平面约束下的立木高度提取方法技术

本发明专利技术公开了一种平面约束下的立木高度提取方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，参照物的选取；步骤二，获取待测高度的立木图像；步骤三，参照物轮廓识别；步骤四，灭点坐标检测；步骤五，构建交比信息，设定MN为已知高度的参照物，从而可以通过两者之比来计算待测物MQ的高度，设定待测立木高度为T2,已知T2=MQ则可根据像素之间的比例关系求出待测立木的高度。本发明专利技术的方法，无需获得相机的内参和外参，即可完成立木高度测量，简化了计算机运算过程中的繁琐过程，减少了直线检测结果的误差，提高了平面内线段计算的灵活性,尤其适合于结构化情况下立木场景对象的几何信息提取。

【技术实现步骤摘要】
平面约束下的立木高度提取方法
本专利技术涉及树木高度的测量方法，尤其是一种平面约束下的立木高度提取方法。
技术介绍
在森林资源调查中，测定树木高度成为一项必需的工作[1]。目前，除了传统的目测法，人工接触式测绘方法等简易方法[2]以外，以传感器为原理的激光测树仪[3]，望远测树仪[4]等工具的测量方法也得到广泛使用。传统的测绘方法劳动强度大、人力成本高、效率低，而专业精密测量设备存在操作复杂、不易携带、成本较高等问题[5-6]。随着科技的发展，机器视觉技术进行树木高度测量具有图像信息精确、设备操作简单、成本低等优点[7]。现有技术中，单目视觉三维信息重构无需事前知道摄像机参数和相机运动信息,在几何建模、图像信息提取中有大量的应用前景[8]。近些年,越来越多的单目测量方法被提出，用来计算图像中待测物的高度信息。缪永伟[9]提出了利用灭点原理对单幅输入图像进行相机标定并生成粗糙建筑物模型的方法，但在比较复杂的场景下，算法所提出的自动检测重复结构算法不能完全识别，需要用户进一步手动标记。吴军[10]根据灭点的属性建立关于径向畸变系数与灭点坐标参数的非线性模型，对该模型优化估计径向畸变系数和灭点坐标；由于当畸变较小时，相机拍摄的自然场景图像的畸变系数，图像中畸变直线的曲率很小，从图像中提取畸变直线非常困难。王美珍[11]将相机平面和三维场景通过进行线性转换所获得的参数来计算线段距离；但算法的精度受到三维场景中参考长度的选择影响，且不同方向的待测线段的长度量测结果精度不同，导致测量结果精度不稳定。以上这些方法需要对输入图像的获取进行较多的约束,包括相机屏幕的横纵比固定、主点位于图像中心位置等，且需要进行大量的矩阵运算，对场景中的几何要求也较高。【参考文献】[1]黄心渊,王海.“数字林业”及其技术与发展[J].北京林业大学学报,2006(06)：142-147.[2]侯红亚，王立海，徐华东，等.目测法估测树高的误差分析J].森林工程，2012，28(2)：6--8.[3]杨立岩,冯仲科,范光鹏,等.激光摄影测树仪设计与试验[J].农业机械学报,2018,49(01)：211-218.[4]邱梓轩,冯仲科,卢婧,等.望远摄影测树仪设计与试验[J].农业机械学报,2017,48(12)：202-207+213.[5]周广益,熊涛,张卫杰,等.基于极化干涉SAR数据的树高反演方法[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(04)：510-513.[6]赵芳,冯仲科,高祥,等.树冠遮挡条件下全站仪测量树高及材积方法[J].农业工程学报,2014,30(02)：182-190.[7]刘同海,滕光辉,付为森,等.基于机器视觉的猪体体尺测点提取算法与应用[J].农业工程学报,2013,29(02)：161-168.[8]陈尔学,李增元,庞勇,等.基于极化合成孔径雷达干涉测量的平均树高提取技术[J]林业科学，2007，43(4)：66－71.[9]缪永伟,冯小红,于莉洁,等.基于重复结构检测的三维建筑物精细模型重建[J].软件学报,2016,27(10)：2557-2573.[10]吴军,徐刚,董增来,等.引入灭点约束的TSAI两步法相机标定改进研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2012,37(1)：17-21.[11]王美珍,刘学军,甄艳,等.包含圆形的单幅图像距离量测[J].武汉大学学报(信息科学版),2012,37(03)：348-353.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种平面约束下的立木高度提取方法，无需获得相机的内参和外参，即可完成立木高度测量，极大的减少了计算机运算过程中的繁琐过程，减少了直线检测结果的误差、直线的长度以及候选灭点与约束直线之间的位置关系对灭点检测精度的影响，提高了平面内线段计算的灵活性,尤其适合于结构化情况下立木场景对象的几何信息提取。