近景摄影测树仪的研究与开发

徐伟恒，高娜，项飞，杨磊，孔雷，戴杨

(1.西南林业大学计算机与信息学院，昆明 650224；2.北京中科海讯数字科技股份有限公司，北京 100095；3.国家林业局昆明勘察设计院，昆明 650216)

近景摄影测树仪的研究与开发

徐伟恒1，高娜1，项飞2*，杨磊1，孔雷3，戴杨1

(1.西南林业大学计算机与信息学院，昆明 650224；2.北京中科海讯数字科技股份有限公司，北京 100095；3.国家林业局昆明勘察设计院，昆明 650216)

立木树高、胸径、任意处直径及高度是单木测量的重要因子，传统的测量方法需要多种测树工具分别进行测量，为了实现这些因子的快速非接触测量，笔者基于近景测量原理，设计了一种高速数字化、便携的近景摄影测树仪。该设备以激光尺、倾角传感器、摄像头和核心板卡等主要硬件为基础，以CCD传感器为采集信息手段。利用近景摄影技术，通过数字信号处理器及其应用系统进行图像处理，提取并存储立木的树高、胸径和任意处直径及高度等信息，实现了单次摄影测量多个测树因子的功能。试验结果表明，任意处直径测量与测树钢围尺的相对误差范围为10.193%～17.977%；高度测量与卷尺的相对误差范围为8.763%～11.721%。树高测量与MPTS-2的相对误差为11.52%，胸径测量与测树钢围尺的相对误差为15.19%。

近景摄影；树高；直径；数字图像处理

在林业及相关科学领域中，森林计测学是最基本的学科之一，用于树木和林分参数的测量与记录，从而实现对森林资源的获取和分析。在森林资源调查中，其基本工作包括测量单木树高、树径(胸径和任意处直径)及材积等指标，测量林分树木间的距离、方位角及坡度等指标。随着对单木树高和直径的量化信息的需求日益增长，研究森林资源调查设备的功能性和便携性对森林信息获取的效率和精度有重大的作用。

国外森林计测量技术的发展较快，其研究起始于20世纪四五十年代，基于相似三角形原理和三角函数原理两种设计思想，在树高测量方面，研制出麻生式测高器、魏赛式测高器、克里斯顿测高器、布鲁莱斯测高器[1]等。在直径测量方面，常用到的测量工具有卡尺、围尺、芬兰抛物线卡尺和惠勒五棱镜等仪器。Kennel[2]分别使用两种工具对单木断面积进行测量，结果发现使用卡尺测量的平均误差比围尺的低2.14%。目前我国森林计测已经引入罗盘仪、全站仪、经纬仪和超站仪等精密测量设备[3-4]。冯仲科等[5-9]发明了电子角规，利用森林罗盘仪、电子经纬仪、全站仪、测树型超站仪、PDA(personal digital assistant)等设备进行森林计测；唐雪海等[10]用数字近景摄影测量辅助三维激光扫描对森林固定样地测树进行了尝试；关强等[11]借助超声波传感器和条码阅读器等技术设计了一款光电式直径测量仪。但国内目前研制的测树仪器均存在功能单一、便携性差、缺乏灵活性、价格偏高等问题，在一定程度上还不能满足现代林业应用的需要。

20世纪70年代开始，摄影测量用于非地形摄影测量(近景摄影测量)，并在各个相关学科中不断发展和应用。近景摄影测量一般是针对100 m范围以内的目标进行摄影或摄像，并通过数字图像处理技术，获取被摄目标的各种参数，是一门现代化技术。张超等[12]利用近景摄影测量方法获取森林资源调查中的各种测树因子。冯仲科等[13]提出通过一种工具如普通光学或数码相机，基于计算机建立数字近景摄影测量的系统。我国对此研究起步较晚，为了满足我国林业生产和现代林业的发展需求，我国已开始重视这方面的研究，而且微电子技术、传感器技术和计算机科学技术的发展，也促进了森林计测设备仪器向集成化和数字化方向的发展，但该类设备仪器尚处于起步阶段[14]。

