立体摄像测树仪及其全自动测树方法
技术领域：
本发明是关于森林资源调查的仪器及其方法，尤其是关于森林抽样调查的立体摄像测树仪及其全自动测树方法。它是角规点抽样测树技术、光电技术、立体视觉技术和计算机技术的多学科结合。这种全新而高效的森林抽样调查手段，可为高分辨率遥感图像提供获取林分调查因子的技术。作为数字林业(Digita Forestry)的一部分，将样地上获得的最高分辨率的影像数据与样地上航天遥感图像数据和航空摄影测量影像数据一起组成多分辨率的影像数据库。
值得特别指出的是，本发明的立体摄像测树仪可开发为立体全站仪、立体电子经纬仪、立体电子罗盘仪等，在大地、道路、水利、地矿、农田等部门勘测应用。也可开发为立体摄像机，摄制立体像片在法律、医学部门应用；为影视部门提供立体电影、电视制作新手段。也可在小动物和昆虫、细菌世界摄制立体影片，广泛应用于科研、科普部门。也可作为立体望远镜在军事、森林警察、森林防火等部门应用。具有广阔的市场前景。
背景技术：
(一)角规测树理论方面奥地利林学家Bitterlich.W，于1947年首创用林分速测镜(relascop)通过水平视角与立木胸径的比对，测定林分胸高断面的点抽样(Point sampting)理论与方法，突破了近200年来长期沿用的标准地检尺法，大大提高了工效，引起了全世界林学家们的广泛重视和极大兴趣，被普遍推广应用。这项技术于1957年传入我国，已在生产中广泛应用，并把点抽样称为角规测树，把林分速测镜的原形称为角规(angle gouge)。
50多年来，在此理论启示下，平田种男(日)于1955年提出了定角测高法，通过竖直视角与立木高的比对测定林分的平均树高。北村昌美(日)于1962年提出了一致高和法，通过水平视角与竖直视角的结合，测定林分蓄积。受上述各理论的综合启示，徐祯祥等于1991-1997年提出了形点法，2005年又提出了改进形点法。用角规方法可直接测定单株立木和林分的干形指数。据此，无需任何经验参数，不受地域和树种的局限，直接测定立木材积和林分蓄积。
上述各种角规测树方法，在理论上无疑是正确的。然而必需指出的是，它们都是以直接观测林木干顶或上部干径为前提的。在现实林分中，枝叶遮挡，树冠重叠，通视困难，几乎无法实施观测。所以至今角规测树的主要功能仍然是测定通视较好的林分胸高断面积。为此，北京林业大学发明的“推定林分蓄意的形点法”不失为一条重要思路。不足之处是，对各种形状的林分树干适应性较差，误差较大。
(二)角规仪器方面1.到目前为止，世界上最先进的角规仪器仍然是林分速测镜，它有简易的反光型mirrorrelascope和精密的望远型spiegel relaskop。它的技术核心是依靠重锤自由摆动的鼓轮及贴在鼓轮上的分划板，即代表角规断面积系数的条带。观测时，人眼通过视线与条带宽度形成的水平视角瞄准所测树干的直径，进行比对，作出判断。我国虽有其仿制品，但效果不佳。在生产中仍多以江苏省南通光学仪器厂发明的自平杆式角规为主，十分落后。
为了测定林分的蓄积，形点法理论提出了立体角规。其原形就是在垂直角规的斜边上设置一个水平角规的缺口(条带)。用水平视角按设定的垂直视角在角规点进行绕侧。
林分速测镜是个纯粹的光学系统，无法实现信息采集自动化。在当时的条件下，测径和测距比较麻烦和困难，通过人工观测比对确实能提高工效。对于那些近于临界状态的情况就难以分辨，仍然需要皮尺和标尺测量计算，或者靠经验，就不可避免地产生误差和麻烦。
北京林业大学发明的电子角规测树仪是数码相机与林分速测镜相结合的产物，能实现信息采集与存储的自动化。其不足之处是，在测定距离和干径时仍然离不开标尺的辅助，有些不便。
2、应用立体视觉技术进行信息采集是角规发展的方向，目前仅是初探阶段未见相关突破性报导。主要是测定立木胸径。
(三)角规测树方法方面1.理论和实践证明，测定林分蓄积量远比胸高断面积复杂的多。需要测定多个上部干径及其高度。大量的、繁杂的信息采集和处理以及结果的贮存和传输等，必需实现测树全程自动化。
