一种可穿戴式树木测高帽
技术领域
本实用新型涉及一种测高仪器，具体讲是一种可穿戴式的树木测高帽，适用于林分郁闭度较低、通视条件较好、树体高大的林木测量，尤其是无法触及目标林木高度的测量。
背景技术
随着森林计测学的发展和精准林业、数字林业等概念理论的提出和不断完善，人们对森林资源调查和监测的要求也由手工、粗放化测量进入精准化、数字化、信息化测量时代，尤其在全球森林资源日益减少的今天，对单木和林分实现精准无损自动量测显得尤其重要和迫切。传统森林资源调查监测面临内外业工作量大，完成周期长，数据整理过程繁琐，数据难以统一管理存储等一系列困难。
在测树学中，树高是最基本的测量因子之一。目前，测高器的种类很多，有光学仪器，如：布鲁莱斯测高器、圆筒测高器和克里斯屯测高器等，也有电子仪器，如测树超站仪、超声波测高器(VertexⅢ)和 Laser Vertex L402Laser Only Hypsometer等。现有技术的测高原理一般有相似三角形、三角函数和地面垂直比较等。利用相似三角形和三角函数原理的测量仪器必须要在通视的情况下，看到树体的最顶端，才能测其树高。利用地面垂直比较原理的测量仪器必须能够触及树体，才能完成测量。现有两种测量原理的仪器测量缺点主要有以下几点：
第一、诸如杆式测高仪等地面垂直比较测高的工具，虽然在郁闭度较大、通视较差的林分内应用较为方便，但是对于无法触及的目标林木是无法测量的，如孤岛林地内生长的林木等情况。
第二、由于杆式测高仪等测高工具伸缩长度有限，对于树体高大的林木，特别是20米以上的林木无法准确测量。
第三、测量误差较大。利用相似三角形和三角函数原理的仪器，一般都是手持式，在测量过程中无法固定仪器，手臂位移对测树结构影响非常大。如果设置三脚架固定仪器，又会给在野外工作中的测量工作人员增加负担。
第四、现有测高仪集成度不高、一体化不够。目前，国内外测量仪器功能单一，仅仅能够满足林业资源基本勘察工作，无法满足林业科学深层次研究的需要，特别是对林木坐标和冠幅的调查；而且实现不了内外作业一体化，无形中增加了工作和研究人员的负担。
实用新型内容
针对现有的林木测高理论和测量技术的局限性，本实用新型着力于解决上述现有技术之不足，提供一种可穿戴式树木测高帽，该测高帽带有倾角传感器、激光测距元件和电子罗盘，能够实现树体高度、相对坐标和冠幅的数字化测量。
本实用新型解决以上技术问题所采用的技术方案如下：一种可穿戴式树木测高帽，其特征在于：包括帽体、帽带、瞄准镜、激光测距元件、针孔摄像头、水准仪、倾角传感器以及控制器；
所述帽体正前方安装瞄准镜、激光测距元件、水准仪、倾角传感器、控制器；
所述帽带夹层内有电线以及安装电池，外面设置操作按钮，所述帽带下端安装针孔摄像头；
所述控制器内有以MCU为核心的电路，电路由所述操作按钮控制，由所述电池供电，所述MCU与瞄准镜、激光测距元件、针孔摄像头、水准仪、倾角传感器、FLASH存储器连接；所述激光测距元件和倾角传感器将测得的数据发送给所述MCU，所述MCU利用三角函数原理计算获得树高。
进一步地，所述测高帽上还设置有GPS和电子罗盘，都与所述MCU电连接。
进一步地，所述控制器中还配置wifi，一穿戴手臂显示器，通过wifi与所述测高帽进行数据传输，所述穿戴手臂显示器上有液晶显示屏、Flash存储器，还外设USB接口。
进一步地，所述瞄准镜包括镜头座、伸缩镜筒和光学器件，所述光学器件包括一个物镜、一个分光棱镜、两个三棱镜、两组目镜；
所述分光棱镜设置在所述物镜的射入光路上，两个三棱镜分置于分光棱镜的两条分光光路上，两组目镜分置于两个三棱镜的反射光路上。
