立體攝像測樹儀及其全自動測樹方法
2023-04-28 05:14:16
專利名稱：立體攝像測樹儀及其全自動測樹方法
技術領域：
本發明是關於森林資源調查的儀器及其方法，尤其是關於森林抽樣調查的立體攝像測樹儀及其全自動測樹方法。它是角規點抽樣測樹技術、光電技術、立體視覺技術和計算機技術的多學科結合。這種全新而高效的森林抽樣調查手段，可為高解析度遙感圖像提供獲取林分調查因子的技術。作為數字林業(Digita Forestry)的一部分，將樣地上獲得的最高解析度的影像數據與樣地上航天遙感圖像數據和航空攝影測量影像數據一起組成多解析度的影像資料庫。
值得特別指出的是，本發明的立體攝像測樹儀可開發為立體全站儀、立體電子經緯儀、立體電子羅盤儀等，在大地、道路、水利、地礦、農田等部門勘測應用。也可開發為立體攝像機，攝製立體像片在法律、醫學部門應用；為影視部門提供立體電影、電視製作新手段。也可在小動物和昆蟲、細菌世界攝製立體影片，廣泛應用於科研、科普部門。也可作為立體望遠鏡在軍事、森林警察、森林防火等部門應用。具有廣闊的市場前景。
背景技術：
(一)角規測樹理論方面奧地利林學家Bitterlich.W，於1947年首創用林分速測鏡(relascop)通過水平視角與立木胸徑的比對，測定林分胸高斷面的點抽樣(Point sampting)理論與方法，突破了近200年來長期沿用的標準地檢尺法，大大提高了工效，引起了全世界林學家們的廣泛重視和極大興趣，被普遍推廣應用。這項技術於1957年傳入我國，已在生產中廣泛應用，並把點抽樣稱為角規測樹，把林分速測鏡的原形稱為角規(angle gouge)。
50多年來，在此理論啟示下，平田種男(日)於1955年提出了定角測高法，通過豎直視角與立木高的比對測定林分的平均樹高。北村昌美(日)於1962年提出了一致高和法，通過水平視角與豎直視角的結合，測定林分蓄積。受上述各理論的綜合啟示，徐禎祥等於1991-1997年提出了形點法，2005年又提出了改進形點法。用角規方法可直接測定單株立木和林分的幹形指數。據此，無需任何經驗參數，不受地域和樹種的局限，直接測定立木材積和林分蓄積。
上述各種角規測樹方法，在理論上無疑是正確的。然而必需指出的是，它們都是以直接觀測林木幹頂或上部幹徑為前提的。在現實林分中，枝葉遮擋，樹冠重疊，通視困難，幾乎無法實施觀測。所以至今角規測樹的主要功能仍然是測定通視較好的林分胸高斷面積。為此，北京林業大學發明的「推定林分蓄意的形點法」不失為一條重要思路。不足之處是，對各種形狀的林分樹幹適應性較差，誤差較大。
(二)角規儀器方面1.到目前為止，世界上最先進的角規儀器仍然是林分速測鏡，它有簡易的反光型mirrorrelascope和精密的望遠型spiegel relaskop。它的技術核心是依靠重錘自由擺動的鼓輪及貼在鼓輪上的分劃板，即代表角規斷面積係數的條帶。觀測時，人眼通過視線與條帶寬度形成的水平視角瞄準所測樹幹的直徑，進行比對，作出判斷。我國雖有其仿製品，但效果不佳。在生產中仍多以江蘇省南通光學儀器廠發明的自平杆式角規為主，十分落後。
為了測定林分的蓄積，形點法理論提出了立體角規。其原形就是在垂直角規的斜邊上設置一個水平角規的缺口(條帶)。用水平視角按設定的垂直視角在角規點進行繞側。
林分速測鏡是個純粹的光學系統，無法實現信息採集自動化。在當時的條件下，測徑和測距比較麻煩和困難，通過人工觀測比對確實能提高工效。對於那些近於臨界狀態的情況就難以分辨，仍然需要皮尺和標尺測量計算，或者靠經驗，就不可避免地產生誤差和麻煩。
北京林業大學發明的電子角規測樹儀是數位相機與林分速測鏡相結合的產物，能實現信息採集與存儲的自動化。其不足之處是，在測定距離和幹徑時仍然離不開標尺的輔助，有些不便。
2、應用立體視覺技術進行信息採集是角規發展的方向，目前僅是初探階段未見相關突破性報導。主要是測定立木胸徑。
