[SOLVED] 代写 C android math 第36卷 第10期 中南林业科技大学学报

第36卷 第10期 中南林业科技大学学报
2016 年 10 月 Journal of Central South University of Forestry & Technology
Doi:10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.10.014
Vol.36 No.10 Oct. 2016
http: //qks.csuft.edu.cn
Android 智能手机树高测量 APP 开发与试验
李亚东1，2，冯仲科2，曹明兰1，郑 帆2 (1.北京工业职业技术学院，北京 100042;2.北京林业大学精准林业北京市重点实验室，北京 100083)
摘 要:Android手机系统凭借其开放性、灵活性等强大的优势成为手机系统应用开发的必要选择。文章探讨了 基于 Android 手机传感器的林木单株树高测量程序的技术要点及实践过程 , 并通过实验将测定结果与传统布鲁莱 斯(Blume-Leiss)测高器进行了对比分析，结果发现安卓手机测树 APP 测量林木单株树高方法的平均误差为 3.19; 布鲁莱斯(Blume-Leiss)测高器法测量林木单株树高的平均误差值为 3.70。安卓手机测树高 APP 方法的平均误 差值精度比后者提高了 62%。
关键词:林业;Android;传感器;测量
中图分类号:S758.5 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2016)10-0078-05
Development and test of android smartphone tree height measurement APP
LI Ya-dong1,2, FENG Zhong-ke2, CAO Ming-lan1, ZHENG Fan2
(1.Beijing Polytechnic College, Beijing 100042,China; 2.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry of Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)
Abstract: With its strong advantages of openness and flexibility, Android mobile phone system becomes the necessary choice of mobile phone system application development. The article discusses technical points and the practice process of developing individual tree height measurement program based on Android mobile phone system sensor and through experiment, compares and analyzes measurement results and traditional Blume-Leiss height finder. Results show that Android tree height measurement APP has the average error of 3.19; Blume-Leiss height finder has the average error of 3.70. Average error precision of Android phone tree height measurement APP method increases by 62% than that of the latter.
Key words: forestry; android; sensor; measurements
随着数字林业与精准林业的建设，林业调查 中对单木数据的精度要求越来越高 [1]。森林的精 准计测是森林经营中的重要环节 [2]，森林调查的 效率与精度取决于设备与方法。目前国内主要使 用的林木单株树高计测设备有电子经纬仪、电子 角规 [3-4]、全站仪 [5]、森林罗盘仪、测树型超站 仪 [6-7]、布鲁莱斯测高器、测树枪、PDA、阿布 尼水准仪等。目前，森林调查的仪器设备都存在 着体积和重量都比较大、操作繁杂、携带不便、 成本高等问题，严重阻碍了数字化林业与精准林 业的建设。信息科学与传感器技术等软硬件技术 的发展，有效促进了森林调查设备向数字化、集 成化方向发展 [8]。Android 手机操作系统以其开
源便于创新的优势得到了广大硬件厂商的支持， 以其价格低廉、性能不差的特点得到了消费者的 认可以超过苹果成为了市场保有量最多的手机操 作系统。
树高是森林调查中的一个重要因子，具体指 从地面到树顶的垂直距离 [9]，可利用树高估计测 量森林材积量 [10-11]、蓄积量和生物量。本文探讨 了利用谷歌安卓平台内置的加速度传感器，基于 三角函数原理、正玄定理，利用 Android 语言开发 了测量林木单株树高的 APP，并利用安卓手机上 安装 APP 的测量结果与传统布鲁斯测高器测量结 果进行了比较分析。
收稿日期:2015-06-19
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41371001)
作者简介:李亚东，讲师，博士研究生 通讯作者:冯仲科，教授，博士研究生导师;E-mail:[email protected] 引文格式:李亚东，冯仲科，曹明兰，等 . Android 智能手机树高测量 APP 开发与试验 [J]. 中南林业科技大学学报，2016,36(10):78-82.