2.应用立体视觉技术进行地面摄影测量是一种全新而高效的森林资源调查方法，对于实现角规测树全程自动化具有决定性作用。但是，尚存在不少技术问题。主要是(1)如何应对现实林分的复杂条件面积大，树体高；林木随机分布且有些倾斜，光照不均匀；上方树冠重叠，通视困难；地面草灌丛生，难见干基；仅有林冠下到胸高这段空间通视较好。(2)如何配合林业调查，摄取尽量少的影像，获得足够多的信息，建立样地摄影量测系统。包括图像获取、像机标定、特征提取、立体匹配和三维重建等，以便进行林分调查因子的计算。
发明内容
(一)角规测树理论方面1.提出测定林分蓄积的冠下三阶点抽样形点法理论和长期研究证明，无论是天然林还是人工林，在未经遭到严重干扰的情况下，林分内部的许多特征因子，如直径、树高、干形等，都具有特定的分布状态，表现出比较稳定的结构规律性。据此，若将单位面积林分内所有立木树干的无数层等高断面积之和垂直叠加，必然形成一个虚拟的大树干，即林分树干。显然，林分树干的形状和体积正是该林分的形状和蓄积。
林分树干如同立木树干一样，也可用形点法测其形状和蓄积。但是，在现实林分内，树冠重叠，通视困难，无法观测到冠顶，即使是观测位于冠基附近的形点也很困难。为此可采用测定林分蓄积的冠下三阶点抽样形点法。特点是，能避开通视困难，在通视较好的林冠下，通过三阶点抽样抽取林分树干的三个特定点，用形点法推定林分蓄积。
所谓三阶点抽样，如图1所示就是在角规样地上首先进行胸高断面积(第一个特定点)点抽样，抽取一阶样木。然后通过辅助高竖角αb在一阶样木中进行辅助高断面积(第二个特定点)点抽样，抽取二阶样木。最后通过近似形点高竖角αa在二阶样木中进行近似形点高断面积(第三个特定点)点抽样，抽取三阶样木。
理论与实践证明，林分的形点高多位于林冠基部附近。近似形点高应选在冠基以下50cm附近为好，通视好，误差小。辅助高应选在冠基到胸高的中部为宜。
其实，每一阶点抽样都是三维点抽样。即对林分某高度(一维)及其断面积(二维)的点抽样。也就是对林分树干某段材积(三维)的点抽样。
设，水平视角的断面积系数为Fg，辅助高的竖角为αb，近似形点高的竖角为αa。绕测一周分别测得林分每公顷的胸高断面积G，辅助高Hb及其断面积Gb，近似形点高Ha及其断面积Ga等五项因子，于是林分的形点高H2=Gb-0.5GGb-Ga(Ha-Hb)+Hb]]>锥形体形点高Hc=H2-(H2A(H2-Hb))1A+1,A=log(2(2GbG-1))/log0.5]]>锥形体形状指数R′＝log0.5/log(1-Hc/H2)
林分形状指数(R+1)(1-0.51R)1-R(1-0.51R)-1=R′]]>林分胸高以上干长H0=H21-0.51R,]]>林分高H＝H0+1.3林分蓄积M=1R+1(HH0)RHG]]>由于林分形点以下的蓄积约占总蓄积的80％，所以通过冠下点抽样形点法估计林分蓄积是可靠的。
2.提出基于立体视觉的立体摄像量测系统。
对三维空间内任意目标点的测定，通常是应用两台全站仪或电子经纬仪实施的，颇为麻烦而且必须依靠反射棱镜或标尺的辅助。而应用立体摄像测树仪进行测定，则简便得多。其最大优势就是进行无标尺测距的功能。由于省去了反光镜和标尺的设置，则可跨越沟河障碍，测量对面不可及的任意目标点的距离。包括树高、干长、干径等。
(1)测定测点到一个目标点的距离S，S=CfPa]]>式中，C为基线长，f为焦距，Pa为视差。
(2)测定立木上部树干直径dd=cPabpa]]>式中C为基线长，Pa为直径左端点对直视差，Pab为直径左右两端点的横坐标之差。
