一种用于树木高度测量的测高仪

摘要

本发明公开一种用于树木高度测量的测高仪，包括数据处理模块、激光测高装置、存储模块、RFID身份识别模块、显示及操作模块、通信模块和GPS定位模块，所述激光测高装置的输出端口与数据处理模块的第一输入端口通过串口连接，所述GPS定位模块的输出端口与数据处理模块的第二输入端口通过串口连接，存储模块的第一输入及输出端口、RFID身份识别模块的输入及输出端口、显示及操作模块的第一输入及输出端口、通信模块的第一输入及输出端口各自与数据处理模块的不同的输入及输出端口通过串口连接，所述通信模块的第二输入及输出端口与存储模块的第二输入及输出端口通过串口连接，存储模块的第三输出端口与所述显示及操作模块的第一输入端口通过串口连接。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种用于树木高度测量的测高仪，特别涉及一种可以实现对测量目标进行识别和定位的电子式测高仪。

背景技术

树木高度的测定是林业生产和森林资源调查中的难点和重点，树木高度的测量是评价立地质量和树木生长状况的重要依据。

目前国内外对树木所采取的测高方法主要有：树高测量尺法测树高，全站仪法测树高、激光测距测角仪法测树高以及航拍、分析照片法测树高等。

传统的树木测高法如测量尺法，虽然人们不断改进测高仪的设计方案，发明了多种相对简便易行的装置，但是总体来说该方法操作难度大，误差较大，并且对采集数据的处理较麻烦，效率十分低下。全站仪测树高虽然提高了精度与效率，降低了外业计算和记录，并且减少了作业时间，但是全站仪功能繁多，使用复杂，对环境要求较高。航拍分析照片法成本高，并且精度低，受天气影响较大。

激光测高仪采用激光测距原理，无需测量仪器与目标间的水平距离，是一种集光、机、电为一体的高精度测量仪器，并且使用方便、快捷。激光测距仪通过激光传感器和倾斜角传感器提供即时的距离和角度值。在进行测量工作时，由发射镜射出一束红外线，红外线碰到目标物反射回接收镜，激光传感器则以计算红外线短脉冲飞逝的时间计算确定距离值，倾斜角传感器则负责测量垂角，然后计算确定高度、仰角、斜度、水平距离等数据资料。

普通的激光测高仪只能实现对当前树木高度的测量，并不能自动将所测数据与树木相对应，有可能造成树木的标识和高度值的混乱。并且出于对树木维护的需要，管理者往往需要知道对应树木的位置信息，这些都是普通激光测高仪所不具备的功能。

由上述可知，在现有技术中，还不存在既可以实现对树木高度的精确测定，

又可以对树木的身份进行识别、确定树木位置的测高仪。如果能够提供具有上述功能的测高仪，在林业的管理方面将会有实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有树木测高仪的不足，从而提供一种既能够实现对树木高度的精确测量，又能够对树木身份进行识别，并对树木位置进行测量的测高仪。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：所提供的用于树木高度测量的测高仪包括数据处理模块、激光测高装置、存储模块、RFID身份识别模块、显示及操作模块、通信模块和GPS定位模块，所述激光测高装置的输出端口与数据处理模块的第一输入端口通过串口连接，所述GPS定位模块的输出端口与数据处理模块的第二输入端口通过串口连接，存储模块的第一输入及输出端口、RFID身份识别模块的输入及输出端口、显示及操作模块的第一输入及输出端口、通信模块的第一输入及输出端口各自与数据处理模块的不同的输入及输出端口通过串口连接，所述通信模块的第二输入及输出端口与存储模块的第二输入及输出端口通过串口连接，存储模块的第三输出端口与所述显示及操作模块的第一输入端口通过串口连接。

优选地，本发明所述数据处理模块包括中央处理器、A/D转换器、信号放大器、第一数据缓冲器、第一串口扩展器、第二数据缓冲器、第二串口扩展器和第三串口扩展器，所述A/D转换器、第一数据缓冲器、第一串口扩展器、第二数据缓冲器、第二串口扩展器、第三串口扩展器各自分别与中央处理器相连，所述A/D转换器还与信号放大器相连，所述第一数据缓冲器还与存储模块相连，所述第二数据缓冲器还与显示及操作模块相连，所述第二串口扩展器还与通信模块相连，所述第三串口扩展器与GPS定位模块相连，所述第一串口扩展器与RFID身份识别模块相连，

