單幅像片測(cè)量技術(shù)在伐根測(cè)量中的應(yīng)用

曹明蘭 ，李亞東 ，2，賈樹華 ，紅 玉

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.內(nèi)蒙古大楊樹林業(yè)局，內(nèi)蒙古 大楊樹 022456；4.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714）

單幅像片測(cè)量技術(shù)在伐根測(cè)量中的應(yīng)用

曹明蘭1，李亞東1，2，賈樹華3，紅 玉4

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.內(nèi)蒙古大楊樹林業(yè)局，內(nèi)蒙古 大楊樹 022456；4.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714）

伐根測(cè)量可推測(cè)過往采伐量、盜伐量或誤伐量，還可確定采伐強(qiáng)度，核實(shí)森林采伐限額執(zhí)行情況。傳統(tǒng)伐根測(cè)量方法的外業(yè)工作量大、效率低，隨著近景攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼成像傳感器性能的提升，使得從單幅像片中測(cè)量物體尺寸成為可能。文章基于小孔成像交比不變性原理，提出了一種從普通數(shù)碼相機(jī)任意姿態(tài)拍攝的單幅像片中測(cè)量伐根的方法。介紹了該方法的照片采集要求、圖像處理流程、并借助Sketchup軟件對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)地直尺測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明該方法精度可達(dá)到94.36%。

單幅像片；近景攝影測(cè)量；伐根測(cè)量；交比不變性

森林調(diào)查通過伐根測(cè)量，可推測(cè)過往采伐量、盜伐量或誤伐量[1]，還可確定采伐強(qiáng)度，核實(shí)森林采伐限額執(zhí)行情況。目前伐根測(cè)量主要利用直尺、圍尺等工具在標(biāo)準(zhǔn)地逐個(gè)測(cè)量伐根直徑，需要測(cè)量和記錄兩人協(xié)同工作，外業(yè)工作量大、作業(yè)環(huán)境惡劣、效率低。近景攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼成像傳感器性能的提升，使得從單幅像片中測(cè)量物體尺寸成為可能。單幅像片容易獲取、對(duì)拍攝相機(jī)姿態(tài)沒有要求，單幅圖像幾何量測(cè)突破了傳統(tǒng)攝影測(cè)量來自“雙眼視覺”的束縛[2]，已廣泛應(yīng)用于刑偵、交通、建筑等領(lǐng)域[3]。本文提出一種從普通數(shù)碼相機(jī)任意姿態(tài)拍攝的單幅像片中測(cè)量伐根的方法。將外業(yè)測(cè)量轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)進(jìn)行，不僅提高了外業(yè)效率，還可以永久存檔，作為復(fù)查的依據(jù)。

1 伐根測(cè)量原理

單幅像片測(cè)量的原理是，利用小孔成像模型的以下幾個(gè)性質(zhì)：第一，相機(jī)把平行的直線映射為圖像上相交的直線，該交點(diǎn)為消隱點(diǎn)（Vanish point）。認(rèn)為平行空間直線在無窮遠(yuǎn)處相交，消隱點(diǎn)則是該交點(diǎn)的像。所有水平的平行直線均相交于無窮遠(yuǎn)處的點(diǎn)，由這些點(diǎn)構(gòu)成無窮遠(yuǎn)直線在圖像上的像叫地平線。三維空間中存在兩兩相互垂直的三組直線（x軸，y軸，z軸）。在x、y、z方向上的平行直線在一張圖片上分別相交于各自消隱點(diǎn)。根據(jù)這些消隱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片中物體的測(cè)量。如已知圖片中一個(gè)物體的實(shí)際大小，可通過長(zhǎng)度比例和參照物大小測(cè)量圖片中物體長(zhǎng)度。第二，相機(jī)把三維空間投影到二維圖像上，保持直線交比不變，交比是四個(gè)點(diǎn)兩兩“比例的比例”。三維空間中的四組四共線點(diǎn)，每組與其他組通過直線到直線的射影變換相關(guān)聯(lián)。由于在射影變換下的交比不變，因此每組有相同的交比值，如圖2[4]。