(三)角規測樹方法方面1.理論和實踐證明，測定林分蓄積量遠比胸高斷面積複雜的多。需要測定多個上部幹徑及其高度。大量的、繁雜的信息採集和處理以及結果的貯存和傳輸等，必需實現測樹全程自動化。
2.應用立體視覺技術進行地面攝影測量是一種全新而高效的森林資源調查方法，對於實現角規測樹全程自動化具有決定性作用。但是，尚存在不少技術問題。主要是(1)如何應對現實林分的複雜條件面積大，樹體高；林木隨機分布且有些傾斜，光照不均勻；上方樹冠重疊，通視困難；地面草灌叢生，難見幹基；僅有林冠下到胸高這段空間通視較好。(2)如何配合林業調查，攝取儘量少的影像，獲得足夠多的信息，建立樣地攝影量測系統。包括圖像獲取、像機標定、特徵提取、立體匹配和三維重建等，以便進行林分調查因子的計算。
發明內容
(一)角規測樹理論方面1.提出測定林分蓄積的冠下三階點抽樣形點法理論和長期研究證明，無論是天然林還是人工林，在未經遭到嚴重幹擾的情況下，林分內部的許多特徵因子，如直徑、樹高、幹形等，都具有特定的分布狀態，表現出比較穩定的結構規律性。據此，若將單位面積林分內所有立木樹幹的無數層等高斷面積之和垂直疊加，必然形成一個虛擬的大樹幹，即林分樹幹。顯然，林分樹幹的形狀和體積正是該林分的形狀和蓄積。
林分樹幹如同立木樹幹一樣，也可用形點法測其形狀和蓄積。但是，在現實林分內，樹冠重疊，通視困難，無法觀測到冠頂，即使是觀測位於冠基附近的形點也很困難。為此可採用測定林分蓄積的冠下三階點抽樣形點法。特點是，能避開通視困難，在通視較好的林冠下，通過三階點抽樣抽取林分樹幹的三個特定點，用形點法推定林分蓄積。
所謂三階點抽樣，如圖1所示就是在角規樣地上首先進行胸高斷面積(第一個特定點)點抽樣，抽取一階樣木。然後通過輔助高豎角αb在一階樣木中進行輔助高斷面積(第二個特定點)點抽樣，抽取二階樣木。最後通過近似形點高豎角αa在二階樣木中進行近似形點高斷面積(第三個特定點)點抽樣，抽取三階樣木。
理論與實踐證明，林分的形點高多位於林冠基部附近。近似形點高應選在冠基以下50cm附近為好，通視好，誤差小。輔助高應選在冠基到胸高的中部為宜。
其實，每一階點抽樣都是三維點抽樣。即對林分某高度(一維)及其斷面積(二維)的點抽樣。也就是對林分樹幹某段材積(三維)的點抽樣。
設，水平視角的斷面積係數為Fg，輔助高的豎角為αb，近似形點高的豎角為αa。繞測一周分別測得林分每公頃的胸高斷面積G，輔助高Hb及其斷面積Gb，近似形點高Ha及其斷面積Ga等五項因子，於是林分的形點高H2=Gb-0.5GGb-Ga(Ha-Hb)+Hb]]>錐形體形點高Hc=H2-(H2A(H2-Hb))1A+1,A=log(2(2GbG-1))/log0.5]]>錐形體形狀指數R′＝log0.5/log(1-Hc/H2)
林分形狀指數(R+1)(1-0.51R)1-R(1-0.51R)-1=R]]>林分胸高以上幹長H0=H21-0.51R,]]>林分高H＝H0+1.3林分蓄積M=1R+1(HH0)RHG]]>由於林分形點以下的蓄積約佔總蓄積的80％，所以通過冠下點抽樣形點法估計林分蓄積是可靠的。
2.提出基於立體視覺的立體攝像量測系統。
對三維空間內任意目標點的測定，通常是應用兩臺全站儀或電子經緯儀實施的，頗為麻煩而且必須依靠反射稜鏡或標尺的輔助。而應用立體攝像測樹儀進行測定，則簡便得多。其最大優勢就是進行無標尺測距的功能。由於省去了反光鏡和標尺的設置，則可跨越溝河障礙，測量對面不可及的任意目標點的距離。包括樹高、幹長、幹徑等。
(1)測定測點到一個目標點的距離S，S=CfPa]]>式中，C為基線長，f為焦距，Pa為視差。
(2)測定立木上部樹幹直徑dd=cPabpa]]>式中C為基線長，Pa為直徑左端點對直視差，Pab為直徑左右兩端點的橫坐標之差。
