单幅像片测量技术在伐根测量中的应用

曹明兰 ，李亚东 ，2，贾树华 ，红 玉

（1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083；3.内蒙古大杨树林业局，内蒙古 大杨树 022456；4.国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

单幅像片测量技术在伐根测量中的应用

曹明兰1，李亚东1，2，贾树华3，红 玉4

（1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083；3.内蒙古大杨树林业局，内蒙古 大杨树 022456；4.国家林业局调查规划设计院，北京 100714）

伐根测量可推测过往采伐量、盗伐量或误伐量，还可确定采伐强度，核实森林采伐限额执行情况。传统伐根测量方法的外业工作量大、效率低，随着近景摄影测量技术的发展和数码成像传感器性能的提升，使得从单幅像片中测量物体尺寸成为可能。文章基于小孔成像交比不变性原理，提出了一种从普通数码相机任意姿态拍摄的单幅像片中测量伐根的方法。介绍了该方法的照片采集要求、图像处理流程、并借助Sketchup软件对该方法进行验证，将实验结果与实地直尺测量结果进行比较，结果表明该方法精度可达到94.36%。

单幅像片；近景摄影测量；伐根测量；交比不变性

森林调查通过伐根测量，可推测过往采伐量、盗伐量或误伐量[1]，还可确定采伐强度，核实森林采伐限额执行情况。目前伐根测量主要利用直尺、围尺等工具在标准地逐个测量伐根直径，需要测量和记录两人协同工作，外业工作量大、作业环境恶劣、效率低。近景摄影测量技术的发展和数码成像传感器性能的提升，使得从单幅像片中测量物体尺寸成为可能。单幅像片容易获取、对拍摄相机姿态没有要求，单幅图像几何量测突破了传统摄影测量来自“双眼视觉”的束缚[2]，已广泛应用于刑侦、交通、建筑等领域[3]。本文提出一种从普通数码相机任意姿态拍摄的单幅像片中测量伐根的方法。将外业测量转移到内业进行，不仅提高了外业效率，还可以永久存档，作为复查的依据。

1 伐根测量原理

单幅像片测量的原理是，利用小孔成像模型的以下几个性质：第一，相机把平行的直线映射为图像上相交的直线，该交点为消隐点（Vanish point）。认为平行空间直线在无穷远处相交，消隐点则是该交点的像。所有水平的平行直线均相交于无穷远处的点，由这些点构成无穷远直线在图像上的像叫地平线。三维空间中存在两两相互垂直的三组直线（x轴，y轴，z轴）。在x、y、z方向上的平行直线在一张图片上分别相交于各自消隐点。根据这些消隐点，实现对图片中物体的测量。如已知图片中一个物体的实际大小，可通过长度比例和参照物大小测量图片中物体长度。第二，相机把三维空间投影到二维图像上，保持直线交比不变，交比是四个点两两“比例的比例”。三维空间中的四组四共线点，每组与其他组通过直线到直线的射影变换相关联。由于在射影变换下的交比不变，因此每组有相同的交比值，如图2[4]。

图1 直线之间的射影变换Fig.1 Projective transformations between lines

图2 伐根测量流程Fig.2 Stump measurement procedures

其中

在任何直线的射影变换下，交比值不变。x表示二维矢量直线的射影变换由一个2*2的齐次矩阵表示：如果，则

2 单幅像片伐根测量

2.1 相机标定

在近景摄影测量中，为了确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在影像中对应点之间的投影关系，必须利用相机参数构建相机成像的几何模型。摄像机标定是为了确定摄像机的参数[5]。本研究采用张正友标定法[6]，模型引入透镜的径向畸变和切向畸变的针孔模型，图像点和空间点之间的一个映射关系[7-9]。借助OpenCV库的cvFindChessboardCorners、cvFindCornerSubPix和vCalibrateCamera2()函数标定出相机的内部参数和畸变系数[10]。实验采用相机为Canon 5D MarKII，标定参数如下表1。

表1 相机标定参数Table 1 Camera calibration parameters

2.2 像片采集

通常单幅图像中包含的信息有限，因此照片中需要已知参照物才能测量其他对象。在伐区标准地内，使相机尽可能拍到多个待测伐根，并在场地的适当位置摆放辅助参照物。以参照物边缘清晰、易提取；选用的几何特征所占像素适当[11]；能够看见X和Y方向的两条平行线且XYZ轴垂直；已知XYZ方向上的长度度量等条件为原则选择参照物。本文采用XYZ轴垂直的红白花杆作为参照物拍摄像片。将参照物与对象拍摄到同一像片上。