优选地，本发明所述通信模块包括蓝牙传输装置、串口传输模块、数据缓冲器和数据选择器，所述蓝牙传输装置、串口传输模块分别与数据缓冲器相连，且所述蓝牙传输装置、串口传输模块还分别与数据选择器相连。

优选地，本发明所述激光测量装置包括瞄准目镜、激光发射装置、反射激光接收装置、倾仰角传感器和数据选择器，所述激光发射装置、反射激光接收装置、倾仰角传感器与数据选择器连接。瞄准目镜不与其他装置连接，固定于测高仪上易于对准被测树木的位置。

本发明的优点在于：

1.本发明的用于树木高度测量的测高仪具备在各种环境下对树木高度进行精确测量的能力，激光测量装置获得激光时延和倾仰角信息，从而计算出树木高度信息。通过这项测量能够获得树木的生长状况，立地质量等信息，是林业生产与森林资源调查的重要依据。

2.本发明的用于树木高度测量的测高仪具备对树木身份进行识别的能力，通过RFID身份识别模块对树木身份的识别，能够有效地将测量数据与具体的树木相对应，在林业综合管理中具有非常重要的应用价值。

3.本发明的用于树木高度测量的测高仪具备对树木位置进行测量的能力，通过GPS定位模块对树木位置的测量，能够快速查找树木，在树木的维护，林业的管理方面具有重要价值。

附图说明

图1为本发明测高仪的结构框图；

图2为图1中的测高仪的数据处理模块的结构及其连接关系示意图；

图3为图1的激光测高装置的结构示意图；

图4为图1的通信模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测高仪主要包括数据处理模块11、激光测高装置12、存储模块13、RFID身份识别模块14、显示及操作模块15、通信模块16和GPS定位模块17。

如图1和图3所示，激光测高装置12的输出端口与数据处理模块11的第一输入端口通过串口连接相连。激光测高装置12用于对被测树木进行对准、发射和接收测距激光，获得发射和接收激光的时间和倾仰角传感器的倾仰角，并将数据传送到数据处理模块11做进一步处理。

如图3所示，激光测高装置12包括倾仰角传感器41、反射激光接收装置42、激光发射装置43、瞄准目镜44和数据选择器45。数据选择器45分别与倾仰角传感器41、反射激光接收装置42、激光发射装置43、数据处理模块11连接。瞄准目镜44可固定在测高仪上易于对准被测树木的位置。当瞄准目镜44对准被测树木时，倾仰角传感器41可用于测量瞄准目镜44的垂角、仰角等数据，并将数据传送给中央处理器21进行进一步处理。由激光发射模块43发射的红外线激光，经过树木的反射后，被反射激光接收装置42接收。反射激光接收装置42通过红外线短脉冲飞逝的时间计算确定本发明测高仪和被测树木之间的距离，并传送给数据处理模块11作为计算树木高度的重要数据。激光发射装置43根据数据处理模块11的激光发射指令向树木发射一束红外线激光。瞄准目镜44内部有一个红色瞄准点，用于准确瞄准目标,红点的强度可调，以适应不同的光线环境。数据选择器45根据连接装置的工作状态信号，选择工作装置的数据传入数据处理模块11。

在本发明中，数据选择器45根据与其连接的装置的工作状态信号，选择倾仰角传感器41的角度数据、反射激光接收装置42和激光发射装置43测量的时间数据传入数据处理模块11。数据选择器45可以使用例如TI公司的74AC11257系列。

激光发射装置43和反射激光接收装置42可以集成在一个设备中，如卡萨提公司的PT5020激光测距传感器，兼具激光发射和接收功能。倾仰角传感器41可以选用极安电子公司的JTS倾仰角传感器。

