立木胸径无线遥测方法及其信号的传输衍射规律研究

现代林业研究与数字化经营管理对于森林资源信息的采集技术具有新的要求，尤其是树木生长信息的实时、准确的远程自动采集是森林调查人员的期盼。目前的卫星遥感测量法不能精确测量单棵树木的生长信息，往往不满足一些研究的需要；因此，对于单木来说，目前主要还是通过人工直接进入实地测量，或通过观测站自动记录数据，定期回收数据，该方法劳动量大、效率低。本研究针对林业研究和林业信息化技术的需要，在分析国内外研究现状和申请人前期研究的基础上，提出开展立木胸径遥测方法及其信号传输与衍射规律研究，该项目主要包括基于ZigBee协议的无线传感器节点及其标定模型、无线射频信号在林内的传输与衍射（绕射）规律、传感器在林内的优化布置策略等主要研究内容。关键解决林内信号的传输与衍射规律，提出射频信号场强模型、信号在立木附近的衍射盲区计算方法，为林内传感器优化布设提供理论基础，为立木胸径及其环境信息的遥测提供新的技术方法。

林木生长信息的无线远程监测技术是精准林业的重要需求，本项目旨在研究立木胸径的远程遥测方法，并解决林内信号传输衍射计算问题。主要成果摘要如下：.1．研究了信号在人工林内的传输特性；结合人工林的配置特点，以四层独立介质层分层独立分析建模的方法对射频信号在人工林内的总体传播模型进行了简化，提出树冠衰减屏和树干吸收屏的概念，并给出了电磁波在人工林介质中传播损耗计算公式。.2．应用一致性几何绕射理论（UTD）,以多边形近似法简化了活立木模型，研究了模型的信息存储，应用反向射线跟踪法解决了人工林内信号的路径搜索及传输寻迹问题，求出了接收点已知和未知两种情况下绕射路径的通用解。.3．在总体传输模型及射线追踪研究结果的基础上，对吸收屏（树干部分）进行了重点研究：1）给出了活立木垂直入射和斜入射两种条件下的绕射模型；2）应用电磁波理论、Fresnel-Kirchhoff原理和UTD理论推导了活立木绕射场求解公式；3）对近似计算造成的阴影边界处过渡区的不连续，采用了过渡区修正，得出了修正绕射系数表达；4）分析了绕射盲区的影响因素，在计算焦散距离的同时得出了盲区计算公式；5）以白杨木人工林为采样区域，进行活立木绕射场仿真模拟，验证了模型的正确性。.4．研制了立木胸径测量传感器，可以与无线网络连接，实现树径的实时连续无线远程监测。测量理论精度可达到7μm， 一次调整后的生长量测量最大范围（周长）为75mm...5．建立了基于与自主研制的无线节点、树径传感器以及远程监测软件的立木胸径生长变化的无线远程监测系统，通过生长监测验证了系统可用性。