圖1 直線之間的射影變換Fig.1 Projective transformations between lines

圖2 伐根測(cè)量流程Fig.2 Stump measurement procedures

其中

在任何直線的射影變換下，交比值不變。x表示二維矢量直線的射影變換由一個(gè)2*2的齊次矩陣表示：如果，則

2 單幅像片伐根測(cè)量

2.1 相機(jī)標(biāo)定

在近景攝影測(cè)量中，為了確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在影像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的投影關(guān)系，必須利用相機(jī)參數(shù)構(gòu)建相機(jī)成像的幾何模型。攝像機(jī)標(biāo)定是為了確定攝像機(jī)的參數(shù)[5]。本研究采用張正友標(biāo)定法[6]，模型引入透鏡的徑向畸變和切向畸變的針孔模型，圖像點(diǎn)和空間點(diǎn)之間的一個(gè)映射關(guān)系[7-9]。借助OpenCV庫(kù)的cvFindChessboardCorners、cvFindCornerSubPix和vCalibrateCamera2()函數(shù)標(biāo)定出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和畸變系數(shù)[10]。實(shí)驗(yàn)采用相機(jī)為Canon 5D MarKII，標(biāo)定參數(shù)如下表1。

表1 相機(jī)標(biāo)定參數(shù)Table 1 Camera calibration parameters

2.2 像片采集

通常單幅圖像中包含的信息有限，因此照片中需要已知參照物才能測(cè)量其他對(duì)象。在伐區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，使相機(jī)盡可能拍到多個(gè)待測(cè)伐根，并在場(chǎng)地的適當(dāng)位置擺放輔助參照物。以參照物邊緣清晰、易提??；選用的幾何特征所占像素適當(dāng)[11]；能夠看見X和Y方向的兩條平行線且XYZ軸垂直；已知XYZ方向上的長(zhǎng)度度量等條件為原則選擇參照物。本文采用XYZ軸垂直的紅白花桿作為參照物拍攝像片。將參照物與對(duì)象拍攝到同一像片上。

伐區(qū)地形可分為分平地、均勻斜坡地形和任意地形三種[12]。在平地與均勻斜坡地形，一張像片中拍攝到的伐根越多越好；對(duì)任意地形來說，若地形起伏較大時(shí)，選擇相對(duì)平整地段的伐根拍攝到同一像片中，盡量保證每一張像片中的地形相對(duì)平整。

2.3 畸變校正

影像畸變校正是利用相機(jī)標(biāo)定所獲得的內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變系數(shù)對(duì)影像進(jìn)行畸變校正的過程[13]。本文利用OPENCV的FileStorage函數(shù)設(shè)置相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和畸變系數(shù)，再調(diào)用undistort函數(shù)即可對(duì)像片進(jìn)行畸變校正。

圖3 外業(yè)像片采集示意Fig.3 Field photo collection diagram

2.4 影像增強(qiáng)

伐區(qū)光線條件復(fù)雜，外業(yè)采集到的照片必須通過增強(qiáng)處理，改善圖像質(zhì)量、加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別，才能達(dá)到預(yù)期效果。直方圖均衡化方法可有效地實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，通過均衡化處理調(diào)整圖像灰度分布來改善圖像對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)影像增強(qiáng)。本文利用OpenCV基于直方圖均衡化方法，對(duì)像片進(jìn)行了增強(qiáng)處理。

2.5 伐根測(cè)量

利用Sketchup軟件提供的像片匹配功能，將經(jīng)過畸變校正和影像增強(qiáng)的伐根像片載入進(jìn)行匹配。首先根據(jù)參照物找出X和Y方向上的兩個(gè)平行線，讓Z軸與參照物的縱軸重合，將原點(diǎn)設(shè)置到參照物的縱軸與地面的交點(diǎn)上。確定XY軸的平行線方向后，利用參照物上的紅白標(biāo)志確定XYZ軸方向上的度量單位，進(jìn)行像片匹配。像片匹配后，利用Sketchup軟件的測(cè)距工具測(cè)量伐根直徑。

圖4 Sketchup伐根測(cè)量效果Fig.4 Sketchup stump measurement effect

3 結(jié)果與分析

通過伐根測(cè)量可以推測(cè)過往采伐量、盜伐量，同時(shí)也是核實(shí)森林采伐限額執(zhí)行情況的重要依據(jù)。單幅像片測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量，擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量方法的束縛，不僅提高了工作效率，還提供了可視的存檔備查資料。本試驗(yàn)在落葉松皆伐跡地中隨機(jī)拍攝了10張照片，共25個(gè)伐根，采用卡尺對(duì)年輪圓心的最小方向測(cè)量伐根直徑作為真值。像片上測(cè)量伐根時(shí)，利用Sketchup軟件重復(fù)測(cè)量3次，取其算數(shù)平均數(shù)，如下表2。