(3)测定三维空间任意两目标点的距离(包括树高，干长、干径等)L设不在同一视场内的前方任意两目标A点和B点。测点到A、B两点的竖直角分别为α、γ，水平角为β，当立体摄像测树仪的基线长为C，焦距为f，A、B两点的视差分别为Pa和Pb时，则A、B两点的距离L为L=sa2+sb2-2SaSb(cosαcosγcosβ-sinaαsinaγ)]]>式中Sa为测点到A点的距离，Sa=Cf1pa]]>Sb为测点到B点的距离，Sb=Cf1pb]]>(二)角规仪器方面首先是应用立体视觉技术进行无标尺测距和测径，代替角规鼓轮和分划板。第二是应用光电技术、计算机技术实现信息采集自动化，代替人工观测。第三是应用电子罗盘和电子竖度盘为角规点精确定位。为此，本发明提出了立体摄像测树仪。其结构和功能如下。
1.立体摄像测树仪的结构立体摄像测树仪有精密型和简易型两种。
(1)精密型如图2和图3所示。由双目摄像头(2)、一对立柱(6)、电子竖度盘(3)、电子罗盘(5)、微处理器(1)、显示屏(4)各一个，组装在三角基座(7)上，置于三脚架上实施观测。
双目摄像头，固定在一条金属棒的两端，主光轴平行，上下等高。摄像头的CCD面阵为像平面(焦平面)。两个摄像头的像主点间距为基线。基线长大于人眼的瞳孔距。
电子竖度盘(3)位于两摄像头(2)之间，基线为竖度盘的转轴，能在轴孔内转动。竖度盘能如同普通角规的鼓轮那样借助于重锤的重力作用始终保持垂直刻线垂直于水平面，并通过下方的电子罗盘(5)的轴心。
显示屏(4)位于摄像头(2)和竖度盘(3)的后下侧。屏幕上的十字线相当于摄像头焦平面CCD的纵横坐标轴。十字中心为座标原点。
微处理器(1)位于摄像头(2)和竖度盘(3)上侧。在微处理器内设置一个模块。测树方法软件固化在模块上，共同组成数字角规测树体系。微处理器(1)通过各条数字通讯电缆与双目摄像头(2)、电子竖度盘(3)、电子罗盘(5)、显示屏(4)相连接。微处理器也有输出接口，便于传输。
双目摄像头(2)、竖度盘(3)、显示屏(4)和微处理器(1)固定为一体，称为简易型立体摄像测树仪。
电子罗盘(5)位于简易角规的下方，磁针的轴心通过竖度盘的垂线。简易角规的两个摄像头与罗盘两侧的立柱(6)上端与相连接，并可在立柱上端作垂直转动。
三角基座(7)位于底部，是电子罗盘的载体。可与三脚支架连用。
(2)简易型立体摄像测树仪简易型就是没有罗盘和基座的立体摄像测树仪。可在独脚架上观测。也可手持。
2.立体摄像测树仪的功能(1)精密型立体摄像测树仪能充分表达测树全程自动化。包括从测量控制点开始，利用无标尺测距的优势，迅速布设支导线，直到终端获得角规点的地理座标。然后进行三阶点抽样。不足之处是对于少数受到遮挡的样木不易观测。
(2)简易型立体摄像测树仪，可直接进行三阶点抽样，便于对受遮档样木进行移位观测。不足之处是，不能获得角规点的地理座标。但可直接输入坐标。
3.值得特别指出的是(1)在微处理器中装入专用的测量软件，加大基线并在摄像头前加装高倍望远镜，可将精密型立体摄像测树仪开发为立体全站仪，无需反光棱镜等辅件。将电子经纬仪和电子罗盘仪开发为立体经纬仪和立体罗盘仪，无需标尺等辅件。可广泛应用于大地、水利、道路、地矿等部门的测量工作。
也可为森林警察、森林防火和军事部门提供在瞭望塔上新的观测仪器，充分发挥无标尺测距和精确定位功能，实时观测记录火情、案情的详细变化。特别是简易型角规便于巡逻携带。
(2)将简易型立体摄像测树仪的微处理器中装入专用摄影软件，可开发为立体摄像机。摄制立体像片、电影为法律、医学和影视部门应用。也可在场景较小的范围内，摄制小动物、昆虫、细菌世界等特近距离的立体影片，为科研、科普部门提供新技术手段。
(三)角规测树方法方面将林分冠下三阶点抽样形点法与立体视觉量测系统相结合构成摄影测树软件，固化在模块中并与微处理器联结在一起，构成摄影测树体系。在角规样地上，用立体摄像测树仪进行林分冠下三阶点抽样摄影，估计林分蓄积等因子，实现了立体视觉技术与角规测树技术的优势互补。