综上所述，迫切需要一种速度快、便携性强、多功能、价格低的树木测量设备用于改善我国森林资源调查状况[15]。本研究结合森林资源调查的实际需求，利用摄像头传感器、近景摄影测量技术、数字信号处理系统以及数字图像识别技术提取并存储立木的树高和任意处直径等信息，并且将多种测量参数指标融为一体，设计了近景摄影测树仪器的实际系统，能够实现立木树高测量和树径(胸径和任意处直径)测量等功能。

1 近景摄影测树仪系统设计

1.1 硬件结构

近景摄影测树仪以激光尺、倾角传感器、摄像头和核心板卡等主要硬件为基础，包括图像采集模块、图像处理模块、其他参数测量模块、液晶显示模块、外部存储模块和其他外围控制模块等(图1)。采用北京亿旗创新发展有限公司AG-BLANKFIN-BF533-EVM02评估板和自制的其他参数测量模块电路板相结合，进行实际开发工作。结合评估板的硬件平台，可以和其他系统轻松交互数据，降低了系统开发的周期和难度，有效简化了开发步骤。

图1 系统硬件框图Fig. 1 The hardware configuration diagram of the system

图像采集模块主要核心器件是ADV7181B视频解码芯片和专业摄像头，参数如表1所示。图像处理模块主要核心器件是BF533定点DSP芯片，其他参数测量模块采用GPS和三轴加速度计芯片，液晶显示模块采用数字接口的液晶显示屏，外部存储模块采用Flash、SDRAM、Nand Flash和SD，控制模块采用按键和触摸屏。

表1 摄像头参数Table 1 The camera model and parameters

1.2 软件设计

ADI的各系列DSP的模拟、仿真和调试，都是在VisualDSP++环境下进行的。VisualDSP++是一个便于开发调试和下载程序的管理系统，适用于各类DSP应用的开发和中间调试的管理。基于Blackfin ADSP-BF533芯片的近景摄影测树仪系统软件部分主要由底层DSP处理功能软件部分组成，其工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程图Fig. 2 The system work flow diagram

1.3 图像处理算法

MATLAB软件支持数字图像处理，带有丰富的函数，可以帮助分析本试验测量的最终结果。摄影测树仪器所带有的液晶显示屏为3.2英寸(8.128 cm)，图像选取像素点时，定位会有漂移或模糊不清，是液晶屏分辨率不足导致的，为验证本研究仪器测量精度，后续测量工作通过使用MATLAB自定义的GUI编程界面，借助其强大的图像处理和计算功能，设计需要的可视化系统(图3)。

图3 MATLAB图像处理系统Fig. 3 The image processing system in MATLAB

2 摄影测树原理

2.1 角度测量原理

仪器通过摄像头保存到SD卡中的图像数据是JPEG格式的，最终图像数据要加载到图像坐标系中。如图4所示，图片起始点坐标是左上角像素点(1，1)，其X轴和Y轴分别对应图像宽度w和高度h。一幅图像中的总像素可以表示为w×h个像素。图像宽度的测量，就是直接量测激光点在图像上a、b两点的坐标(xa,ya)、(xb,yb)。

图4 仪器姿态测量示意图Fig. 4 Schematic diagram of instrument attitude measurement

根据两点间的距离公式，即直接计算得到图像宽度wab的像素值，可表示为公式(1)；同理，图像高度hcd，可表示为公式(2)。

(1)

(2)

当yb-ya≠0、xd-xc≠0时，说明摄像头所处的环境不处于垂直正交状态(φ=0°，φ=90°)，可以计算出激光尺的横摇角度φ和纵倾角度φ，得到其状态偏差。具体计算公式见公式(3)和公式(4)，xb-xa≠0，且xd-xc≠0。

φ=arctan[(yb-ya)/(xb-xa)]

(3)

φ=arctan[(yd-yc)/(xd-xc)]

(4)

2.2 比例因子K的测定

1 cm2方格横向和纵向的实际长度与图片中对应的长度存在一个比例因子，常用K来表示，单位为cm/pixel。

(5)

式中：w和h分别为被测目标的成像宽度和高度，pixel；W和H分别为被摄目标的实际宽度和高度，cm。

2.3 任意处高度和直径测量原理

树高测量方法如图5所示，手持激光尺电路板，正对活立木进行树高拍摄，使得激光尺发射出的光线在立木树干中间。对立木进行摄影测量时，应正对立木，并选取由激光尺发射出来的纵向激光点CD所处的立木剖面。