进一步地，所述镜头座上集成安装有所述激光测距元件、水准仪、倾角传感器、控制器。
进一步地，所述物镜安装在伸缩镜筒上，所述分光棱镜、三棱镜、目镜安装在镜头座中；所述伸缩镜筒可伸缩地连接在所述镜头座上。
进一步地，所述瞄准镜可呈水平或垂直两个方位转动地安装在所述帽体上。
进一步地，所述激光测距元件的发射孔与所述针孔摄像头位于同一竖直线方向上，所述水准仪与所述竖直线垂直。
进一步地，所述针孔摄像头上设有十字丝。
进一步地，所述操作按钮包括传送按钮和测量按钮，长按所述传送按钮接通电源，短按所述传送按钮与外界设备进行数据传输；短按所述测量按钮获取测量数据。
与已有技术相比，本实用新型显著的有益效果体现在：
1、对于无法触及目标林木树高的测量，本实用新型可穿戴式树木测高帽仅需要测量人员在远处通视的条件下，利用眼睛瞄准树体的胸径处和树梢部即可得到测量结果，很好的解决了这类树体测高问题。
2、可穿戴式树木测高帽充分考虑了人体工学原理，将测高仪器戴在头上既考虑到测量工作人员观测方便，又考虑到测量位移造成误差最小。
3、可穿戴式树木测高帽工作原理是利用三角函数原理，不受树体高矮限制，都能实现准确测量。
4、除了野外勘察外，在林业科学研究领域中，林木相对坐标也是基本的测量因子，如：角尺度、混交度、大小比和竞争因子等都是基于相对坐标求算的。可穿戴式树木测高帽集成了倾角传感器、激光测距元件和电子罗盘等多种元器件，不仅可以测量树高，还具有测量林木相对坐标以及样地标定的功能。
5、通过终端设备(即手臂穿戴显示器)，可以将可穿戴式树木测高帽传来的信号存储，并实现查看、编辑、创建、转换和统计，还设有USB端口，可以将存储数据导入电脑里，有利于后台处理，实现了内外作业一体化。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为可穿戴式树木测高帽右侧视结构图；
图2为可穿戴式树木测高帽左侧视结构图；
图3为可穿戴式树木测高帽瞄准镜水平态示意图；
图4为可穿戴式树木测高帽瞄准镜垂直态示意图；
图5为瞄准镜部分结构拆解示意图；
图6为可穿戴式树木测高帽光路图；
图7为可穿戴式树木测高帽内侧视图；
图8为控制器电路框图以及与外部的穿戴手臂显示器连接关系图；
图9为穿戴手臂显示器形状图；
图10a为可穿戴式树木测高帽测量平地原理图；
图10b为可穿戴式树木测高帽测量高坡原理图；
图10c为可穿戴式树木测高帽测量洼地原理图；
图11为方形样地标定以及树木相对位置测量图。
图中标号：1-帽体、2-帽带、3-瞄准镜、4-激光测距元件、5-针孔摄像头、6-水准仪、7-倾角传感器、8-控制器、9-MCU、10-FLASH存储器、11-wifi、12-GPS、13-电子罗盘、14-穿戴手臂显示器、15-传送按钮、16-测量按钮；
301-镜头座、302-伸缩镜筒、303-物镜、304-分光棱镜、305-三棱镜、306-目镜306、401-激光测距元件的发射孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与实施例一起阐释本实用新型。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本实用新型技术方案作的唯一限定，凡是在本实用新型技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为在本实用新型的保护范围内。
本实用新型是设计为佩戴在头上的，设有传感器和激光器，具有倾角感应和激光测距功能，基于三角函数原理，利用瞄准镜和激光点分别瞄测树体胸高和树梢位置，可得林木树高测量值。