第 36 卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 79 1 Android手机测量树高原理与算法
1.1 Android 手机测树高原理
传感器是一种非接触性感知传递信息的装 置 [12]，以满足信息的传输、处理、存储、显示、 记录和控制等要求。Android4.0 系统内置方向传感 器、加速度传感器等 13 种传感器。
Android 手机测量树高原理是通过视觉传感 器进行瞄准，借助加速度传感器确定角度，在 三维标准空间坐标系中，利用安卓平台 API(应 用程序接口)提供的三角函数计算出单株立木 的高度。
手机上的空间坐标系的定义是手机水平放置 时，与屏幕垂直方向为 Z 轴、屏幕的向右水平方 向为X轴、垂直于Z轴和X轴的垂直方向为Y轴。 如图 1 所示，将手机以 X 轴为旋转轴旋转 Y 轴即 可得到 Z 轴方向上的加速度变换分量，再将加速 量转换成角度值即可得到手机在 Z 轴方向的旋转 角度。利用安卓 API 提供的三角函数接口，得到 的角度值结合水平距或两次仪器高之差，根据相 关公式实现测树高。
图1 三维标准空间坐标系
Fig.1 Standard 3D space coordinate system
1.2 算 法
林地地形条件复杂，不同地形对树高测量结果 具有不同影响，应采取不同的算法。本文将分平地、 均匀斜坡地形和任意地形三种情况进行讨论。
(1)平地与均匀斜坡地形测树高 平地的测树高算法如下图 2，公式如下: H=h+l。 (1) D=cosβ×l。 (2)
Fig.2
图2 平坦地区和均匀斜坡树高测量原理图
Tree height measurement principle diagram of flat area and uniform slope
h=tanα×D。 (3)
H=tanα×cosβ×l。 (4) 式中:H 为树高，h 为手机摄像头中心到树顶平面 的垂直距离，D 为水平距，l 为观测时手机摄像头 距离地面的高度，α 为通过加速传感器测定加速度 转换得到的树顶角度减 90°，β 为 90° 减加速传感 器测定加速度转换得到的树底角。
(2)均匀斜坡
均匀斜坡地形的算法与平地相同，只是在选择 观测位置时需要选垂直于坡向的平坦位置进行观测。
(3)任意地形测树高
由 A  B  C 2R可知，
sin1 sin sin 2
HC。 (5)
sin(1 -) sin θ=a1+a2，由此
C  Bsin2  Bsin2 。 (6) sin sin(2 -1)
H  Bsin2 sin(1 -) 。 (7) sin(2 -1)sin
式中:a1 为仪器高 1 处观测树顶的角度，β 为在仪 器高 1 处观测树底的角度，a2 为仪器高 2 处观测 的树顶的角度。B 为两次仪器高之差，一般取 B= 仪器高1-仪器高2>1.0 m。
图3 任意地形树高测量原理图
Fig.3 Schematic diagram of tree height measurement

80 2
李亚东，等:Android 智能手机树高测量 APP 开发与试验 第 10 期
Android 手机测量树高APP的实现及 使用方法
}
}
publicclassMyViewextends View
implementsSensorEventListener {
⋯⋯
publicvoidonSensorChanged(SensorEvent event)
// TODO Auto-generated method stub
// x = event.values[0]; 获得 x 轴的加速度值
// y = event.values[1]; 获得 y 轴的加速度值
// z = event.values[2]; 获得 z 轴的加速度值
if (event.sensor.getType() == Sensor.TYPE_
Android 传感器提供了一系列操作传感器的方 法，通过这些方法可以动态实时获取传感器上的 数据。
2.1 APP 的实现