图5 任意处高度及树高测量原理图Fig. 5 The schematic diagram of tree height measurement at any height

在图中，若取被测目标上面的C、D两点，其实际高度为5 cm(本设计中激光尺距离固定为5 cm)，对应在相片中的c、d两点，量得其图像高度是hcdpixel。由公式(5)可知，此时的纵向比例因子Ky=5/hcd，单位为cm/pixel。如果在相片上，量取立木上任一点处到地面的高度h0，就可得到实际高度H0=Ky×h0,cm。

任意处直径测量方法如图6所示，使激光尺发射激光点到活立木Si处，设被测活立木图像上Si处两点的宽度为d，Si处直径为D0。则此时的横向比例因子Kx=5/w，单位为cm/pixel，Si处的实际直径D0=Kx×d。

图6 任意处直径测量图Fig. 6 The schematic diagram of tree diameter measurement at any given position

由公式(5)可知，如果比例因子Kx或Ky已知，被测目标的宽度W′或高度H′可以通过量测像上对应点的宽度w′或高度h′，通过与比例因子相乘得到，即公式(6)。对立木的测量来说，其任一点高度H′的测量，就是对应图像中的高度h′的测量；任一点直径W′的测量，就是对应图像中的宽度w′的测量。

(6)

在激光尺所在电路中，激光尺与摄像头处于同一姿态状态。当激光尺发生角度变化时，摄像头获取的像点也就发生了偏移。需要结合横摇角度φ和纵倾角度φ进行校正后，就可以准确还原相片上的宽度w′或高度h′，如公式(7)所示。

(7)

将公式(7)计算得到的结果分别代入公式(6)，即可得到被测目标的宽度W′和高度H′。

2.4 模型误差分析

近景摄影测树仪通过摄像头测量立木高度和直径的误差主要是K值误差和图像宽度w′或高度h′的误差引起，根据公式(6)，求全微分可得公式(8)，依据误差传播定理可得到公式(9)。

(8)

(9)

2.5 不同距离下K值的确定

不同距离下K值结果见表2。在同一平面上，横向比例因子Kx和纵向比例因子Ky的数值大致相等，且使用方格控制测量模型和使用激光尺控制测量模型计算得到的数值比较接近。比例因子K随着距离u的增加，呈现一定的递增关系，可以通过建立函数模型的方式进行表达。

表2 比例因子K计算Table 2 The calculation table of scaling factor K /(cm·pixel-1)

方格的横向比例因子Kx和纵向比例因子Ky基本比较接近，而激光尺的纵向比例因子Ky在931.1 cm处的和1 430.9 cm处以后的数据偏差波动较大(图7)。建立关系式时，取平均比例系数K与距离u之间的多项式关系式K=h(u)见公式(10)。

K=4×10-5u

(10)

其中，决定系数R2为0.998。

图7 K值与距离u之间的关系图Fig. 7 The relationship of distance u against K value

3 结果与分析

3.1 任意高度和直接测量分析

本次试验中，选取了西南林业大学校内1棵活立木进行拍摄，将测树钢围尺(太平洋牌)和5 m钢卷尺测量值作为真值，使用该仪器测量值为测量值，最终结果见表3。

在被测活立木上，由下而上设立标识段号，该标识应该易于观察，紧贴树表面，且不影响测量工作。每个段号是以高度为50 cm左右的间距递增，直至无法准确测量位置进行标定，方便选点读数。在每一个段号的标定处，使用两种仪器重复测量5次该段号的高度和立木的直径。

由表3可知，对活立木任意处直径和对应处高度的测量结果中，在立木直径测量方面，使用仪器测量的直径测量结果相对于测树钢围尺的测量结果的误差范围在10.193%～17.977%；在高度测量方面，使用仪器测量的高度测量结果相对于卷尺的测量结果的误差范围在8.763%～11.721%。

表3 分段测量表Table 3 Section measurement table

3.2 精度与误差分析

3.2.1 精度分析

在立木便于拍摄的位置(胸径)处，做上标识，分别用本研究的仪器和南方测绘的手持式测树全站仪MPTS-2、测树钢围尺分别对西南林业大学校园内的1棵立木(云南樟)进行5次重复性测量。树高和胸径测量的精度用5次观测的标准差ISD衡量，利用公式(11)进行计算：

