圖像測(cè)量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用

安天宇

(國(guó)家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714)

樹(shù)木調(diào)查是森林資源調(diào)查工作的主要對(duì)象，對(duì)其樹(shù)高、直徑等進(jìn)行測(cè)量十分必要。但是，在目前的樹(shù)木測(cè)量工作中，對(duì)易于測(cè)量的胸徑數(shù)據(jù)，通常以直接測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)獲取，而對(duì)于樹(shù)高、樹(shù)冠類的數(shù)據(jù)，則需要應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，此時(shí)將圖像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于森林調(diào)查工作過(guò)程中十分關(guān)鍵。鑒于此，對(duì)圖像測(cè)量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用這一內(nèi)容進(jìn)行深入分析具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 森林調(diào)查中樹(shù)木測(cè)量方法

1.1 樹(shù)高測(cè)量

在進(jìn)行樹(shù)木樹(shù)高測(cè)量時(shí)，主要包括三點(diǎn)測(cè)量?jī)?nèi)容，分別是全高測(cè)量、干高測(cè)量以及商用建材高測(cè)量。其中全高的測(cè)量區(qū)間指代的是樹(shù)梢與地平面之間的垂直距離；干高測(cè)量區(qū)間指代的是樹(shù)冠頂點(diǎn)與地平面之間的距離；商用建材高的測(cè)量區(qū)間指代是樹(shù)木最具有商用價(jià)值部位與地平面之間的距離[1]。但在森林調(diào)查工作中，測(cè)量?jī)?nèi)容主要是指樹(shù)全高測(cè)量。

1.2 直徑測(cè)量

與上述樹(shù)高的測(cè)量方法相比較，樹(shù)木直徑的測(cè)量方式以及測(cè)量部位比較簡(jiǎn)單且單一，比較常用的測(cè)量工具包括輪齒、直徑卷尺和檢徑尺3種，直接采用環(huán)繞的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄統(tǒng)計(jì)[2]。但此類方法，僅能對(duì)樹(shù)木的胸部直徑參數(shù)測(cè)量，而對(duì)于樹(shù)木上部區(qū)域的直徑測(cè)量很難。目前，對(duì)于立木上部區(qū)域直徑的測(cè)量尚未有統(tǒng)一的方法，即便采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高空拍攝測(cè)量，仍存在一定的誤差，有待測(cè)量應(yīng)用技術(shù)的更新和優(yōu)化[3]。

2 圖像測(cè)量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用分析

通常情況下，森林中的測(cè)量作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，為了提升森林調(diào)查和測(cè)量工作的質(zhì)量，可以分別采用直接測(cè)量和間接測(cè)量方法對(duì)樹(shù)木進(jìn)行調(diào)查。直接測(cè)量方法主要應(yīng)用于高度并非特別高，且易于接近的樹(shù)木測(cè)量中；而對(duì)高度超出地面視線范圍，或處于水中、懸崖邊緣的樹(shù)木進(jìn)行調(diào)查時(shí)，主要采用間接調(diào)查法[4]。具體而言，可從以下幾方面著手展開(kāi)相應(yīng)的調(diào)查工作。

2.1 直接測(cè)量法

當(dāng)采用直接測(cè)量方法時(shí)，可將被調(diào)查的樹(shù)木高度設(shè)定為B，與樹(shù)干高度相對(duì)應(yīng)的樹(shù)干部分設(shè)定為b，當(dāng)進(jìn)行B的參數(shù)值大小測(cè)量時(shí)，首先需要針對(duì)樹(shù)木進(jìn)行全景拍攝，并在樹(shù)木旁邊樹(shù)立一根長(zhǎng)度已知的測(cè)量標(biāo)桿，該標(biāo)桿的長(zhǎng)度設(shè)定為A，與其相對(duì)應(yīng)的樹(shù)干部分設(shè)定為a。在進(jìn)行被測(cè)量樹(shù)木的照片拍攝時(shí)，需要確保照相機(jī)的鏡頭與地面垂直，借助照片的拍攝得到樹(shù)木的一點(diǎn)或二點(diǎn)透視圖，根據(jù)透視圖處理原理以及數(shù)學(xué)計(jì)算，得到數(shù)列式：

A/B=a/b

其中，A的數(shù)值是已知項(xiàng)，通過(guò)A能夠分別計(jì)算出a與b的具體數(shù)值，該數(shù)值同時(shí)也是a與b對(duì)應(yīng)的相機(jī)像素點(diǎn)數(shù)，將A、a、b的數(shù)值按照數(shù)學(xué)計(jì)算公式的運(yùn)用，最終得出B的具體數(shù)值，即測(cè)量出被調(diào)查樹(shù)干的實(shí)際高度。同理，應(yīng)用直接測(cè)量法，測(cè)量出樹(shù)木的樹(shù)冠、直徑等數(shù)據(jù)。