三阶点抽样是抽样效率更高的估计方法。冠下三阶点抽样摄影能保证摄取尽量少的影像获得足够多的信息。它是将整个林分空间的影像完全分解在少数样木冠下的三处干径上。因此(1)把摄像视场局限在小小的干径周围，不易发生影像变形和光照不均的现象，利于图像获取。
(2)把两个摄像头并列地固定在一起摄影，能直接获取立体像对，免去了摄像机标定和匹配立体像对的麻烦。
(3)摄像时把CCD的横座标轴和原点直接瞄准待测干径，能减少特征提取和匹配点对的难度。
(4)在竖直度盘和罗盘的参与下，可省去树干特征点三维重建的麻烦。
据此，摄影测树体系可以实现现场测树全程自动化，实时获得林分因子，大大提高工效。
(四)有益效果本发明与现有的已知技术相比，能实现如下有益效果。
(1)信息采集和贮存的数字化。
摄像头的CCD焦平面能把观测目标的立体影像信号转换为数字信号，传入微处理器中贮存。电子竖直度盘和电子罗盘也能通过传感器(旋转编码器)将垂直角和水平角转换为数字信号，传入微处理器贮存。完全省去了各项人工观测和手工记录。
(2)信息处理程序化微处理器能把贮存的数字信号按照三阶点抽样测树程序实时地计算处理。并能把处理结果贮存起来，也能通过通讯接口传输出去。实现测树全程自动化。
(3)信息再现影像化微处理器能把输入的数字信号恢复为影像信号再现于显示屏上，获得角规样地最高分辨率的影像数据。也能把处理结果在屏幕上显示。为现场测树提供真实的可视性，便于核查。
4.信息空间定位化。
由于角规点的定位是从测量控制点发布的支导线的终端，所以角规点上的信息数据不仅样点的坐标，而且样地内各样木及其各部位的坐标都是具有完全确定的空间性质。于是可以实现与角规样地上的航天遥感图像数据和航空摄影测量影像数据一起组成多分辨率的影像数据库。
四
图1为林分冠下三阶点抽样示意2为立体摄像测树仪主视3为立体摄像测树仪左视图五具体实施方式
具体实施过程完全是在摄影测树软件的提示下进行的。
首先找到样地及其最近的测量控制点，输入控制点地理位置座标。然后，通后通过罗盘和竖盘以及双目摄像头提供的无标尺测距和精确定位数据，迅速向角规点方向布设支导线，在终点确定并输入角规点的地理位置座标。最后可在角规点上发出绕测“开始”指令，并根据林分现实情况输入角规断面积系数Fg，辅助高角αb，近似形点高角αa，显示在屏幕上。
绕测时，二人配合。一人观测摄像，另一人标明待测树干的胸高位置。
从第一株开始，首先用摄像头的准线(CCD的横座标轴)瞄准待测木的胸高干径，通过显示屏可以看到干径图像正位于显示屏十字丝原点左右的横轴上，及其由竖度盘和罗盘测出的垂直角α和方位角β。确认后发出“摄像”指令。摄像后上述显示被贮存，又在显示屏上出现胸高断面的计数特征值δ＝1，提示下一步的辅助高竖角αb1。然后，按αb1角沿树干向上仰视，到位后显示屏上出现干径图像和竖角αb1、方位角βb1。确认后发出“摄像”指令。摄像后在上述显示被贮存，并在显示屏上出现辅助高断面的计数特征值δb＝1。又提示下一步的近似形点高竖角αa1。再后，按照αa1角沿树干向上仰视，到位后显示屏上出现干径图像和竖角αa1、方位角βa1。确认后发出“摄像”指令。摄像后上述显示被贮存，并在显示屏上出现近似形点高断面的计数特征值δa＝1，以及观测下一株的提示符 。说明本株观测结束。可以开始第二株，第三……株，如此绕侧一周直到最后一株。不重侧，不漏测。
需要说明的是，在观测过程中，无论在哪个断面上，只要出现提示符 ，即可开始下一株。
当绕测结束后发出“结束”指令。即可贮存该测点的全过程观测数据，包括它们影像在内。同时，分屏显示该测点的各测树因子。如角规点座标，林分形状指数R，平均高H，平均胸径Dg，每公顷蓄积M，株数N等多项因子。
权利要求
1.一种立体摄像测树仪，其特征是在双目摄像头(2)之间安装一个电子竖度盘(3)，之下安装一个液晶显示屏(4)，之上安装一个微处理器(1)，底部安装一个电子罗盘(5)，它们通过数据通讯电缆与微处理器(1)相连接，通过一个对立柱(6)固定在三角底盘(7)上。
