近景攝影測樹儀的研究與開發(fā)

徐偉恒，高娜，項飛，楊磊，孔雷，戴楊

(1.西南林業(yè)大學計算機與信息學院，昆明 650224；2.北京中科海訊數(shù)字科技股份有限公司，北京 100095；3.國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，昆明 650216)

近景攝影測樹儀的研究與開發(fā)

徐偉恒1，高娜1，項飛2*，楊磊1，孔雷3，戴楊1

(1.西南林業(yè)大學計算機與信息學院，昆明 650224；2.北京中科海訊數(shù)字科技股份有限公司，北京 100095；3.國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，昆明 650216)

立木樹高、胸徑、任意處直徑及高度是單木測量的重要因子，傳統(tǒng)的測量方法需要多種測樹工具分別進行測量，為了實現(xiàn)這些因子的快速非接觸測量，筆者基于近景測量原理，設(shè)計了一種高速數(shù)字化、便攜的近景攝影測樹儀。該設(shè)備以激光尺、傾角傳感器、攝像頭和核心板卡等主要硬件為基礎(chǔ)，以CCD傳感器為采集信息手段。利用近景攝影技術(shù)，通過數(shù)字信號處理器及其應(yīng)用系統(tǒng)進行圖像處理，提取并存儲立木的樹高、胸徑和任意處直徑及高度等信息，實現(xiàn)了單次攝影測量多個測樹因子的功能。試驗結(jié)果表明，任意處直徑測量與測樹鋼圍尺的相對誤差范圍為10.193%～17.977%；高度測量與卷尺的相對誤差范圍為8.763%～11.721%。樹高測量與MPTS-2的相對誤差為11.52%，胸徑測量與測樹鋼圍尺的相對誤差為15.19%。

近景攝影；樹高；直徑；數(shù)字圖像處理

在林業(yè)及相關(guān)科學領(lǐng)域中，森林計測學是最基本的學科之一，用于樹木和林分參數(shù)的測量與記錄，從而實現(xiàn)對森林資源的獲取和分析。在森林資源調(diào)查中，其基本工作包括測量單木樹高、樹徑(胸徑和任意處直徑)及材積等指標，測量林分樹木間的距離、方位角及坡度等指標。隨著對單木樹高和直徑的量化信息的需求日益增長，研究森林資源調(diào)查設(shè)備的功能性和便攜性對森林信息獲取的效率和精度有重大的作用。

國外森林計測量技術(shù)的發(fā)展較快，其研究起始于20世紀四五十年代，基于相似三角形原理和三角函數(shù)原理兩種設(shè)計思想，在樹高測量方面，研制出麻生式測高器、魏賽式測高器、克里斯頓測高器、布魯萊斯測高器[1]等。在直徑測量方面，常用到的測量工具有卡尺、圍尺、芬蘭拋物線卡尺和惠勒五棱鏡等儀器。Kennel[2]分別使用兩種工具對單木斷面積進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用卡尺測量的平均誤差比圍尺的低2.14%。目前我國森林計測已經(jīng)引入羅盤儀、全站儀、經(jīng)緯儀和超站儀等精密測量設(shè)備[3-4]。馮仲科等[5-9]發(fā)明了電子角規(guī)，利用森林羅盤儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、測樹型超站儀、PDA(personal digital assistant)等設(shè)備進行森林計測；唐雪海等[10]用數(shù)字近景攝影測量輔助三維激光掃描對森林固定樣地測樹進行了嘗試；關(guān)強等[11]借助超聲波傳感器和條碼閱讀器等技術(shù)設(shè)計了一款光電式直徑測量儀。但國內(nèi)目前研制的測樹儀器均存在功能單一、便攜性差、缺乏靈活性、價格偏高等問題，在一定程度上還不能滿足現(xiàn)代林業(yè)應(yīng)用的需要。