(3)測定三維空間任意兩目標點的距離(包括樹高，幹長、幹徑等)L設不在同一視場內的前方任意兩目標A點和B點。測點到A、B兩點的豎直角分別為α、γ，水平角為β，當立體攝像測樹儀的基線長為C，焦距為f，A、B兩點的視差分別為Pa和Pb時，則A、B兩點的距離L為L=sa2+sb2-2SaSb(coscoscos-sinasina)]]>式中Sa為測點到A點的距離，Sa=Cf1pa]]>Sb為測點到B點的距離，Sb=Cf1pb]]>(二)角規儀器方面首先是應用立體視覺技術進行無標尺測距和測徑，代替角規鼓輪和分劃板。第二是應用光電技術、計算機技術實現信息採集自動化，代替人工觀測。第三是應用電子羅盤和電子豎度盤為角規點精確定位。為此，本發明提出了立體攝像測樹儀。其結構和功能如下。
1.立體攝像測樹儀的結構立體攝像測樹儀有精密型和簡易型兩種。
(1)精密型如圖2和圖3所示。由雙目攝像頭(2)、一對立柱(6)、電子豎度盤(3)、電子羅盤(5)、微處理器(1)、顯示屏(4)各一個，組裝在三角基座(7)上，置於三腳架上實施觀測。
雙目攝像頭，固定在一條金屬棒的兩端，主光軸平行，上下等高。攝像頭的CCD面陣為像平面(焦平面)。兩個攝像頭的像主點間距為基線。基線長大於人眼的瞳孔距。
電子豎度盤(3)位於兩攝像頭(2)之間，基線為豎度盤的轉軸，能在軸孔內轉動。豎度盤能如同普通角規的鼓輪那樣藉助於重錘的重力作用始終保持垂直刻線垂直於水平面，並通過下方的電子羅盤(5)的軸心。
顯示屏(4)位於攝像頭(2)和豎度盤(3)的後下側。屏幕上的十字線相當於攝像頭焦平面CCD的縱橫坐標軸。十字中心為座標原點。
微處理器(1)位於攝像頭(2)和豎度盤(3)上側。在微處理器內設置一個模塊。測樹方法軟體固化在模塊上，共同組成數字角規測樹體系。微處理器(1)通過各條數字通訊電纜與雙目攝像頭(2)、電子豎度盤(3)、電子羅盤(5)、顯示屏(4)相連接。微處理器也有輸出接口，便於傳輸。
雙目攝像頭(2)、豎度盤(3)、顯示屏(4)和微處理器(1)固定為一體，稱為簡易型立體攝像測樹儀。
電子羅盤(5)位於簡易角規的下方，磁針的軸心通過豎度盤的垂線。簡易角規的兩個攝像頭與羅盤兩側的立柱(6)上端與相連接，並可在立柱上端作垂直轉動。
三角基座(7)位於底部，是電子羅盤的載體。可與三腳支架連用。
(2)簡易型立體攝像測樹儀簡易型就是沒有羅盤和基座的立體攝像測樹儀。可在獨腳架上觀測。也可手持。
2.立體攝像測樹儀的功能(1)精密型立體攝像測樹儀能充分表達測樹全程自動化。包括從測量控制點開始，利用無標尺測距的優勢，迅速布設支導線，直到終端獲得角規點的地理座標。然後進行三階點抽樣。不足之處是對於少數受到遮擋的樣木不易觀測。
(2)簡易型立體攝像測樹儀，可直接進行三階點抽樣，便於對受遮檔樣木進行移位觀測。不足之處是，不能獲得角規點的地理座標。但可直接輸入坐標。
3.值得特別指出的是(1)在微處理器中裝入專用的測量軟體，加大基線並在攝像頭前加裝高倍望遠鏡，可將精密型立體攝像測樹儀開發為立體全站儀，無需反光稜鏡等輔件。將電子經緯儀和電子羅盤儀開發為立體經緯儀和立體羅盤儀，無需標尺等輔件。可廣泛應用於大地、水利、道路、地礦等部門的測量工作。
也可為森林警察、森林防火和軍事部門提供在瞭望塔上新的觀測儀器，充分發揮無標尺測距和精確定位功能，實時觀測記錄火情、案情的詳細變化。特別是簡易型角規便於巡邏攜帶。
(2)將簡易型立體攝像測樹儀的微處理器中裝入專用攝影軟體，可開發為立體攝像機。攝製立體像片、電影為法律、醫學和影視部門應用。也可在場景較小的範圍內，攝製小動物、昆蟲、細菌世界等特近距離的立體影片，為科研、科普部門提供新技術手段。
(三)角規測樹方法方面將林分冠下三階點抽樣形點法與立體視覺量測系統相結合構成攝影測樹軟體，固化在模塊中並與微處理器聯結在一起，構成攝影測樹體系。在角規樣地上，用立體攝像測樹儀進行林分冠下三階點抽樣攝影，估計林分蓄積等因子，實現了立體視覺技術與角規測樹技術的優勢互補。