伐根測(cè)量相對(duì)誤差=|單幅像片伐根測(cè)量值-實(shí)測(cè)值|/實(shí)測(cè)值。 （4）

在統(tǒng)計(jì)伐根數(shù)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，從較大區(qū)域的采伐跡地中測(cè)量伐根時(shí)，存在同一顆伐根被拍攝在多張像片上的現(xiàn)象。這是產(chǎn)生伐根數(shù)量誤差的主要原因。本試驗(yàn)利用參照物確定了XYZ軸方向，并根據(jù)參照物上的紅白標(biāo)志確定了度量單位，這是產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因，可通過選擇更加精確的參照物等方法提高測(cè)量精度。

4 結(jié)論與討論

本文基于小孔成像交比不變性原理，提出了一種從普通數(shù)碼相機(jī)任意姿態(tài)拍攝的單幅像片中測(cè)量伐根的方法。介紹了該方法的照片采集要求、圖像處理流程，并借助Sketchup軟件進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法精度可達(dá)到97.21%。單幅像片伐根測(cè)量方法為盜伐、濫伐案件的定性及采伐驗(yàn)收工作探索了高效可行的數(shù)字化手段。具有以下優(yōu)點(diǎn)和意義：

表2 單幅像片伐根測(cè)量誤差分析Table 2 Single photo stump measurement error analysis

（1）采用普通數(shù)碼相機(jī)代替直尺、記錄表、筆、夾子等傳統(tǒng)工具，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量。天然林腐殖質(zhì)凋落物較厚，伐根測(cè)量時(shí)調(diào)查人員體力消耗較大，非接觸式測(cè)量可快速高效地獲取伐根數(shù)據(jù)，大大降低了外業(yè)工作量，提高了工作效率。

（2）相機(jī)拍攝時(shí)對(duì)相機(jī)姿態(tài)沒有特定要求，可以從任意角度拍攝被測(cè)伐根，操作人員無需特殊的技術(shù)培訓(xùn)就可直接上手，一線林業(yè)工人容易掌握。

（3）與雙目或多目視覺的測(cè)量方法相比，該方法的設(shè)備成本低廉、體積小、攜帶方便，數(shù)據(jù)采集過程簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，更容易普及和推廣。

（4）伐根測(cè)量是確定盜伐量和濫伐量的依據(jù)，單幅像片測(cè)量方法為盜伐、濫伐等執(zhí)法性林業(yè)工作提供了直觀可視的存檔資料，方便案件的后續(xù)復(fù)查。

（5）林區(qū)氣候極其寒冷，生產(chǎn)條件極其艱苦，而采伐跡后的伐根測(cè)量往往也在嚴(yán)寒的冬季進(jìn)行。該方法將外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化，大大縮短了“滴水成冰，吐痰成釘”的冰雪嚴(yán)寒的外業(yè)工作時(shí)間，改善了林區(qū)工人的工作環(huán)境。

隨著森林精準(zhǔn)計(jì)測(cè)領(lǐng)域中新技術(shù)方法的不斷應(yīng)用，相信在不久的將來，伐根測(cè)量的技術(shù)手段會(huì)更加靈活便捷。本文從近景攝影測(cè)量及計(jì)算機(jī)視覺角度研究伐根測(cè)量，對(duì)開發(fā)林業(yè)執(zhí)法儀等方面具有一定的參考價(jià)值。但由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件限制，仍然有很多不足和改進(jìn)的地方，如將單幅伐根測(cè)量方法開發(fā)集成到安卓移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量等方面有待進(jìn)一步深入研究。

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[本文編校：吳 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 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X(2017)10-0018-04

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

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-09-01

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAH34B01）；北京市教育委員會(huì)創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目（PXM2014-014225-000020）

曹明蘭，講師，博士 通訊作者：李亞東，講師，博士；E-mail：ydli-1978@163.com

曹明蘭，李亞東，賈樹華， 等. 單幅像片測(cè)量技術(shù)在伐根測(cè)量中的應(yīng)用[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(10): 18-21.