[發明專利]基于半球圖像的樹高測量方法

有效

• 申請號: 202010097167.X
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111307046B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 宋佳音;張曉鵬;宋文龍;朱慶林;池志祥
• 申請（專利權）人: 東北林業大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G06T7/80
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于半球圖像測量樹木高度的方法，根據魚眼相機成像原理，建立了測算樹高的數學模型。采用智能終端、與智能終端適配的魚眼鏡頭和激光測距儀組成的測量裝置，利用黑白棋盤格標定板配合測量裝置確定畸變系數，在智能終端屏幕上選取被測樹木的最高點及最低點，經過測量程序計算得到樹高。該方法測量范圍廣，單幅采集立木信息量大，能在一幅半球圖像中實現一排樹的樹高測算，有效降低測量工作量；成本低，設備便攜，操作簡單，單人即可完成測量。

技術領域

本發明涉及農林領域，特別是國家森林資源調查中一種根據魚眼相機成像原理基于半球圖像的樹木高度測量方法。

背景技術

隨著精準林業要求的不斷提升，準確、方便、高效地測量立木高度成為林業研究中的熱點問題之一。在森林資源調查中，立木樹高的測定至關重要，直接影響林份的蓄積量以及森林生物量提取的準確性。目前被廣泛采用的樹高測量的儀器有布魯萊斯測高器和超聲波測高器，該商業化設備具有體積小、易攜帶等優點，但其測量原理分別對于水平和垂直移動有明確要求，而操作者無法嚴格滿足，從而引入人為誤差。采用無人機或地基激光雷達掃描獲取樹木的三維點云數據，該方法測量精度高但因設備昂貴，數據處理量大，處理時間長，設備不便于攜帶等因素限制了其應用的廣泛性。精密設備全站儀和電子經緯儀，存在自重大、操作復雜等問題，但其高精度的測量結果可作為樹高真值，驗證其它測量方法的有效性。

為保證測量成本低、測量設備小、測量精度高的測量要求，近年來，攝影測量技術在林業研究中得到應用。有資料顯示的樹木視覺測量系統主要是利用普通的相機做單目視覺測量或雙目視覺測量。普通相機的單目視覺測量具有相機標定過程簡單，運算速度快等優點，但因其視角小，要求引入相機投影與光軸的夾角以及相機的垂直俯視角，然而該角度信息難于測量。雙目視覺測量能夠有效解決視角問題，利用兩臺相機對被測立木拍攝兩幅圖像進行特征點提取、匹配，像素點的三維重建，但是存在測量步驟復雜，特征點匹配困難，所需算法繁多，運算冗長等問題。為此，需要一種測量范圍大、數據計算量小，便于攜帶及智能化實現的測量方法。本方法的研究獲得黑龍江省青年基金項目的資助。

發明內容

針對現有方法的缺點，本發明提供了一種測量范圍大、數據計算量小，便于攜帶及智能化實現的樹高測量方法。本發明是利用配有魚眼鏡頭的智能終端采集半球圖像，基于魚眼鏡頭的標定和校正原理建立樹高測量模型并計算樹高的方法。

1、建立魚眼相機成像模型

魚眼相機的成像系統模型如圖1所示。該模型建立了世界坐標系(X_W,Y_W,Z_W)、魚眼鏡頭坐標系(X,Y,Z)、攝像機坐標系(x′,y′,z′)和圖像坐標系(u,v)之間的坐標變換關系。確定世界坐標內的目標點投影到圖像坐標內的圖像點的成像過程。

設空間中的任意一點P，其世界坐標為(x,y,z)，OO′是魚眼相機成像的光軸，r為P點到光軸的距離，P′點為P點成像點，r′為P′點到圖像中心O′的距離。根據等距投影定理有，

r'＝fω (4)

其中，f為光學系統物方焦距，ω作為P點相對光軸的入射角度有，

因為魚眼鏡頭具有桶形畸變和徑向畸變，為保證像面照度均勻性，引入畸變系數λ，則表達式(4)被修正為

r′＝λfω (6)

點P在成像過程中投影到攝像機平面的P′點，其坐標為(x′,y′)，攝像機平面的中心點O′坐標為(x′₀,y′₀)，畸變系數λ在x′方向和y′方向的分量為λ_x和λ_y，P′點至O′的距離為r'，則在攝像機平面內有，

其中θ為P點的方位角，也是P′點在攝像機坐標系內的方位角(見圖1)，