立体视觉技术在森林资源调查的应用

潘文君

摘 要：将立体视觉技术应用在森林资源的调查和统计过程之中可以较为高效的完成对测量地区森林资源数量的调查，且其高分辨率的遥感图像也提供了一种新的沿林森林资源动态变化的因素。从森林资源调查的实际情况出发，介绍了立体视觉技术在调查工作之中的应用方案。

关键词：立体视觉技术；森林资源调查；应用

一、立体视觉技术在森林资源调查之中的应用价值

当前我国为了提升林业资源调查工作的进行效率，开始在国内推行数字林业建设。其建设的一大目的就是建立高分辨率的林业影像数据资源，以用来进行资源动态分析和调查。调查人员可以利用相机等成像设备对调查区域进行有计划的摄影，获得该地区森林资源的影像数据，这些影像数据可以和遥感技术的测量数据相结合，进而组成立体化的林业资源影像数据。这种调查方法可以有效的减少在传统的森林资源调查过程之中为了获取林业树木的树高、树木数量等信息而使用的人力物力，提升了检测的精确度和自动化程度，将立体化视觉技术应用在森林资源的调查之中可以有效提升调查工作的准确度。

1、立体视觉概述

立体视觉是指在对场景的摄影过程之中，摄影人员通过两个或是两个以上的摄影视角来观察同一个场景，从而获得同一物体现在不同视角下的图像，之后再通过三角计算的方式阿里确定不同视角之下物体的视差，进而对场景之中物体的位置进行判断。在当前的社会建设过程之中，立体视觉技术主要是用用在遥感图像分析、医学图像处理、身份验证等领域，且取得了相当好的时间效果。林业管理部门为了提升森林资源调查过程之中的效率，降低工作内的支出，也开始将立体视觉技术应用到了林业调查之中，技术人员可以根据对调查区域不同视角的摄影图像来判断区域内的树木分布以及树木的数量变化情况，对于森林资源调查工作的进行质量有提高作用。

2、立体视觉在森林资源调查之中的应用价值

立体视觉技术在使用过程之中主要是通过模仿人类视觉的方式来对被测量地区的森林资源的立体信息进行采集，在实际使用过程之中其主要的特点是测量之中工作量较低，可以获得的森林资源的信息量大。我国当前为了推进林业资源的保护和建设工作，一般会定期进行针对地区的森林资源调查和动态变化分析，将立体视觉技术引入森林资源调查领域可以有效提升调查工作的进行效率，使得获取的资源信息更为直观且易于理解。

二、以立体视觉技术为基础的森林资源调查系统的组成

以立体视觉技术为基础的森林资源调查系统主要是将立体视觉技术应用到了森林资源的调查之中。在系统的结构上，技术人员一般将立体视觉系统分为硬件和软件两部分。硬件系统主要是指摄影部分，这一部分的设备在调查过程之中会从多个视角使用光学摄影机或是用于林业资源调查的其他种类摄像机来拍摄调查区域内部的林业资源，获取在不同的拍摄视角之下的林木资源图像，并将所得的图像上传至调查系统的数据分析中心之中。对于数据和图像的分析过程主要是由调查系统的软件部分来完成，在完成不同的视角之下的森林资源的摄影之后，软件梓潼会使用立体匹配技术来完成树木和立体像的对应匹配，完成匹配之后会通过三维重建来获取树木的实际信息，进而计算该地区的林业调查因子数据。林业立体视觉测量系统一般包括图像获取、摄像机的标定、特征提取、立体匹配、三维重建以及林分调查因子等六大部分，其结构如下图所示：

1、图像获取

在立体视觉调查研究过程之中，用作图像获取方式的技术是多样的，鉴于调查区域在调查时间和环境上的不同，技术人员会选择不同的图像获取方式，以便于取得最佳的调查结果。在图像获取方式的选择过程之中，可以用于考虑的因素包括被调查区域的森林资源的面积、图像拍摄时间、环境光照情况以及摄像机的实际参数。在图像获取的过程之中，由于场景的复杂程度对于物体成像的影响，在实际测量时技术人员需要根据当地的环境对摄像机的位置以及摄像方式进行调整。在调查工作的进行过程之中，工程人员首先需要获取待调查区域的人造物体的图像，将其进行记录。在实际测量之中，技术人员也可以使用全站仪等仪器来测定森林的林分调查因子，并以此来对调查结果的精确程度进行检验。

2、摄像机标定

摄像机标定的目的是根据已知的若干匹配点由对当地森林资源分布计算来确定摄像机的图像坐标系与地理坐标系之间的对应关系.摄像机标定需要确定内参数和外参数。一般在调查过程之中，工程人员会采用基于度量误差模型的摄像机标定方案，即首先由最小二乘法计算投影矩阵，然后从投影矩阵中分解出参数作为进一步计算的初始值，最后考虑投影矩阵中的约束条件及图像坐标的误差结构，由度量误差模型优化参数。

3、特征提取

在应用立体视觉技术进行森林资源调查时，特征提取过程就是从立体像对中提取匹配基元的过程.由于实际拍摄的图像中不可避免地存在光度学和几何学的畸变，所以选择匹配基元时要考虑基元的稳定性和敏感性.针对森林资源调查中的具体问题，主要特征为点特征和边缘特征.点特征主要指明显点，如角点、树皮纹理线的交点、树枝的稍部等.提取点特征的算子常用的有Moravec算子、Forstner算子、形态学确定拐点方法.我国在森林资源调查之中一般采用Forstner算子.边缘特征主要指的是树干的边缘.同时还能检测出边缘的方向，这非常有利于立体匹配。

4、立體匹配

立体匹配是寻求同一空间景物在不同视点下投景图像的对应点间的一一对应关系.与普通的图像模板匹配不同，立体匹配是在两幅存在视点差异、几何、灰度畸变和噪声干扰的图像间进行的，这无疑是十分困难的.根据林业环境下图像的特点，我国提出了外极线约束和边缘约束下的人机交互式的相关匹配策略。

三、结语

本文给出了立体视觉技术应用于森林资源调查的算法、步骤，同时以实验为依据，初步验证了立体视觉技术测定树木胸径和树木点位所能达到的精度水平.结果表明，在实验条件下，立体视觉技术测定的树木胸径和点位图基本能够满足森林资源调查的精度要求，同时大大减轻了森林调查的外业劳动强度以及调查过程中人对环境的破坏。

参考文献：

[1] 王天珍.计算机视觉研究进展.武汉汽车工业大学学报，1999，20（1）：23—27

[2] 应义斌，傅宾忠，蒋亦元，等.机器视觉技术在农业生产自动化中的应用.农业工程学报， 1999，15（3）：199—203