2.一种利用权利要求1所述的立体摄像测树仪的全自动测树方法，其特征是由林分冠下三阶点抽样形点法与立体摄像量测系统组成的摄影测树体系是一个固化在模块中的软件，它与微处理器(1)联接在一起。
3.根据权利要求1所述的立体摄像测树仪，其特征是双目摄像头(2)的基线由一根金属棒构成并与之联结为一体，它们的主光轴在同一个平面内平行。
4.根据权利要求1所述的立体摄像测树仪，其特征是电子竖度盘(3)的转轴由摄像头(2)的基线金属棒构成，转轴与盘体轴孔可相互转动，盘体借助重锤的作用，能保持盘面上的刻度线的坐标位置始终不变。
5.根据权利要求2所述的全自动测树方法，其特征是立体摄像测树仪量测系统可测定下列因子。(1)测点到目标点的距离 S＝C·f/Pa式中c为基线长，f为焦距，Pa为视差。(2)立木上部树干直径 d＝C·Pab/Pa式中c为基线长，Pa为直径左端点的视差，Pab为直径左右两端点的横坐标之差。(3)任意两目标点的距离(包括树高、干径、干长)LL=Sa2+Sb2-2SaSb(cosαcorγcosβ-sinαsinγ)]]>式中Sa和Sb分别为测点到A和B两目标点的距离，Sa＝cf/Pa，Sb＝cf/Pb，Pa和Pb分别为A和B两目标点的视差，c和f分别为基线长和焦距；α和γ分别为测点到A和B两目标点的竖角，β为A和B两目标点的水平角。
6.根据权利要求2所述的点抽样摄像测树方法，其特征是通过林分冠下三阶点抽样摄像，测定冠下三个不同高度及其断面积，按下述蓄积方程组估计林分每公顷的蓄积量M。当测得林分胸高断面积G，辅助高Hb及其断面积Gb，近似形点高Ha及其面断积Ga时，则林分形点高H2=Gb-0.5GGb-Ga(Ha-Hb)+Hb]]>锥形体形点高Hc=H2-(H2A(H2-Hb))1A+1,]]>A=lg(2(2GbG-1))/1g0.5]]>锥形体形状指数 R′＝lg0.5/lg(1-Hc/H2)林分形状指数R′=(R+1)(1-0.51R)1-R(1-0.51R)-1]]>林分胸高以上干长H0=H21-0.51R,]]>林分高 H＝H0+1.3林分蓄积M=1R+1(HH0)RHG]]>
7.根据权利要求1所述的立体摄像测树仪，其特征是在双目摄像头(2)前分别安装一个望远镜，则可开发为立体全站仪、立体经纬仪和立体罗盘仪，无需反光镜、标尺的辅助，直接测距、测高、测直径等。
8.根据权利要求1所述的立体摄像测树仪，其特征是去掉竖度盘(3)和罗盘(5)，将双目摄像头开发为立体摄影机，摄制立体像片和立体电影、电视等。也可作为立体望远镜，进行远距观测。
全文摘要
本发明公开了一种立体摄像测树仪及其全自动测树方法。它是点抽样测树技术、光电技术、测量技术、立体视觉技术，计算机技术相结合的摄影测树体系。通过林分冠下三阶点摄像，能克服林内树冠重叠的通视困难，直接测定林分蓄积量。并获得森林样地最高分辨率的影像数据，实现森林资源抽样调查的全程自动化。值得特别指出的是可将立体摄像测树仪开发为立体全站仪、立体经纬仪、立体罗盘仪，无需反光镜、标尺的辅助。应用于大地、道路、地矿等勘测部门以及森林警察与防火部门。也可开发为立体摄影机，摄制立体像片、立体影片，应用在法律、医学、科研、影视部门。具有广阔的市场前景。
文档编号G01C11/36GK1815140SQ200610057518
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者李海奎, 徐祯祥 申请人:中国林业科学研究院资源信息研究所
文档序号 :
【 6113410 】
技术研发人员：李海奎,徐祯祥
技术所有人：中国林业科学研究院资源信息研究所
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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