数据处理模块11用于对来自各个模块的数据进行处理，并将处理后的结果数据输出到相应的模块。例如，激光测高装置12将测量所得数据（如倾仰角传感器的倾仰角、测高仪与被测树木的距离等）输入到数据处理模块11中，数据处理模块11将处理后的数据（如树高等）传送到存储模块13进行存储、以及传送到显示及操作模块15进行显示。

如图2 所示，数据处理模块11包括中央处理器21、 A/D转换器22、信号放大器28、第一数据缓冲器23、第一串口扩展器24、第二数据缓冲器25、第二串口扩展器26和第三串口扩展器27。

中央处理器21分别与A/D转换器22、第一数据缓冲器23、第一串口扩展器24、第二数据缓冲器25、第二串口扩展器26和第三串口扩展器27相连。中央处理器21依次通过A/D转换器22、信号放大器28与激光测高装置12相连，用于获得计算树木高度值的必要数据（如测高仪与被测树木的距离、测高仪的倾仰角等）。中央处理器21通过第一数据缓冲器23与存储模块13相连，由此，中央处理器21可以将其对数据的处理结果传送到存储模块13，而存储模块13可以将其存储的数据传送到中央处理器21进行处理。中央处理器21通过第一串口扩展器24与RFID身份识别模块14相连，由此，中央处理器21可将树木的高度及位置信息传送到RFID身份识别模块14，而RFID身份识别模块14可将树木的身份信息传送到中央处理器21。中央处理器21可将树木的身份数据、树木高度数据、位置数据通过第一数据缓冲器23存入存储模块13。中央处理器21通过第二数据缓冲器25与显示及操作模块15相连，由此，中央处理器21可将其计算结果输出到显示及操作模块15上显示，例如中央处理器11通过A/D转换器22、信号放大器28接收激光测高装置12的数据（如树木高度等），然后将数据依次显示在显示及操作模块15的显示控制模块上；而通过显示及操作模块15可以输入相应命令（如读取数据等）并将命令传送到中央处理器21以对数据进行相应处理（如从存储模块13读取数据）。中央处理器11通过第二串口扩展器26与通信模块16相连，用于将中央处理器11的计算结果通过通信模块16传送给外部设备（例如PC机等）。

在本发明中，第一数据缓冲器23、第二数据缓冲器25用于驱动从属设备（如显示及操作模块15），第一数据缓冲器23和第二数据缓冲器25可以使用例如TI公司的标准数据缓冲器系列74ACT16825、飞利普公司的74LVCH162245等。中央处理器21可以是能够高速处理数据的运算器、控制器和寄存器所组成的嵌入式CPU，例如ARM系列、51单片机系列。第一串口扩展器24、第二串口扩展器26和第三串口扩展器27用于扩展中央处理器21的串口数，串口扩展器可以使用TI公司的TL16C554A芯片。信号放大器28用于放大激光测量装置12所输入的测量信号，例如可以采用TI公司的OPA系列。A/D转换器是高精度模数转换器，例如可以使用TI公司的ADS系列模数转换器。

如图1和图2所示，存储模块13的第一输入及输出端口与数据处理模块11的第一输入及输出端口通过串口相连，存储模块13的第三输出端口与显示及操作模块15的第一输入端口通过串口相连，存储模块13第二输入及输出端口和通信模块16的第二输入及输出端口通过串口相连。存储模块13用于接收并存储来自数据处理模块11的数据，包括树木高度、身份标识、位置信息等。同时，存储模块13能够在数据处理模块11的命令下，将所存储的数据传送给数据处理模块11，再经由数据处理模块11传送给其他模块（如显示及操作模块15）。需要说明的是，数据处理模块11也可以将数据直接传送给显示及操作模块15。当存储模块13需要大量传输数据时，可以通过与其直接相连的通信模块16而获得更高的传输速度，将存储模块13的数据通过通信模块16传送给外部设备（例如PC机）。在本发明中，存储模块13可以是一种存储程序与数据的设备，例如RAM存储器、ROM存储器、FLASH存储器、EPROM存储器、寄存器和硬盘等。