20世紀70年代開始，攝影測量用于非地形攝影測量(近景攝影測量)，并在各個相關(guān)學科中不斷發(fā)展和應(yīng)用。近景攝影測量一般是針對100 m范圍以內(nèi)的目標進行攝影或攝像，并通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲取被攝目標的各種參數(shù)，是一門現(xiàn)代化技術(shù)。張超等[12]利用近景攝影測量方法獲取森林資源調(diào)查中的各種測樹因子。馮仲科等[13]提出通過一種工具如普通光學或數(shù)碼相機，基于計算機建立數(shù)字近景攝影測量的系統(tǒng)。我國對此研究起步較晚，為了滿足我國林業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展需求，我國已開始重視這方面的研究，而且微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機科學技術(shù)的發(fā)展，也促進了森林計測設(shè)備儀器向集成化和數(shù)字化方向的發(fā)展，但該類設(shè)備儀器尚處于起步階段[14]。

綜上所述，迫切需要一種速度快、便攜性強、多功能、價格低的樹木測量設(shè)備用于改善我國森林資源調(diào)查狀況[15]。本研究結(jié)合森林資源調(diào)查的實際需求，利用攝像頭傳感器、近景攝影測量技術(shù)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)以及數(shù)字圖像識別技術(shù)提取并存儲立木的樹高和任意處直徑等信息，并且將多種測量參數(shù)指標融為一體，設(shè)計了近景攝影測樹儀器的實際系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)立木樹高測量和樹徑(胸徑和任意處直徑)測量等功能。

1 近景攝影測樹儀系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

近景攝影測樹儀以激光尺、傾角傳感器、攝像頭和核心板卡等主要硬件為基礎(chǔ)，包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、其他參數(shù)測量模塊、液晶顯示模塊、外部存儲模塊和其他外圍控制模塊等(圖1)。采用北京億旗創(chuàng)新發(fā)展有限公司AG-BLANKFIN-BF533-EVM02評估板和自制的其他參數(shù)測量模塊電路板相結(jié)合，進行實際開發(fā)工作。結(jié)合評估板的硬件平臺，可以和其他系統(tǒng)輕松交互數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)開發(fā)的周期和難度，有效簡化了開發(fā)步驟。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig. 1 The hardware configuration diagram of the system

圖像采集模塊主要核心器件是ADV7181B視頻解碼芯片和專業(yè)攝像頭，參數(shù)如表1所示。圖像處理模塊主要核心器件是BF533定點DSP芯片，其他參數(shù)測量模塊采用GPS和三軸加速度計芯片，液晶顯示模塊采用數(shù)字接口的液晶顯示屏，外部存儲模塊采用Flash、SDRAM、Nand Flash和SD，控制模塊采用按鍵和觸摸屏。

表1 攝像頭參數(shù)Table 1 The camera model and parameters

1.2 軟件設(shè)計

ADI的各系列DSP的模擬、仿真和調(diào)試，都是在VisualDSP++環(huán)境下進行的。VisualDSP++是一個便于開發(fā)調(diào)試和下載程序的管理系統(tǒng)，適用于各類DSP應(yīng)用的開發(fā)和中間調(diào)試的管理?；贐lackfin ADSP-BF533芯片的近景攝影測樹儀系統(tǒng)軟件部分主要由底層DSP處理功能軟件部分組成，其工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig. 2 The system work flow diagram

1.3 圖像處理算法

MATLAB軟件支持數(shù)字圖像處理，帶有豐富的函數(shù)，可以幫助分析本試驗測量的最終結(jié)果。攝影測樹儀器所帶有的液晶顯示屏為3.2英寸(8.128 cm)，圖像選取像素點時，定位會有漂移或模糊不清，是液晶屏分辨率不足導致的，為驗證本研究儀器測量精度，后續(xù)測量工作通過使用MATLAB自定義的GUI編程界面，借助其強大的圖像處理和計算功能，設(shè)計需要的可視化系統(tǒng)(圖3)。

圖3 MATLAB圖像處理系統(tǒng)Fig. 3 The image processing system in MATLAB

2 攝影測樹原理

2.1 角度測量原理

儀器通過攝像頭保存到SD卡中的圖像數(shù)據(jù)是JPEG格式的，最終圖像數(shù)據(jù)要加載到圖像坐標系中。如圖4所示，圖片起始點坐標是左上角像素點(1，1)，其X軸和Y軸分別對應(yīng)圖像寬度w和高度h。一幅圖像中的總像素可以表示為w×h個像素。圖像寬度的測量，就是直接量測激光點在圖像上a、b兩點的坐標(xa,ya)、(xb,yb)。