三階點抽樣是抽樣效率更高的估計方法。冠下三階點抽樣攝影能保證攝取儘量少的影像獲得足夠多的信息。它是將整個林分空間的影像完全分解在少數樣木冠下的三處幹徑上。因此(1)把攝像視場局限在小小的幹徑周圍，不易發生影像變形和光照不均的現象，利於圖像獲取。
(2)把兩個攝像頭並列地固定在一起攝影，能直接獲取立體像對，免去了攝像機標定和匹配立體像對的麻煩。
(3)攝像時把CCD的橫座標軸和原點直接瞄準待測幹徑，能減少特徵提取和匹配點對的難度。
(4)在豎直度盤和羅盤的參與下，可省去樹幹特徵點三維重建的麻煩。
據此，攝影測樹體系可以實現現場測樹全程自動化，實時獲得林分因子，大大提高工效。
(四)有益效果本發明與現有的已知技術相比，能實現如下有益效果。
(1)信息採集和貯存的數位化。
攝像頭的CCD焦平面能把觀測目標的立體影像信號轉換為數位訊號，傳入微處理器中貯存。電子豎直度盤和電子羅盤也能通過傳感器(旋轉編碼器)將垂直角和水平角轉換為數位訊號，傳入微處理器貯存。完全省去了各項人工觀測和手工記錄。
(2)信息處理程序化微處理器能把貯存的數位訊號按照三階點抽樣測樹程序實時地計算處理。並能把處理結果貯存起來，也能通過通訊接口傳輸出去。實現測樹全程自動化。
(3)信息再現影像化微處理器能把輸入的數位訊號恢復為影像信號再現於顯示屏上，獲得角規樣地最高解析度的影像數據。也能把處理結果在屏幕上顯示。為現場測樹提供真實的可視性，便於核查。
4.信息空間定位化。
由於角規點的定位是從測量控制點發布的支導線的終端，所以角規點上的信息數據不僅樣點的坐標，而且樣地內各樣木及其各部位的坐標都是具有完全確定的空間性質。於是可以實現與角規樣地上的航天遙感圖像數據和航空攝影測量影像數據一起組成多解析度的影像資料庫。
四
圖1為林分冠下三階點抽樣示意2為立體攝像測樹儀主視3為立體攝像測樹儀左視圖五具體實施方式
具體實施過程完全是在攝影測樹軟體的提示下進行的。
首先找到樣地及其最近的測量控制點，輸入控制點地理位置座標。然後，通後通過羅盤和豎盤以及雙目攝像頭提供的無標尺測距和精確定位數據，迅速向角規點方向布設支導線，在終點確定並輸入角規點的地理位置座標。最後可在角規點上發出繞測「開始」指令，並根據林分現實情況輸入角規斷面積係數Fg，輔助高角αb，近似形點高角αa，顯示在屏幕上。
繞測時，二人配合。一人觀測攝像，另一人標明待測樹幹的胸高位置。
從第一株開始，首先用攝像頭的準線(CCD的橫座標軸)瞄準待測木的胸高幹徑，通過顯示屏可以看到幹徑圖像正位於顯示屏十字絲原點左右的橫軸上，及其由豎度盤和羅盤測出的垂直角α和方位角β。確認後發出「攝像」指令。攝像後上述顯示被貯存，又在顯示屏上出現胸高斷面的計數特徵值δ＝1，提示下一步的輔助高豎角αb1。然後，按αb1角沿樹幹向上仰視，到位後顯示屏上出現幹徑圖像和豎角αb1、方位角βb1。確認後發出「攝像」指令。攝像後在上述顯示被貯存，並在顯示屏上出現輔助高斷面的計數特徵值δb＝1。又提示下一步的近似形點高豎角αa1。再後，按照αa1角沿樹幹向上仰視，到位後顯示屏上出現幹徑圖像和豎角αa1、方位角βa1。確認後發出「攝像」指令。攝像後上述顯示被貯存，並在顯示屏上出現近似形點高斷面的計數特徵值δa＝1，以及觀測下一株的提示符 。說明本株觀測結束。可以開始第二株，第三……株，如此繞側一周直到最後一株。不重側，不漏測。
需要說明的是，在觀測過程中，無論在哪個斷面上，只要出現提示符 ，即可開始下一株。
當繞測結束後發出「結束」指令。即可貯存該測點的全過程觀測數據，包括它們影像在內。同時，分屏顯示該測點的各測樹因子。如角規點座標，林分形狀指數R，平均高H，平均胸徑Dg，每公頃蓄積M，株數N等多項因子。
權利要求