安卓手机测树高的具体实现主要调用了 getSystemService() 方 法 并 给 它 传 递 SENSOR_ SERVICE 参数，来创建了一个 SensorManager 类 的实例，获取加速度传感器的服务。在利用 View 类的子类 SurfaceView 实现了测树高程序的视图框 架。在此视图框架内，实时获取摄像头与加速度 传感器的数据，实现了瞄准与角度计算。具体实 现的部分关键代码如下:
publicclass Main extends Activity { privateSurfaceViewsurfaceview; privateMyViewmyView;
private Camera camera; publicvoidonCreate(Bundle savedInstanceState)
{
⋯⋯
{
ACCELEROMETER) {
// 获得 z 轴的加速度值
z = event.values[2];
// acos(zc/ 10)就能求出倾斜角度的弧度值。 double r = Math.acos(z / 10);
// 然后将弧度值转化为角度值
double degree = (double) (r * 180 / Math.PI);
}
2.2.1 平坦地形测树高操作方法与步骤 (1)选择距离树木 0.5 ~ 1.0 倍树高的平坦
位置作为观测点。 (2)测定观测时，观测者眼睛距离地面的高
度。 (3)设置摄像头高度，测定时观测者站直，
摄像头放在右眼前瞄准。 (4)瞄准并保持摄像头高度，同时向下倾斜
手机(以 X 轴为旋转轴，旋转 Y 轴)，使摄像头 对准被测树木底部位置，利用手机屏幕上瞄准器 十字丝，微调手机旋转度，精确瞄准树底部，按 下【记录树底角】按钮。
(5)保持手机摄像头高度同时向上倾斜手机 (以 X 轴为旋转轴，旋转 Y 轴)，使得摄像头对 准被测树木顶部位置，利用手机屏幕上瞄准器十 字丝，微调手机旋转度，精确瞄准树顶部，按下【记 录树顶角】按钮。
(6)按下【计算树高】按钮得到树高、水平 距离、树顶角、树底角度并记录。
2.2.2 均匀斜坡地形测树高操作方法与步骤:
(1)选择距离树木 0.5 ~ 1.0 倍树高并且垂
surfaceview = (SurfaceView) findViewById(R. id.preview);
⋯⋯
// 创建 SensorManager 类的对象 m_sensorManager = this.getSystemService
(SENSOR_SERVICE) as SensorManager;
⋯⋯
myView = newMyView(this, display.widthPixels, display.heightPixels);
⋯⋯
}
SurfaceHolder.Callbackm_surfaceCalback = newSurfaceHolder.Callback() {
// 打开相机
camera = Camera.open();
}
publicvoidsurfaceChanged(SurfaceHolder holder,
int format, int width, int height) {
⋯⋯
// 开始预览 camera.startPreview(); ⋯⋯
⋯⋯
}
2.2 使用方法

第 36 卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 81
直坡向的平坦位置作为观测点(见图 4);均匀斜 坡地形测树高操作方法与步骤除第一步外其它步 骤与平坦地形完全相同。
图4 均匀斜坡观测方法示意
Fig.4 Observation method diagram of uniform slope
2.2.3 任意地形测树高操作方法与步骤: (1)选择距离树木 0.5 ~ 1.0 倍树高的位置
作为观测点。 (2)测量自己站立时眼睛距离地面的高度(一
般是身高 ×92%)和单膝跪地时眼睛距离地面的 高度之差。也可使用专门的脚架固定手机来提供 两次观测之间的仪器高差。
(3)单膝跪地保持手机摄像头高度与眼睛高 度一致的同时向上倾斜手机(以 X 轴为旋转轴， 旋转 Y 轴)，使得摄像头对准被测树木顶部位置， 利用手机屏幕上瞄准器十字丝，微调手机旋转度， 精确瞄准树顶部，按下【记录树顶角 1】按钮。