2.2 間接測(cè)量法

間接測(cè)量法也被稱之為基點(diǎn)增高方法，測(cè)量原理如下：如圖1所示，圖中1和2是兩根長(zhǎng)度相等的標(biāo)尺，標(biāo)尺具體長(zhǎng)度已知，圖中g(shù)、h是被測(cè)量的樹(shù)木。測(cè)量過(guò)程中1、2標(biāo)尺的基地分別為a與c，a與c的基點(diǎn)與樹(shù)木的基點(diǎn)g放置于同一水平面上，將a與c連接并延長(zhǎng)，將1和2兩根標(biāo)尺的定點(diǎn)相連接，即連接b和d，將b和d作為一個(gè)視平線。隨后將b和d、a與c的延長(zhǎng)線進(jìn)行相交處理，交于點(diǎn)o，設(shè)o點(diǎn)為1和2標(biāo)尺的滅點(diǎn)，從樹(shù)木的g點(diǎn)制作一條水平線，將其與e點(diǎn)進(jìn)行相交，并過(guò)e點(diǎn)作一條垂直線直接與視平線相交，相交點(diǎn)為f。之后按照透視圖的處理性質(zhì)，能夠得出ef與ab、cd三者之間的高度相等，由此可知，在g點(diǎn)位置，圖像中的ef具體標(biāo)桿長(zhǎng)度數(shù)值設(shè)定為l，此時(shí)將樹(shù)木的高度設(shè)定為h，由此可計(jì)算出：

l/h=ef/gh

根據(jù)公式計(jì)算可得出，ef與gh的具體數(shù)值，最終求出樹(shù)木的實(shí)際高度參數(shù)值。通過(guò)間接測(cè)量方法的運(yùn)用，能夠?qū)⒁粡垐D像中的多棵樹(shù)木高度參數(shù)值一次性全部測(cè)量出，測(cè)量方法應(yīng)用期間，圖像中樹(shù)木的基點(diǎn)與標(biāo)尺的基點(diǎn)應(yīng)時(shí)刻處于同一水平面。

圖1 間接測(cè)量法測(cè)量原理圖Fig.1 Principle Diagram of Indirect Measurement Method

2.3 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)對(duì)直接測(cè)量法與間接測(cè)量法的原理分析，能夠發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用圖像測(cè)量技術(shù)進(jìn)行樹(shù)木調(diào)查時(shí)，技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)主要在測(cè)量中的標(biāo)尺、樹(shù)高、樹(shù)冠以及樹(shù)徑相互之間對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)。為了進(jìn)一步提升圖像測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用效果，提升森林資源的調(diào)查質(zhì)量，又進(jìn)行了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)，主要包括直接測(cè)量模塊、間接測(cè)量模塊、幾何縮放模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。在應(yīng)用直接測(cè)量方法測(cè)量時(shí)，只需要將標(biāo)尺的上端點(diǎn)以及下端點(diǎn)標(biāo)定明確，就能夠直接求出不同像素點(diǎn)的長(zhǎng)度參數(shù)值，再對(duì)其余各個(gè)參數(shù)特征點(diǎn)進(jìn)行位置確定[5]。例如，在進(jìn)行樹(shù)木全高參數(shù)值確定時(shí)，可直接將樹(shù)木的上下兩端參數(shù)確定，直接求出樹(shù)木全高。應(yīng)用間接測(cè)量法測(cè)量時(shí)，利用計(jì)算單位中的像素點(diǎn)進(jìn)行樹(shù)木長(zhǎng)度的指代，處理過(guò)程相對(duì)于直接測(cè)量法更為繁雜，要求在圖像中確定兩個(gè)標(biāo)尺上下兩端長(zhǎng)度以及被調(diào)查樹(shù)木基點(diǎn)的參數(shù)值，才能夠計(jì)算出樹(shù)木的具體高度值。在間接測(cè)量方案應(yīng)用過(guò)程中，為確保測(cè)量質(zhì)量，需提前確定具體的樹(shù)木測(cè)量特征點(diǎn)，點(diǎn)位置確定的精準(zhǔn)性直接影響樹(shù)木最終測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性[6]。為了提升測(cè)量效果，本次研究在系統(tǒng)軟件中添設(shè)了幾何縮放模塊，模塊啟動(dòng)后，先進(jìn)行圖像放大操作，利用鼠標(biāo)在模塊中標(biāo)定特征點(diǎn)，再利用數(shù)據(jù)處理模塊將測(cè)量得出的數(shù)據(jù)參數(shù)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中，減少統(tǒng)計(jì)作業(yè)量，優(yōu)化統(tǒng)計(jì)工作效率，最終促使森林資源調(diào)查工作質(zhì)量提升。

3 結(jié)論

圖像測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用在提升調(diào)查質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)于測(cè)量效率的優(yōu)化也起到了顯著的促進(jìn)效用。此外，獲取詳實(shí)樹(shù)木調(diào)查信息和統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)樹(shù)木的測(cè)量方法進(jìn)行探析，為森林調(diào)查數(shù)據(jù)補(bǔ)充和完善奠定了基礎(chǔ)。