1.一種立體攝像測樹儀，其特徵是在雙目攝像頭(2)之間安裝一個電子豎度盤(3)，之下安裝一個液晶顯示屏(4)，之上安裝一個微處理器(1)，底部安裝一個電子羅盤(5)，它們通過數據通訊電纜與微處理器(1)相連接，通過一個對立柱(6)固定在三角底盤(7)上。
2.一種利用權利要求1所述的立體攝像測樹儀的全自動測樹方法，其特徵是由林分冠下三階點抽樣形點法與立體攝像量測系統組成的攝影測樹體系是一個固化在模塊中的軟體，它與微處理器(1)聯接在一起。
3.根據權利要求1所述的立體攝像測樹儀，其特徵是雙目攝像頭(2)的基線由一根金屬棒構成並與之聯結為一體，它們的主光軸在同一個平面內平行。
4.根據權利要求1所述的立體攝像測樹儀，其特徵是電子豎度盤(3)的轉軸由攝像頭(2)的基線金屬棒構成，轉軸與盤體軸孔可相互轉動，盤體藉助重錘的作用，能保持盤面上的刻度線的坐標位置始終不變。
5.根據權利要求2所述的全自動測樹方法，其特徵是立體攝像測樹儀量測系統可測定下列因子。(1)測點到目標點的距離 S＝C·f/Pa式中c為基線長，f為焦距，Pa為視差。(2)立木上部樹幹直徑 d＝C·Pab/Pa式中c為基線長，Pa為直徑左端點的視差，Pab為直徑左右兩端點的橫坐標之差。(3)任意兩目標點的距離(包括樹高、幹徑、幹長)LL=Sa2+Sb2-2SaSb(coscorcos-sinsin)]]>式中Sa和Sb分別為測點到A和B兩目標點的距離，Sa＝cf/Pa，Sb＝cf/Pb，Pa和Pb分別為A和B兩目標點的視差，c和f分別為基線長和焦距；α和γ分別為測點到A和B兩目標點的豎角，β為A和B兩目標點的水平角。
6.根據權利要求2所述的點抽樣攝像測樹方法，其特徵是通過林分冠下三階點抽樣攝像，測定冠下三個不同高度及其斷面積，按下述蓄積方程組估計林分每公頃的蓄積量M。當測得林分胸高斷面積G，輔助高Hb及其斷面積Gb，近似形點高Ha及其面斷積Ga時，則林分形點高H2=Gb-0.5GGb-Ga(Ha-Hb)+Hb]]>錐形體形點高Hc=H2-(H2A(H2-Hb))1A+1,]]>A=lg(2(2GbG-1))/1g0.5]]>錐形體形狀指數 R′＝lg0.5/lg(1-Hc/H2)林分形狀指數R=(R+1)(1-0.51R)1-R(1-0.51R)-1]]>林分胸高以上幹長H0=H21-0.51R,]]>林分高 H＝H0+1.3林分蓄積M=1R+1(HH0)RHG]]>
7.根據權利要求1所述的立體攝像測樹儀，其特徵是在雙目攝像頭(2)前分別安裝一個望遠鏡，則可開發為立體全站儀、立體經緯儀和立體羅盤儀，無需反光鏡、標尺的輔助，直接測距、測高、測直徑等。
8.根據權利要求1所述的立體攝像測樹儀，其特徵是去掉豎度盤(3)和羅盤(5)，將雙目攝像頭開發為立體攝影機，攝製立體像片和立體電影、電視等。也可作為立體望遠鏡，進行遠距觀測。
全文摘要
本發明公開了一種立體攝像測樹儀及其全自動測樹方法。它是點抽樣測樹技術、光電技術、測量技術、立體視覺技術，計算機技術相結合的攝影測樹體系。通過林分冠下三階點攝像，能克服林內樹冠重疊的通視困難，直接測定林分蓄積量。並獲得森林樣地最高解析度的影像數據，實現森林資源抽樣調查的全程自動化。值得特別指出的是可將立體攝像測樹儀開發為立體全站儀、立體經緯儀、立體羅盤儀，無需反光鏡、標尺的輔助。應用於大地、道路、地礦等勘測部門以及森林警察與防火部門。也可開發為立體攝影機，攝製立體像片、立體影片，應用在法律、醫學、科研、影視部門。具有廣闊的市場前景。
文檔編號G01C11/36GK1815140SQ200610057518
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月13日 優先權日2006年3月13日
發明者李海奎, 徐禎祥 申請人:中國林業科學研究院資源信息研究所