DOC《南京林业大学》

南京林业大学 本科毕业设计(论文) 题目:单株树木树形曲线拟合及材积量计算 学院: 土木工程学院 专业: 测绘工程 学号:

080604129 学生姓名: 张巡 指导教师: 郑加柱 职称: 副教授 二一二 年五月十一日 摘要 单株树木材积量的计算是确定森林蓄积量的基础,也是测树学的主要任务,以往由于仪器设备的原因,立木材积的测定都是选取树木1.

3米处的胸径乘以树高,再乘以一个系数便得到树木的材积量,这样计算比较简便但误差比较大,目前,新的测绘仪器为数据的采集提供了方便,计算机技术让复杂的数据处理变得简单,因此,本文讨论利用曲线拟合进行树木的材积量计算. 本文首先阐述单株树木几种树形曲线模型,再通过全站仪测量,来确定立木树干上的特征点,然后利用MATLAB软件对不同的树形曲线模型进行拟合,选择与实际树形比较接近的模型,最后对模型函数进行积分,计算树木的材积量.这种曲线拟合的方法采用了实测数据,拟合出来的树形曲线更接近实际情况,因此,计算材积量的精度要高于常规的方法,对更精确地估算森林蓄积量有较好的作用.论文最后通过一般计算材积量方法的对比分析检验了这种材积量计算方法的正确性. 关键词:树木材积 曲线拟合 全站仪 MATLAB Abstract Determination of the timber volume in a tree is the basic of forest stock volume is also the main task of measured the tree.Owing to the reasons of the apparatus and equipment.Timber Volume measurements are selected diameter at breast height of 1.3 meters of trees multiplied by the tree height and a coefficient.And then get the timber volume.This calculation error is relatively large.This article discusses the use of curve fitting trees in timber volume calculation. Firstly, that the individual trees of several tree-curve model,and then measured by Total Station.To determine the feature points on the trunk.Using MATLAB to fit the different tree-curve model.Selection and the actual shape is close to the model.Finally, the integral of the function to figure out the timber volume.This method is used to measure the actual data.Fitting curve closer to the actual.Therefore, the calculation of timber volume, higher accuracy than conventional methods,have a greater right to determine the size of the forest stock volume.Finally, through the comparative analysis of the general calculation of timber volume method to test the correctness of the timber volume calculation method. Keywords: Tree wood product Curve fitting Total Station MATLAB 目录 前言