RFID身份识别模块14的输入及输出端口与数据处理模块11的第四输入及输出端口通过串口相连。RFID身份识别模块14用于识别被测树木的身份；数据处理模块11能够根据RFID身份识别模块14所提供的测量数据，将测量数据与被测树木进行一一对应；此外，数据处理模块11还可根据存储模块13的数据，通过比较前后数据的差别，以获得该树木的生长状况。

在本发明中，RFID身份识别设备可以是一种短距离无线通信设备，包括RFID读写设备和电子标签，如先施公司的S1871RFID模块。数据处理模块11根据激光测高装置12和GPS定位模块17提供的数据计算树木高度和位置等信息，并将这些信息传送给RFID身份识别模块14。

GPS定位模块17的输出端口与数据处理模块11的第二输入端口相连，用于测量树木的位置信息；数据处理模块11能够根据定位模块17所提供的位置信息计算得到树木的位置数据，并将树木的位置数据存储到存储模块13。在本发明中，GPS定位模块17可以是一种高精度实时接收GPS卫星信号的设备，如U-BLOX公司的LEA-4S模块。

如图1所示，显示及操作模块15的第一输入及输出端口与数据处理模块11的第三输入及输出端口通过串口相连，用于显示本发明的工作状态（如电量、是否处于测量状态等）、以及来自存储模块13和数据处理模块11的测量数据（例如被测树木位置坐标、被测树木身份等），也能够输入控制命令，控制本发明测高仪进行数据读取等操作。在本发明中，显示及操作模块15可以为一个可触控的显示屏，如安立信公司的LC-MT0801电阻式触摸屏。

通信模块16的第一输入及输出端口与数据处理模块11的第二输入及输出端口通过串口相连，通信模块16用于将来自数据处理模块11产生的数据传送给外部设备，以及将存储模块13 所存储的数据传送给外部设备。如图4所示，在本发明中，通信模块16包括蓝牙传输装置52和串口传输模块51，根据数据处理模块11的指令，由通信模块16的数据选择器54选择相应的通讯方式。

如图4所示，通信模块16包括串口传输模块51、蓝牙传输装置52、数据缓冲器53和数据选择器54。

数据选择器54分别与串口传输模块51、蓝牙传输装置52连接，且数据选择器54与数据处理模块11连接。数据选择器54根据连接装置的工作状态信号，选择将处于数据待传输状态的装置的数据传入数据处理模块11。串口传输模块51可将测高仪与外部设备（如PC机）通过串口连接，传送数据到PC机中。蓝牙传输装置52用于外部设备（如带有蓝牙功能的笔记本电脑）与测高仪之间的无线数据传输。中央处理器21的数据处理结果可通过蓝牙传输装置52传送给外部设备（如带有蓝牙功能的笔记本电脑）。同时，蓝牙传输装置52、串口传输模块51还分别通过数据缓冲器53与存储模块13相连，存储模块13的数据可通过串口传输模块51传送给外部设备。

本发明中，蓝牙传输装置52实现测高仪与外部设备（如带有蓝牙功能的笔记本电脑）之间的无线通信，可采用KAPPA公司的ESD1000设备。

本发明的操作步骤如下：

通过瞄准目镜44，用户瞄准被测树木的顶部，激光发射装置43发射红外线激光束，经过延时由反射激光接收装置42接收激光，获得测距延时信息，同时倾仰角传感器41获得测高仪倾仰角数据，然后，测距时延数据和测高仪的倾仰角数据通过信号放大器28和A/D转换器22输入到中央处理单元21中进行计算，获得树木的高度数据。GPS定位模块17获得树木位置信息后将数据传入数据处理模块11，由数据处理模块11计算获得精确位置。同时，被测树木中设有电子标签，RFID身份识别设备14能够快速向电子标签中写入树木身份、树木位置和树木高度等信息，显示及操作模块15显示树木身份、树木位置和树木高度等信息，存模块置13存储树木身份、树木位置和树木高度等信息，通信模块16可以将树木身份、树木位置和树木高度等数据传送给外部设备（如PC机等）。

本发明测高仪将物联网技术、激光测距与传统的测高原理相结合，实现了传统测高仪所不具备的树木身份识别，树木定位功能，对于林业的管理和森林资源调查等具有重要的实际应用价值。