[发明专利]基于智能终端镜头的树木测量方法

摘要

基于智能终端镜头的树木测量方法，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得出其最佳拍摄环境，为提高数据的精确性提供了宝贵的指导意见。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。

主权项

基于智能终端镜头的树木测量方法，其特征在于：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AB=AG+BG=OI+(H2-yb)×OI(H2-ya)]]>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，ya、yb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；通过点击图像中树径两侧A'点与B'点获取图像坐标系中树木两侧a'点与b'点的位置参数，结合模型利用公式和求得胸径为A'B'的值即冠幅的求取方式和胸径一样，为其中摄像头拍摄距离为OG，a'g、b'g分别为图像树木两侧a'和b'点到图像中心点g的长度，og为摄像头焦距，xa'、xb'、ya分别为图像中胸径两侧a'点与b'点的x轴横向坐标和树底a点的y轴坐标；(4)得到的树高、胸径、冠幅数据都带有一定的误差，其形成原因是多方面的，现在就需要对误差进行排解，增加其精度；首先是智能终端镜头内部误差而造成的图像畸变；在此借用已有的摄像头标定方法，对横竖分别为10个黑白方格和7个黑白方格且每个方格为21.5毫米的黑白棋盘格进行多次多角度拍摄，把得到的多张图像进行分析，并绘制棋盘角点，再求取摄像头的内参和畸变参数，利用OpenCV中的cvUndistort2函数矫正所拍摄的树木图像；最后把这种方法嵌入到智能终端中；其次也是主要误差造成点是人为确定图像中树木坐标；为了降低这种影响借助于触屏笔代替手指，能更精确的确定坐标位置；(5)除了以上两点，复杂的环境也会影响测量结果，利用正交试验分析法可以很好的利用最少的试验次数分析摄像头像素、拍摄距离、光照环境因素所造成的影响；拍摄距离、摄像头像素和光照三个因素，每个因素有三个水平；每组实验选择了测量五次选平均的方式来避免操作失误导致的数据不准确即为正交法分析因素；其中以树高的极差来看，得到光照极差值>水平距离极差值>屏幕分辨率极差值，三者大小相差不大；以胸径的极差大小来看，得到光照极差值>屏幕分辨率极差值>水平距离极差值，屏幕分辨率和水平距离极差相差不大，综合以上得到影响较大的为光照。