1 1材积量的概述

3 1.1 测量材积的意义

3 1.2树干形状与一般求积公式

4 1.2.1树干横断面的计算

4 1.2.2树干纵断面的形状与计算方法

5 1.2.3树木树干材积测定

7 2树形曲线拟合的原理

8 2.1离散点的测定

8 2.2使用MATLAB拟合曲线

11 3实例分析

14 3.1选择的场地以及树木

14 3.1.1水杉的介绍

14 3.1.2水杉的用途

15 3.2 数据采集方法

15 3.3曲线的拟合

18 3.4材积量计算

21 3.5对比分析

22 4结论

23 致谢

24 参考文献

25 前言 近年来随着中国科学水平的不断提高,电子仪器飞速发展,出现了集光、机、电于一体的高科技测量仪器电子全站仪.它除了能自动测角、测距外,还能快速完成包括平距、斜距、高差、高程、坐标等方面的数据计算和程序测量.它具有功能多、精度高、速度快等特性.据《精准林业》报道,国外已普遍用于测树学研究.近年中国生产的全站仪增设百米内无需反射镜测距和程序测量(对边测量、遥测悬高)等功能,对生长的立木任意高度部位精确测出树木直径和高度. 计算出立木材积和林分生长量,为测树学研究提供了新的测定技术和手段正在被多数人接受.生长着的树木称立木,立木伐倒后称伐倒木.由于立木和伐倒木的测定条件不同.测定立木条件比较困难,为了解决这一难题,许多科学家也推出了多种测树仪器和方法.例如圆筒测高器、布鲁莱斯测高器等.为测树学的研究起到了一定的作用.仍还存在测项目单一,精度不高的特点.而本文所研究的内容就是要对这个点有所突破,想方设法提高它的精确度,从而为树木材积的测量提供有效的参考. 以往计算材积一般用如下方法:量取树木1.3米处的直径算出此处的圆面积乘以树高.然后再乘个系数(形数),一般取0.6或者0.8,具体大小因不同树木而定.这就是木材的材积.虽然也能够求出树木的材积,但是误差比较大,对真正树木材积的预算有很大的差距.所以要尽量使用较为准确的方法才能够知道树木正确的材积. 曲线拟合法正是摒弃了之前计算的不足,另辟蹊径,巧妙的利用全站仪,电脑技术(MATLAB)将准确率达到最大化. 其大致步骤如下,后文将准确将其描述. 假设过树干中心有一条纵轴线,成为干轴,与干轴垂直的切面称为树干横断面.其面积称为断面积.所谓树干横断面的形状是指树干横断面的闭合曲线的形状. 一株树自上而下,起横断面形状除靠近基部由于干根部扩张撑不规整外,从面积对比结果看,总的认为近似圆形或更近似椭圆型. 初步建立的参数模型可以定为 公式推导: 及 (其中P和R为待定系数,通过测量计算可以获得此待定系数的数值) 待定系数法通常指在求解一个数学问题时,如果已经知道问题解的形式,并且知道在这形式中有一个或多个数值待定,且这些数值一旦全部求出问题就得以解决!对于我们来说,这类问题在以前的学习中已碰到过!因此在高等数学教学中,讲解待定系数法时,应着重引导学生归纳提炼,提高应用能力!通常来说,待定系数法在高等数学中的运用有以下几个方面! 测量中只要测定p和r两个待定系数就可以得到待测树木的体积. 在科研或工程计算中,尤其是在计算机辅助设计(CAD)、数控(NC)加工以及各种实验分析领域中,经常会遇到空间离散点的拟合问题.处理起来十分困难,其方法繁琐,计算量大,常使人束手无策.本文介绍一种用三次参数样条来拟合空间离散点的拟合方法.其特点是将空间三次样条转化为平面三次样条曲线来进行计算.这样就相应地简化了算法,降低了计算量,提高了可靠性.再借助于计算机的助就使这个复杂的问题变得容易解决了. 1树木材积的测定 1.1材积量的概述 树木都是由树干、树根和枝叶三个部分所构成的.从利用木材的观点来看,树干价值最高,也在整个树木体积中占比例最大,大于2/3.而根和枝叶只各不到1/6,所以测定树干的材积具有主要意义. 生长着的树木称之为立木,伐倒后的立木叫做伐倒木.同样是树干材积测定,由于立木和伐倒木的测定条件不同,所以测定方法也有所不同.测定伐倒木的材积可以通过很多种方法,而且都比较简单而测定立木条件比较困难,所以直至今天.对于单株立木测定仍没有比较好的方法.这些方法所达到的精确度也很不是很高,所以这方面的研究还是很有必要的. 其基本测树因子有以下几点: (1)树木直径 树干直径是垂直于树干轴的横断面的直径.用D或d表示. 树干直径可分为带皮直径和去皮直径这两种,测定单位是厘米(cm).树干直径随着其在树干上的位置不同而变化,大部分情况从根颈至树端其树干直径呈现从大到小的变化规律.其中在距根颈1.3米处的直径,称为胸高直径,简称胸径.由于胸径在立木条件下容易测定,所以胸径是一个重要的测树因子. (2)树高 树干的根径处至主干梢顶端的长度称为树高(height),测量单位是米(m),一般要求精确至0.1m.树高通常用H或h表示. (3)树干横断面积 树干横断面积同树干直径一样也可以有很多个,其中位于胸高处横断面积是一种重要测树因子,通常称为树木的胸高断面积,记为g,测量单位是平方米(m2). (4)树材积 树干材积是指根径以上树干的体积,记为V.单位是立方米(m3). 1.2树干形状与一般求积公式 树干的形状通称干形.树木的干形,一般有饱满、通直、弯曲、尖削和主干是否明显之分.造成树木间干形差异的原因,受除遗传性、年龄等枝条着生情况等内因的影响外,还受生长环境,如气候因素、立地条件、林分密度和经营措施等外因的影响,而一般来说针叶树和生长在密林中的树木,干形比较规整饱满,其净树干较高;