伐区地形可分为分平地、均匀斜坡地形和任意地形三种[12]。在平地与均匀斜坡地形，一张像片中拍摄到的伐根越多越好；对任意地形来说，若地形起伏较大时，选择相对平整地段的伐根拍摄到同一像片中，尽量保证每一张像片中的地形相对平整。

2.3 畸变校正

影像畸变校正是利用相机标定所获得的内方位元素和光学畸变系数对影像进行畸变校正的过程[13]。本文利用OPENCV的FileStorage函数设置相机的内部参数和畸变系数，再调用undistort函数即可对像片进行畸变校正。

图3 外业像片采集示意Fig.3 Field photo collection diagram

2.4 影像增强

伐区光线条件复杂，外业采集到的照片必须通过增强处理，改善图像质量、加强图像判读和识别，才能达到预期效果。直方图均衡化方法可有效地实现图像增强，通过均衡化处理调整图像灰度分布来改善图像对比度，实现影像增强。本文利用OpenCV基于直方图均衡化方法，对像片进行了增强处理。

2.5 伐根测量

利用Sketchup软件提供的像片匹配功能，将经过畸变校正和影像增强的伐根像片载入进行匹配。首先根据参照物找出X和Y方向上的两个平行线，让Z轴与参照物的纵轴重合，将原点设置到参照物的纵轴与地面的交点上。确定XY轴的平行线方向后，利用参照物上的红白标志确定XYZ轴方向上的度量单位，进行像片匹配。像片匹配后，利用Sketchup软件的测距工具测量伐根直径。

图4 Sketchup伐根测量效果Fig.4 Sketchup stump measurement effect

3 结果与分析

通过伐根测量可以推测过往采伐量、盗伐量，同时也是核实森林采伐限额执行情况的重要依据。单幅像片测量方法实现了非接触式测量，摆脱了传统测量方法的束缚，不仅提高了工作效率，还提供了可视的存档备查资料。本试验在落叶松皆伐迹地中随机拍摄了10张照片，共25个伐根，采用卡尺对年轮圆心的最小方向测量伐根直径作为真值。像片上测量伐根时，利用Sketchup软件重复测量3次，取其算数平均数，如下表2。

伐根测量相对误差=|单幅像片伐根测量值-实测值|/实测值。 （4）

在统计伐根数量时发现，从较大区域的采伐迹地中测量伐根时，存在同一颗伐根被拍摄在多张像片上的现象。这是产生伐根数量误差的主要原因。本试验利用参照物确定了XYZ轴方向，并根据参照物上的红白标志确定了度量单位，这是产生测量误差的主要原因，可通过选择更加精确的参照物等方法提高测量精度。

4 结论与讨论

本文基于小孔成像交比不变性原理，提出了一种从普通数码相机任意姿态拍摄的单幅像片中测量伐根的方法。介绍了该方法的照片采集要求、图像处理流程，并借助Sketchup软件进行验证。结果表明，该方法精度可达到97.21%。单幅像片伐根测量方法为盗伐、滥伐案件的定性及采伐验收工作探索了高效可行的数字化手段。具有以下优点和意义：

表2 单幅像片伐根测量误差分析Table 2 Single photo stump measurement error analysis

（1）采用普通数码相机代替直尺、记录表、笔、夹子等传统工具，实现了非接触式测量。天然林腐殖质凋落物较厚，伐根测量时调查人员体力消耗较大，非接触式测量可快速高效地获取伐根数据，大大降低了外业工作量，提高了工作效率。

（2）相机拍摄时对相机姿态没有特定要求，可以从任意角度拍摄被测伐根，操作人员无需特殊的技术培训就可直接上手，一线林业工人容易掌握。

（3）与双目或多目视觉的测量方法相比，该方法的设备成本低廉、体积小、携带方便，数据采集过程简单、数据处理简便，更容易普及和推广。

（4）伐根测量是确定盗伐量和滥伐量的依据，单幅像片测量方法为盗伐、滥伐等执法性林业工作提供了直观可视的存档资料，方便案件的后续复查。

（5）林区气候极其寒冷，生产条件极其艰苦，而采伐迹后的伐根测量往往也在严寒的冬季进行。该方法将外业工作内业化，大大缩短了“滴水成冰，吐痰成钉”的冰雪严寒的外业工作时间，改善了林区工人的工作环境。

