸出，如果光學陣列不是水平向上，則采集的數據丟棄。采集數據時先通過主控芯片(圖6中u6)對圖5中的u1ov772模塊進行初始化，再通過sccb接口設置數據采集的模式和參量，通過主控芯片(圖6中u6)對圖5中u2的/rrst和/wrst引腳先寫入高電平，在寫入低電平最后寫入高電平并維持維持高電平實現對fifo的寫和讀的初始化。準備好后，圖4三個水平傳感器構成的水平觸發電路啟動，三個引腳通過u12的74lvc1g11三與門輸出為wen。wen和圖5中u1ov7725的href引腳通過74lvc1g00二與非門輸出we，控制圖5中u2的/we引腳使能fifo的寫入。完成數據的緩存，由主控制器將fifo的數據轉移到8mb的flash存儲最后處理。光學像素陣列數據由圖像處理器完成圖像形成，圖像處理器由單一芯片形成完整幀圖像輸出，圖像處理器由8mb存儲器與圖像陣列管理器形成。郁閉度計算電路在soc系統芯片中完成數據的比較與計算，輸出郁閉度數值，如圖6所示。從光學陣列的數據獲取，到數據的緩存，到數據的存儲，數據的處理，計算，結果顯示與保存其流程如圖7。其中數據處理計算過程如圖8所示。圖像數據通過soc的處理后可以通過usb接口與顯示屏輸出，便于單點測量和大范圍連續測量數據獲取。如圖9usb采用的是stm32自帶的usb高速接口，顯示屏采用的是atk-7'tftlcd_v14型號的電容觸摸lcd集成模塊。atk-7’tftlcd模塊自帶的lcd控制器初始化非常簡單，首先通過拉低模塊rst腳，實現對lcd控制器的復位，延時100ms左右，再拉高rst腳，完成對lcd的復位，等待控制器準備好。設置顯示相關寄存器。mirror寄存器、pref寄存器、endx寄存器等三個寄存器。通過mirror寄存器設置屏幕的顯示方向。通過pref寄存器設置當前操作頁、當前顯示頁以及背光控制等參數。通過endx寄存器設置x坐標的結束位置，設置好這些，將控制數據和顯示數據寫入lcd。圖9中j1的cs引腳輸入低，atk-7’tftlcd模塊有電容觸摸屏功能。觸模與ｇｐｓ電路電平在輸入高電平并保持實現觸摸屏的初始化，只要有觸摸j1的pen引腳就會輸出高電平，通知主控制器，這個時候只要通過mosi引腳把數據讀走即可。gps定位系統是用來定位我們測量林地、民居郁閉度的位置參數，我們可以通過gps知道這個位置詳細信息，并可以在地球上標注起來，可以減少人為定位的不準確性，如圖10。本系統的供電采用的是ltc4054構成的鋰電池充放電系統；視角穩定的光學鏡頭，與光學傳感器圖像陣列，使得圖像可以完整投射到傳感器表面；傳感器為ccd(chargecoupleddevice)或cmos(complementarymetal-oxidesemiconductor)材料，形成的為陣列式與位置相關的像素，所有像素以對應ｒｇｂ值形式存儲為數據。使用技術：測量由手持方式在水平情況下測試；測量由頭戴式移動測量完成。使用步驟：１）確定林地的有效ｇｐｓ范圍，形成有效gps表；２）啟動郁閉度測量儀器３）將鏡頭對準天空，保證圖像的有效性，即水平開關處于有效開啟狀態；４）沿確定林地的巷路行走，保持不大于３米/秒速度，并走完全程；５）存儲與查看郁閉度數據。智能電子林地郁閉度的技術優勢郁閉度值ａｂｃｄ估測法0.70.50.80.4本發明0.560.570.640.51專業測量0.550.560.670.50本發明所用的器件與技術均支持形成方便測量，精準測量。所形成的數據具有可重復性與快速便捷的特點。實際的測量與本發明數值接近，具有可信性。上表為測量林地多個區域的郁閉度數據，與實際感知接近。附圖說明：圖1林分郁閉度測量儀原理框架圖；圖2智能林地郁閉度測量儀原理圖；圖3120度coms光學陣列模塊；圖4光學陣列模塊水平控制電路；圖5光學圖像系統；圖6圖像數據存儲與計算框圖；圖7數據采集過程框圖；圖8郁閉度計算框圖；圖9usb接口與lcd接口電路；圖10gps定位芯片原理圖；圖11公式一。當前第1頁12