(11)

树高和直径测量结果见表4。由表可知，使用MPTS-2进行5次重复测量同一棵树木树高的标准差是0.34 m，而使用摄影测树仪测量该树树高的标准差是0.004 5 m，表明摄影测树仪测量树高稳定性高于MPTS-2；使用测树钢围尺5次重复测量同一树木直径的标准差是0.23 cm，使用摄影测树仪测量该树直径的标准差是0.32 cm，表明摄影测树仪测量直径测量稳定性低于测树钢围尺。

表4 树高和直径测量分析Table 4 The analysis of tree height and diameter measurement

3.2.2 误差分析

(12)

计算可知，使用激光尺和手持式测树全站仪MPTS-2对1棵立木的固定位置上进行量测，使用仪器测量的胸径测量结果相对于测树钢围尺的测量结果的误差在15.19%；在树高测量方面，使用仪器测量的树高测量结果相对于MPTS-2测量结果的误差在11.52%。

4 结 论

本研究设计实现了一种近景摄影测树仪系统。单木测量功能集成于一体，数据可以通过SD与计算机进行数据交互，通过内业处理程序，实现了外业数据采集、存储、处理数字化，内业数据处理、分析智能化。通过自制非接触控制测量模型——激光尺，实现了立木任意处直径及树高测量。在室内和室外开展了测树仪的精度和误差验证，试验结果表明，高度测量结果相对于卷尺测量结果的误差范围在8.763%～11.721%，直径测量结果相对于测树钢围尺的测量结果的误差范围在10.193%～17.977%；树高测量与MPTS-2的相对误差为11.52%，胸径测量与测树钢围尺的相对误差为15.19%。

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Development of photogrammetric instrument for tree mensuration

XU Weiheng1, GAO Na1, XIANG Fei2*, YANG Lei1, KONG Lei3, DAI Yang1

(1. Computer and Information Institute, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2. Beijing ZhongkeHaixun Digital Technology Co., Ltd., Beijing 100095, China; 3. China Forest Exploration &Design Institute on Kunming, Kunming 650216, China)

Forest mensuration is one of the basics in forestry science and other related fields. Tree height, diameter at breast height(DBH), diameter at arbitrary height and corresponding height are critical factors of individual tree mensuration in field investigation. These factors are measured by using multiple tools in traditional methods. Meanwhile, it is difficult to measure the diameter at arbitrary height and corresponding height when the position much higher than the height of manipulator. In order to measure these factors with the non-contact measurement method conveniently, a new close range photography instrument for tree mensuration with the characteristics of fast digitization and portability was designed based on the principle of close-range photogrammetry. The instrument consists of laser ruler, obliquity sensor, camera and the core board，and the CCD (charge coupled device) sensor acts as the tool of information acquisition. The close-range photography technology, and the digital signal processor and its application system were coupled to extract and store tree height, DBH, diameter at arbitrary height and corresponding height. Multiple tree factors could be measured through single photogrammetry. The performance of the instrument was evaluated by comparing with the hand-held total station for tree mensuration MPTS-2 designed by South Surveying and Mapping Company, and the steel enclosed ruler. The results showed that the relative error range of the diameter at arbitrary height is of 10.193%-17.977% compared with the steel enclosed ruler and that of corresponding height with the range of 8.763%-11.721% compared with tape measure. The tree height measurement error of the instrument was 11.52% relative to the MPTS-2 and the diameter error was 15.19% relative to the steel enclosed ruler respectively.

close-range photography; tree height; diameter; digital image-processing

2016-09-23

2016-12-16

云南省科技厅重点新产品开发项目(2016BC006)；云南省教育厅科学研究基金重点项目(2013Z084)；昆明市林业信息工程技术研究中心开放基金建设项目资助(2015FIA03)。

徐伟恒，男，博士，副教授，研究方向为林业装备与信息化。通信作者：项飞，男，高级工程师。E-mail:xiangf2016@aliyun.com

S24；S758.5

A

2096-1359(2017)03-0117-07