随着森林精准计测领域中新技术方法的不断应用，相信在不久的将来，伐根测量的技术手段会更加灵活便捷。本文从近景摄影测量及计算机视觉角度研究伐根测量，对开发林业执法仪等方面具有一定的参考价值。但由于时间和实验条件限制，仍然有很多不足和改进的地方，如将单幅伐根测量方法开发集成到安卓移动设备上，实现自动化测量等方面有待进一步深入研究。

[1]李裕国. 根据伐根直径测定立木材积和伐根材积[J].林业资源管理, 1977(4): 37-38.

[2]张祖勋. 数字摄影量测与计算机视觉[J].武汉大学学报(信息科学版), 2004, 29(12): 1035-1039.

[3]张剑清, 王 强. 基于近景单影像的房檐改正计算方法[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2007, 32(12): 1091-1094.

[4]Richard Hartley.计算机视觉中的多视图几何[M]. 合肥: 安徽大学出版社, 2002.

[5]李 跃, 汪亚明, 黄文清, 等. 基于OpenCV 的摄像机标定方法研究[J]. 浙江大学学报, 2010, 27(3): 417-421.

[6]ZHANG Zhengyou. Flexible camera calibration viewing aplane from unknown orientations[C]/ /Proc International Conference on Computer Vision(ICCV’99).Corfu,Greece,1999,1:666-673.

[7]高文娟, 李 健. 基于OpenCV的摄像机标定问题研究[J]. 计算机与数字工程, 2008, 36(12): 128-130.

[8]刘睿祯, 于仕琪. OpenCV教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.

[9]韩 峥, 刘华平, 黄文炳, 等. 基于Kinect的机械臂目标抓取[J]. 智能系统学报, 2013, 8(2): 149-155.

[10] 李亚东, 冯仲科, 李长青. USB摄像头双目视觉胸径测量实证研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2016, 36(8): 1-5.

[11] 王美珍. 单幅图像中地物目标几何量测研究[D].南京: 南京师范大学,2011.1-10.

[12] 李亚东, 冯仲科, 曹明兰,等. Android智能手机树高测量APP开发与试验[J]. 中南林业科技大学学报, 2016, 36(10):78-82.

[13] 韩文超. 基于POS系统的无人机遥感图像拼接技术研究与实现[D]. 南京:南京大学, 2011.

[本文编校：吴 彬]

Application of single phone measuring technique in stump measurement

CAO Minglan1, LI Yadong1,2, JIA Shuhua3, HONG Yu4
(1.Beijing Polytechnic College, Beijing 100042,China; 2.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry of Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 3.Inner Mongolia Dayangshu Forest Bureau, Dayangshu 022456, Inner Mongolia, China;4. Academy of Forestry Inventory and Planning, Beijing 100714, China)

Stump measurement can be used to speculate felling quantity, unlawful felling quantity or false felling quantity, confirm felling intensity and verify implementation of forest felling quota. Traditional stump measuring methods feature a heavy field workload and a low efficiency. As the development of close-range photogrammetry and performance improvement of digital imaging sensor, it is possible to measure dimensions of an object in a single photo. In this paper, a method for measuring stumps in a single photo shot with common digital cameras was proposed based on pin-hole imaging cross ratio invariability theory. Photo collection requirements and image processing flow of this method were introduced and verified by virtue of Sketchup software, experimental results and on-site ruler measuring results were compared. The results showed that this method could realize an accuracy of 94.36%.

Single photo; close-range photogrammetry; stump measurement; cross ratio invariability

S758 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2017)10-0018-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.004

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-09-01

国家科技支撑计划项目（2012BAH34B01）；北京市教育委员会创新平台项目（PXM2014-014225-000020）

曹明兰，讲师，博士 通讯作者：李亚东，讲师，博士；E-mail：ydli-1978@163.com

曹明兰，李亚东，贾树华， 等. 单幅像片测量技术在伐根测量中的应用[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(10): 18-21.