如图1、图2及图5所示，一种可穿戴式树木测高帽，比较具体地讲，主要包括：帽体1、帽带2、瞄准镜3、激光测距元件4、针孔摄像头5、水准仪6、倾角传感器7以及控制器8。
帽体1选用工程用安全帽材质制作即可。帽带2内有夹层，夹层内可穿电线，另外帽带2上端可设置操作按钮以及安装电池，与控制器8连接；帽带2下端带有底托，安装针孔摄像头5，位于下颌位置。帽带2要求具有一定的稳定性，以保证针孔摄像头5的稳固。
帽体1正前方位置，安装瞄准镜3，瞄准镜3包括镜头座301、伸缩镜筒302和光学器件，镜头座301可呈水平或垂直两个方位转动地安装在所述帽体1上，如图3、图4所示。在镜头座301上同时集成安装有激光测距元件4和水准仪6、倾角传感器7、控制器8。伸缩镜筒302通过螺纹或其他任何可行的方式旋转地连接在镜头座301前端，可以伸长或缩短。
如图5～7所示，瞄准镜3的光学器件主要包括一个物镜303、一个分光棱镜304、两个三棱镜305、两组目镜306；物镜303安装在伸缩镜筒302上，分光棱镜304、三棱镜305、目镜306安装在镜头座301中，分光棱镜304设置在物镜303的光路上，两个三棱镜305分别置于分光棱镜304两侧的分光光路上，两组目镜306分别置于两个三棱镜305的反射光路上，进一步地讲，每一组目镜306中包括两个目镜，两组目镜分别对准观察镜。分光棱镜1可实现将单筒物镜303射进的光分成两条光线引入两个三棱镜2，三棱镜2可将分光棱镜1分出的光以45°反射角引入目镜。通过调节每一组目镜306中两个目镜间焦距，实现对远处树体的观测。
优选地，在镜头座301顶部设置水准仪6，同时水准仪6位于激光测距元件4的发射孔401与针孔摄像头5连线的垂直面上，且更佳的是，激光测距元件4的发射孔401与针孔摄像头5处于帽前的一条竖直线上，激光测距元件4的发射孔401大约位于额头位置，针孔摄像头5位于下颌位置。进一步地，针孔摄像头5镜头上设有十字丝，主要是实现对中垂直下方目标物的功能，如：木桩等。
如图8所示，控制器8内主要是以MCU为核心的电路，电路由电池供电(较佳为锂电池)，由操作按钮控制某一条电路的接通，MCU 9与瞄准镜3、激光测距元件4、针孔摄像头5、水准仪6、倾角传感器7相连，还与FLASH存储器10、wifi 11等相连。FLASH存储器10实现数据存储功能，使设备断电后依然长久保存数据，不会造成数据的丢失，wifi 11用于与外界设备进行信息传输。
进一步地，帽子上还可设置GPS 12、电子罗盘13完成集成功能，GPS 12实现仪器定位和导航的功能，电子罗盘13完成方位测定，此时MCU 9电路还与GPS 12、电子罗盘13相连。
进一步地，与帽子配合还可设置一穿戴手臂显示器14，如图9所示，穿戴手臂显示器14上主要电子元器件有：液晶显示屏、Wifi、MCU、Flash存储器和锂电池，还外设USB接口。穿戴手臂显示器14上的wifi与帽子中的wifi建立无线连接，实现可穿戴式测高仪测得数据无线传送到手臂显示器上。液晶显示屏用来显示帽子传过来的测量结果。
前述的操作按钮包括传送按钮15和测量按钮16。在建立与穿戴手臂显示器14连接时，传送按钮15用于接通控制器中的wifi电路，按下传送按钮后，帽子与穿戴手臂显示器14建立wifi连接；长按传送按钮将电源打开。测量按钮16是帽子本身测树高时接通测量电路用，激光测距元件4、针孔摄像头5、倾角传感器7、GPS 12、电子罗盘13等测量的数据都可传输到MCU 9。