(4)站立保持手机摄像头高度与眼睛高度一 致的同时向上倾斜手机(以 X 轴为旋转轴，旋转 Y 轴)，使得摄像头对准被测树木顶位置，利用 手机屏幕上瞄准器十字丝，微调手机旋转度，精 确瞄准树顶部，按下【记录树顶角 2】按钮。
(5)站立保持手机摄像头高度与眼睛高度一 致的同时向下倾斜手机(以 X 轴为旋转轴，旋转 Y 轴)，使得摄像头对准被测树木底位置，利用 手机屏幕上瞄准器十字丝，微调手机旋转度，精 确瞄准树底部，按下【记录树底角 2】按钮。
(6)按下【计算树高】按钮得到树高、水平 距离、树顶角 1、树顶角 2、树底角 2 的角度并记录。
3 手机测树高试验 3.1 方 法
为测试安卓手机测树程序的功能与精度，本 文在北京石景山区隆恩寺后山林地内进行了试验。 试验选取了不同设备和不同地形进行对比，具体
选用南方测绘 NTS-352L 全站仪(测距精度为 ±3 mm+2×10-6×D，测角精度为 ±2′′)、布鲁莱斯 (Blume-Leiss)测高器和联想 A808T 安卓手机上 安装测树高 APP(见图 5)。在便于观测的测点上 分别用全站仪、布鲁莱斯(Blume-Leiss)测高器 和联想 A808T 安卓手机上安装的测树高 APP 对每 棵样木进行 10 次测量。以全站仪测量的树高数据 为真值，与布鲁莱斯(Blume-Leiss)测高器和联 想 A808T 安卓手机上安装的测树高 APP 的测量数 据进行比较，相对误差用式(8)进行计算。
I=(|H-Ht|)/Ht。 (8) 式(8)中:I 为树高测量的相对误差;H 为树高 观测平均值;Ht 为树高真值;树高真值为全站仪 测量树高的平均值。
Fig.5
3.2 结果分析
本文在人工成熟林内随机选取了 30 株落叶松 进行观测，以全站仪 10 次重复观测的算数平均值 为树高真值，将布鲁莱斯(Blume-Leiss)测高器 与联想 A808T 安卓手机上安装测树高 APP 进行树 高测量数据对比如下表 1。
平均误差公式为 ΣΔ2 ，Δ为每株样本的相 n
对误差，n 为观测株数。安卓手机测树 APP 测量 林木单株树高方法的平均误差为 3.19;布鲁莱斯 (Blume-Leiss)测高器法测量林木单株树高的平 均误差值为 3.70。从本次试验 30 株样木的 10 次 重复观测数据看，平均误差精度提高了 62%。
4 结论与讨论
本文利用安卓传感器，设计并实现了基于 Android 手机平台的林木单株测树高的 APP，可快
图 5
Android phone tree height measurement APP
Android 手机树高测量 APP 界面 interface

李亚东，等:Android 智能手机树高测量 APP 开发与试验 第 10 期 表1 安卓手机树高测量APP与布鲁莱斯(Blume-Leiss)测高器方法相对误差比较
Relative error comparison of android phone tree height measurement APP andBlume-Leiss height finder
布鲁莱斯测高器 手机测树高 APP 树木 全站仪测 布鲁莱斯测高器 手机测树高 APP 编号 量值/m 测量值/m 相对误差/% 测量值/m 相对误差/% 编号 量值/m 测量值/m 相对误差/% 测量值/m 相对误差/%
1 7.89 7.63 3.30 7.65 3.04 17 5.02 5.22 -3.98 4.88 2.79 2 7.75 7.95 -2.58 7.83 -1.03 18 7.31 7.61 -4.10 7.52 -2.87 3 7.36 7.66 -4.08 7.62 -3.53 19 10.65 11.03 -3.57 10.49 1.50 4 8.28 7.98 3.62 8.11 2.05 20 6.84 7.15 -4.53 6.75 1.32 5 7.70 7.98 -3.64 7.83 -1.69 21 13.76 13.46 2.18 13.25 3.71 6 10.74 11.18 -4.10 10.98 -2.23 22 11.76 11.56 1.70 12.03 -2.30 7 10.41 10.01 3.84 10.67 -2.50 23 7.09 6.93 2.26 7.40 -4.37 8 7.82 7.61 2.69 8.02 -2.56 24 10.61 10.11 4.71 10.38 2.17 9 15.54 15.95 -2.64 15.32 1.42 25 12.50 12.90 -3.20 11.89 4.88