圖4 儀器姿態(tài)測量示意圖Fig. 4 Schematic diagram of instrument attitude measurement

根據(jù)兩點間的距離公式，即直接計算得到圖像寬度wab的像素值，可表示為公式(1)；同理，圖像高度hcd，可表示為公式(2)。

(1)

(2)

當yb-ya≠0、xd-xc≠0時，說明攝像頭所處的環(huán)境不處于垂直正交狀態(tài)(φ=0°，φ=90°)，可以計算出激光尺的橫搖角度φ和縱傾角度φ，得到其狀態(tài)偏差。具體計算公式見公式(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的測定

1 cm2方格橫向和縱向的實際長度與圖片中對應(yīng)的長度存在一個比例因子，常用K來表示，單位為cm/pixel。

(5)

式中：w和h分別為被測目標的成像寬度和高度，pixel；W和H分別為被攝目標的實際寬度和高度，cm。

2.3 任意處高度和直徑測量原理

樹高測量方法如圖5所示，手持激光尺電路板，正對活立木進行樹高拍攝，使得激光尺發(fā)射出的光線在立木樹干中間。對立木進行攝影測量時，應(yīng)正對立木，并選取由激光尺發(fā)射出來的縱向激光點CD所處的立木剖面。

圖5 任意處高度及樹高測量原理圖Fig. 5 The schematic diagram of tree height measurement at any height

在圖中，若取被測目標上面的C、D兩點，其實際高度為5 cm(本設(shè)計中激光尺距離固定為5 cm)，對應(yīng)在相片中的c、d兩點，量得其圖像高度是hcdpixel。由公式(5)可知，此時的縱向比例因子Ky=5/hcd，單位為cm/pixel。如果在相片上，量取立木上任一點處到地面的高度h0，就可得到實際高度H0=Ky×h0,cm。

任意處直徑測量方法如圖6所示，使激光尺發(fā)射激光點到活立木Si處，設(shè)被測活立木圖像上Si處兩點的寬度為d，Si處直徑為D0。則此時的橫向比例因子Kx=5/w，單位為cm/pixel，Si處的實際直徑D0=Kx×d。

圖6 任意處直徑測量圖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，被測目標的寬度W′或高度H′可以通過量測像上對應(yīng)點的寬度w′或高度h′，通過與比例因子相乘得到，即公式(6)。對立木的測量來說，其任一點高度H′的測量，就是對應(yīng)圖像中的高度h′的測量；任一點直徑W′的測量，就是對應(yīng)圖像中的寬度w′的測量。

(6)

在激光尺所在電路中，激光尺與攝像頭處于同一姿態(tài)狀態(tài)。當激光尺發(fā)生角度變化時，攝像頭獲取的像點也就發(fā)生了偏移。需要結(jié)合橫搖角度φ和縱傾角度φ進行校正后，就可以準確還原相片上的寬度w′或高度h′，如公式(7)所示。

(7)

將公式(7)計算得到的結(jié)果分別代入公式(6)，即可得到被測目標的寬度W′和高度H′。

2.4 模型誤差分析

近景攝影測樹儀通過攝像頭測量立木高度和直徑的誤差主要是K值誤差和圖像寬度w′或高度h′的誤差引起，根據(jù)公式(6)，求全微分可得公式(8)，依據(jù)誤差傳播定理可得到公式(9)。

(8)

(9)

2.5 不同距離下K值的確定

不同距離下K值結(jié)果見表2。在同一平面上，橫向比例因子Kx和縱向比例因子Ky的數(shù)值大致相等，且使用方格控制測量模型和使用激光尺控制測量模型計算得到的數(shù)值比較接近。比例因子K隨著距離u的增加，呈現(xiàn)一定的遞增關(guān)系，可以通過建立函數(shù)模型的方式進行表達。

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

方格的橫向比例因子Kx和縱向比例因子Ky基本比較接近，而激光尺的縱向比例因子Ky在931.1 cm處的和1 430.9 cm處以后的數(shù)據(jù)偏差波動較大(圖7)。建立關(guān)系式時，取平均比例系數(shù)K與距離u之間的多項式關(guān)系式K=h(u)見公式(10)。

K=4×10-5u

(10)