1、本实用新型可穿戴式树木测高帽的基本功能是实现树高测量：测量时，先用水准仪6实现仪器水平校准；然后启动激光测距元件4，激光测距元件4向目标林木射出一束激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间发送给MCU 10，从而计算出从观测者到目标林木的距离；倾角传感器7测量仪器的俯仰角度发送给MCU 10。
应用数学中的三角函数原理测量树高：
本实用新型可对平地、高坡或洼地树木都可测量，如图10a～图10c所示，利用倾角传感器7的测角功能和激光测距元件4的距离测量功能，进行两次观测即可得到树高：首先倾角传感器7水平瞄准树干作为测量角度的初始值，然后仰头测得仪器到树顶部的倾斜角度α，再俯视测量仪器到树根部的倾斜角度β；同时根据激光测距元件4测得仪器到树干的水平距离S，就可分平地、高坡或洼地三种情况计算树高：
(1)平地树高：H＝h+L＝S×(tanα+tanβ)；
(2)高坡树高：H＝h-L＝S×(tanα-tanβ)；
(3)洼地树高：H＝L-h＝S×(tanβ-tanα)。
2、在装有电子罗盘13的情况下，本实用新型还实现样地闭合标定：
借助本实用新型可以打方形样地，并实现样地闭合和标定，利用电子罗盘的磁方位角测量功能和激光测距元件的距离测量功能。如图11所示，首先，倾角传感器垂直瞄准方形样地角桩垂直角度δi，电子罗盘水平瞄准方形样地角桩得到水平夹角γi,i+1，激光测距元件测量斜距Di。然后从第一个角桩(0,0)开始，依次以Si为长度，以0°、90°、180°和270°角度,测量4次，可得到实际闭合导线坐标增量Δxi,i+1和Δyi,i+1的闭合差，如图11所示，分别是fx和fy。最后，计算测量导线全长fs、导线总长ΣS和导线全长相对闭合差K，K值不低于1/200。
Si＝Di cosδi；
3、利用电子罗盘13的磁方位角测量功能和激光测距元件4的距离测量功能，本实用新型还可实现对样地内树木的相对坐标进行测量：
第i株树到i+1株树形成的边的坐标增量改正数为和经过闭合差改正后的位置坐标为(xi+1，yi+1)计算公式如下：
利用上述原理，在本发明在使用时，就可按照如下步骤操作：
第一步，测量工作人员将可穿戴式树木测高帽佩戴在头上，长按传送按钮将电源打开。
第二步，利用GPS定位，找到要打样地位置。在预测0点位置打第一个桩。利用针孔摄像头镜头上设有的十字丝，对中垂直下方的角桩；利用水准仪调整仪器水平。在测高帽内通过内设显示器观测两个元器件调整结果，直至仪器调整在最合适的状态。利用电子罗盘和激光测距元件，依次以Si为长度，以0°、90°、180°和270°角度,测量4次，形成闭合。
第三步，在样地内对样木进行测量。利用电子罗盘的磁方位角测量功能和激光测距元件的距离测量功能，计算得到样木相对坐标。利用激光发射孔和物镜十字丝瞄准测量林木胸高位置(或者根径位置)，按下测量按钮记录第一次测量结果，然后瞄准林木树梢位置，按下测量按钮记录第二次测量结果，两次测量结果通过MCU计算出目标林木树高结果。
第四步，测量结束后，按传送按钮将测量结果传送到手臂显示器。在手臂显示器上实现存储和编辑等功能。测量结束，长按传送按钮关闭可穿戴式树木测高帽电源。
本实用新型便携，同时兼具数据传输功能，自动化存储，实现内外作业一体化。本实用新型测量功能强大，既可测量普通树高，也可测量超标树高。自主研发的树木测高仪，针对目前森林调查测量设备落后，测量精度不高，效率低下等问题，开发此精准、便携、易用、高效的测量仪器，实现了林木测仪器的低成本、微型化、智能化、一体化、实时性、高可靠性的完美集成。
