[发明专利]基于智能终端镜头的树木测量方法

说明书

技术领域

本发明实现了在水平地面上通过智能终端镜头对待测树木拍照利用模型测量树木生长信息(树木高度、胸径、冠幅信息)。

背景技术

林木信息的采集是森林资源调查、林业可视化的基础,是一项复杂、繁重的任务。随着计算机等现代技术的发展,林木信息采集的手段更多、技术更先进、效率和精确度更高。为了测量树木树高、树冠、胸径等,传统方法主要是使用围尺或轮尺等测量工具,并且需要人工读取和记录测量数据。这无疑会耗费大量人力和财力,而且自动化程度低,精度不高。近年来出现的许多辅助测量工具,但一般存在价格昂贵,携带不方便的问题。寻找一种更为便捷的测量方式十分必要。

东北林业大学的关强教授(2006)采用超声波测距技术、条码识别技术及光电技术,实现了单株立木测量高度的确定和直径信息的识别,以及测量数据的自动读取和记录。然而超声波测距在实际应用中的诸多局限性影响了它的精度。一是超声波在空气中衰减极大,由于测量距离的不同,造成回波信号的起伏,使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素,诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响,因此这些因素都限制了超声波测距在立木测量中的实际应用。北京林业大学的张青(2003)在研究树木图像匹配与重构关键技术的基础上,完成了树高、树冠的测量。采用单个相机拍摄两张或多张照片,被拍摄的对象中需要一根至少有己知两点距离作为尺度的标杆,由立体视觉的三维未标定的重构技术恢复景物在仿射空间的坐标,运用相关匹配或双视图几何匹配方法确定对应点,再根据仿射空间中平行线段成比例的性质,可以求算树高。

随着嵌入式设备尤其是智能终端的出现,拓宽了图像处理的应用范围,使针对智能终端上的图像处理技术成为一个热门研究领域。借助智能终端设计的树木测量软件更为便捷、易操作。既避免使用大型测量仪器，又避免携带十字架等参照物，真正实现仅以一个智能终端实现树木测量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服以往利用卷尺或大型测量仪器等不易操作、低效率和复杂麻烦的缺点，实现高效率，易携带，高精度等优势的基于智能终端的树木测量方法，本发明提出了通过结合计算机视觉、数学几何模型、摄像头标定和正交试验分析等技术，研发树木高度、胸径和冠幅测量模型，用于园林管理中树木信息的量测，为树木信息采集和管理提供了一种先进的手段和工具。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于智能终端镜头的树木测量方法，该方法的实现过程如下，

(1)首先在水平地面上，在保证智能终端镜头拍摄角度α＝90°和拍摄高度为1.5米的情况下，拍摄树木图片。

(2)对拍摄到的树木图片用触屏笔分别点击树顶树底来获取图像树木坐标，并以此结合模型利用公式求取真实世界中树木的高度。树高量测模型是结合世界坐标系和图像坐标系的产物，把摄像头作为贯穿实物和图像的中心点O，树顶B经由摄像头映射到图像中的b点，树底A经由摄像头映射到图像中的a点，因为拍摄角度是90度，所以平行于地面的摄像头光轴经由O点交树干于G点，交图像于g点；摄像头能够拍摄的最大纵向视角在图像中为图像上下两端e和f点，两点之间距离就是图像高度，经由中心点O延伸到三维世界中就为E点和F点，摄像头中心点O到地面的距离为OI＝AG＝1.5米。

树木的高度AB为

其中AB为真实树高，BG为树顶B到摄像头主光轴IG的长度，图像尺寸为W×H像素，图像坐标系中图像高度的一半ge＝H/2，y_a、y_b分别为图像中树底a点和树顶b点的y轴坐标。

(3)树径量测模型也是结合了世界坐标系和图像坐标系，其中把摄像头作为贯穿实物和图像的中心点O，因为测量树木胸径的高度一般为1.3米，所以把模型中胸径左右两侧的A'点和B'点定义为1.3米处的点；树径右侧B'点经由摄像头映射到图像中的b'点，树径左侧A'点经由摄像头映射到图像中的a'点，因为拍摄角度是90度，所以平行于地面的摄像头光轴经由O点交树干于G点，交图像于g点；摄像头能够拍摄的最大横向视角在图像中为图像左右两端e'点和f'点，两点之间距离就是图像宽度，经由中心点O延伸到三维世界中就为E'点和F'点，摄像头中心点O到地面的距离为OI＝1.5米。