其中，決定系數(shù)R2為0.998。

圖7 K值與距離u之間的關(guān)系圖Fig. 7 The relationship of distance u against K value

3 結(jié)果與分析

3.1 任意高度和直接測量分析

本次試驗中，選取了西南林業(yè)大學校內(nèi)1棵活立木進行拍攝，將測樹鋼圍尺(太平洋牌)和5 m鋼卷尺測量值作為真值，使用該儀器測量值為測量值，最終結(jié)果見表3。

在被測活立木上，由下而上設(shè)立標識段號，該標識應(yīng)該易于觀察，緊貼樹表面，且不影響測量工作。每個段號是以高度為50 cm左右的間距遞增，直至無法準確測量位置進行標定，方便選點讀數(shù)。在每一個段號的標定處，使用兩種儀器重復測量5次該段號的高度和立木的直徑。

由表3可知，對活立木任意處直徑和對應(yīng)處高度的測量結(jié)果中，在立木直徑測量方面，使用儀器測量的直徑測量結(jié)果相對于測樹鋼圍尺的測量結(jié)果的誤差范圍在10.193%～17.977%；在高度測量方面，使用儀器測量的高度測量結(jié)果相對于卷尺的測量結(jié)果的誤差范圍在8.763%～11.721%。

表3 分段測量表Table 3 Section measurement table

3.2 精度與誤差分析

3.2.1 精度分析

在立木便于拍攝的位置(胸徑)處，做上標識，分別用本研究的儀器和南方測繪的手持式測樹全站儀MPTS-2、測樹鋼圍尺分別對西南林業(yè)大學校園內(nèi)的1棵立木(云南樟)進行5次重復性測量。樹高和胸徑測量的精度用5次觀測的標準差I(lǐng)SD衡量，利用公式(11)進行計算：

(11)

樹高和直徑測量結(jié)果見表4。由表可知，使用MPTS-2進行5次重復測量同一棵樹木樹高的標準差是0.34 m，而使用攝影測樹儀測量該樹樹高的標準差是0.004 5 m，表明攝影測樹儀測量樹高穩(wěn)定性高于MPTS-2；使用測樹鋼圍尺5次重復測量同一樹木直徑的標準差是0.23 cm，使用攝影測樹儀測量該樹直徑的標準差是0.32 cm，表明攝影測樹儀測量直徑測量穩(wěn)定性低于測樹鋼圍尺。

表4 樹高和直徑測量分析Table 4 The analysis of tree height and diameter measurement

3.2.2 誤差分析

(12)

計算可知，使用激光尺和手持式測樹全站儀MPTS-2對1棵立木的固定位置上進行量測，使用儀器測量的胸徑測量結(jié)果相對于測樹鋼圍尺的測量結(jié)果的誤差在15.19%；在樹高測量方面，使用儀器測量的樹高測量結(jié)果相對于MPTS-2測量結(jié)果的誤差在11.52%。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計實現(xiàn)了一種近景攝影測樹儀系統(tǒng)。單木測量功能集成于一體，數(shù)據(jù)可以通過SD與計算機進行數(shù)據(jù)交互，通過內(nèi)業(yè)處理程序，實現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)采集、存儲、處理數(shù)字化，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、分析智能化。通過自制非接觸控制測量模型——激光尺，實現(xiàn)了立木任意處直徑及樹高測量。在室內(nèi)和室外開展了測樹儀的精度和誤差驗證，試驗結(jié)果表明，高度測量結(jié)果相對于卷尺測量結(jié)果的誤差范圍在8.763%～11.721%，直徑測量結(jié)果相對于測樹鋼圍尺的測量結(jié)果的誤差范圍在10.193%～17.977%；樹高測量與MPTS-2的相對誤差為11.52%，胸徑測量與測樹鋼圍尺的相對誤差為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

云南省科技廳重點新產(chǎn)品開發(fā)項目(2016BC006)；云南省教育廳科學研究基金重點項目(2013Z084)；昆明市林業(yè)信息工程技術(shù)研究中心開放基金建設(shè)項目資助(2015FIA03)。

徐偉恒，男，博士，副教授，研究方向為林業(yè)裝備與信息化。通信作者：項飛，男，高級工程師。E-mail:xiangf2016@aliyun.com

S24；S758.5

A

2096-1359(2017)03-0117-07