10 14.02 13.62 2.85 13.78 1.71 26 12.50 11.90 4.80 12.09 3.28 11 8.25 8.55 -3.64 8.65 -4.85 27 7.22 6.92 4.16 7.35 -1.80 12 7.31 6.98 4.51 6.95 4.92 28 10.87 11.12 -2.30 11.41 -4.97 13 7.37 7.07 4.07 7.18 2.58 29 9.41 8.98 4.57 9.21 2.13 14 7.78 8.08 -3.86 8.05 -3.47 30 7.70 8.03 -4.29 8.07 -4.81 15 7.45 7.15 4.03 7.13 4.30 平均值 9.19 9.20 0.24 9.16 0.09 16 6.68 6.39 4.34 6.42 3.89
82
Table 1
树木 全站仪测
速便捷的测量立木树高，且精度达到布鲁斯测高 器的精度，操作简单、携带方便，不用单独购买 测高仪器设备，使用调查员自己使用的智能手机 就可测量。程序易于与其他程序结合，能够实现 自动统计汇总功能，减少了调查员携带纸笔夹子 等额外负担。对比分析布鲁莱斯(Blume-Leiss) 测高器与联想 A808T 安卓手机测树高 APP 的树高 测量数据发现，安卓手机测树 APP 测量林木单株 树高方法的平均误差为 3.19;布鲁莱斯(Blume- Leiss)测高器法测量林木单株树高的平均误差值 为 3.70。安卓手机测树高 APP 方法比布鲁莱斯 (Blume-Leiss)测高器法测量林木单株树高的平 均误差值精度提高了 62%。
参考文献:
[1] 张慧春 , 郑加强 , 周宏平 . 精确林业 GPS 信标差分定位精度 分析 [J]. 农业工程学报 ,2011,27(7):210-214.
[2] 贾振轩 , 冯仲科 , 焦有权 , 等 . 无伐倒活立木材积精准计测原 理与试验 [J]. 中南林业科技大学学报 ,2014,34(5):32-36.
[3] 冯仲科 , 梁长秀 , 隋宏大 , 等 . 内置程序式电子经纬仪角规自
动立体测树技术 [P]. 中国专利 :101158576,2008-04-09.
[4] 冯仲科 , 徐祯祥 , 杰林德·罗斯纳尔 . 电子角规测树仪及自动 测树方法 [P]. 中国专利 : 1570557,2005-01-26.
[5] 冯仲科 , 姚 山 . 全站仪量测树高方法 [P]. 中国专利 : 101021416, 2007-08-22.
[6] 冯仲科,马 超,赵保卫,等.视频超站仪及森林计测方法[P]. 中国专利 :1670474,2005-09-21.
[7] 冯仲科 , 王 佳 . 一种测树型超站仪及其使用方法 [P]. 中国专 利 :102466476A,2012-5-23.
[8] 赵茂程 , 郑加强 . 树形识别与精确对靶施药的模拟研究 [J]. 农业工程学报 ,2003,19(6):150-153.
[9] 张巍巍,冯仲科,汪笑安,等.基于TM影像的林木参数提取 和树高估测 [J]. 中南林业科技大学学报 ,2013,33(9):27-31.
[10] 曹 忠,冯仲科,徐伟恒,等.电子经纬仪无损立木材积测量 方法及精度分析研究 [J]. 中南林业科技大学学报 ,2015, 35(4): 7-13.
[11] 焦有权 , 冯仲科 , 高原 , 等 . 用光电经纬仪对无伐倒活立木材 积精准计测 [J]. 中南林业科技大学学报 ,2013,33(10):25-29.
[12] 杨丰盛 .Android 应用开发揭秘 [M]. 北京 : 机械工业出版社 , 2010.
[本文编校:吴 彬]