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种平面约束下的立木高度提取方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：参照物的选取a.选取一个长度大于宽度、高度和宽度相等的长方体作为参照物；步骤二：获取待测高度的立木图像b.在自然环境下使用移动手机设备拍摄所述参照物图像；c.将步骤一中选取的参照物放置于待测高度的树木旁边，使用所述相机拍摄含有所述参照物的立木图像；步骤三：参照物轮廓识别d.参照物模版匹配采用金字塔模版匹配的方法找到参照物在所述立木图像中的位置；e.Canny算子轮廓边缘检测采取canny算子边缘检测，对步骤d匹配到图像中的参照物进行边缘检测，提取几何信息并进行特征点坐标的计算；f.hough变换提取直线特征将步骤e获取的参照物边缘特征点坐标按指定步长n离散化为多个小格，然后采用“多对一”映射，计算图像空间中共线的多个像素点在参数平面中对应的参数值，若计算结果落在参数平面某一小格内，就使该小格的累加器加1，累积值最大的小格即为图像空间中直线的参数；步骤四：灭点坐标检测g.利用灭点几何和射影几何来进行距离估计用直线与灭点之间的一致性度量性表示直线与灭点之间的位置关系，用不同直线间的距离表示相似程度，评判比较两者之间的相似程度，评判结束后根据射影几何原理，对平行直线段组中的任意一条直线ij，及其对应的灭点v，由i,j,v三点共线可得公式(1)：(yv-yi)(xj-xi)-(xv-xi)(yj-yi)＝0(1)式中xi、xj、xv、yi、yj、yv分别为i点的x坐标，j点的x坐标，v点的x坐标，i点的y坐标，j点的y坐标，v点的y坐标的图像坐标；步骤五：构建交比信息h.竖直平面上线段长度计算通过所述参照物高度，来进行树木高度信息的提取：真实三维空间坐标和二维图像坐标之间交比的关系，如式(2)所示：其中S点为真实空间所有垂直直线的交点，且这个点在无穷远处，Q点为真实空间内同一方向所有水平直线的交点，这个点也在无穷远处，因为S点和Q点的距离在真实空间下都为无穷远，所以实际距离和无穷远相比，点Q和点N的差异可以忽略不计，则推出SN/SQ＝1，可得公式(3)：在上式中，二维平面上坐标信息都可以直接在图像上的得到计算出来，设定MN为已知高度的参照物，从而可以通过两者之比来计算待测物MQ的高度，设定待测立木高度为T2,已知T2＝MQ则可根据像素之间的比例关系求出待测立木的高度。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：通过引入参照物，利用灭点几何和射影几何来进行距离估计，无需获得相机的内参和外参，即可完成立木高度测量，极大的减少了计算机运算过程中的繁琐过程，减少了直线检测结果的误差、直线的长度以及候选灭点与约束直线之间的位置关系对灭点检测精度的影响，提高了平面内线段计算的灵活性,尤其适合于结构化情况下立木场景对象的几何信息提取。附图说明图1是本专利技术所使用的参照物的结构示意图；图2是含有图1参照物的立木图像；图3是对图2进行参照物模板匹配处理得到的图；图4是图3的参照物边缘轮廓提取图；图5是图4的特征点坐标信息提取图；图6是立木交比信息构建模拟示意图；图7是图6在自然环境下交比信息直线提取的实例示意图。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案更加清晰，以下结合附图1至7，对本专利技术进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本专利技术，并不是为了限定本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面约束下的立木高度提取方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：参照物的选取a.选取一个长度大于宽度、高度和宽度相等的长方体作为参照物；步骤二：获取待测高度的立木图像b.在自然环境下使用移动手机设备拍摄所述参照物图像；c.将步骤一中选取的参照物放置于待测高度的树木旁边，使用所述相机拍摄含有所述参照物的立木图像；步骤三：参照物轮廓识别d.参照物模版匹配采用金字塔模版匹配的方法找到参照物在所述立木图像中的位置；e.Canny算子轮廓边缘检测采取canny算子边缘检测，对步骤d匹配到图像中的参照物进行边缘检测，提取几何信息并进行特征点坐标的计算；f.hough变换提取直线特征将步骤e获取的参照物边缘特征点坐标按指定步长n离散化为多个小格，然后采用“多对一”映射，计算图像空间中共线的多个像素点在参数平面中对应的参数值，若计算结果落在参数平面某一小格内，就使该小格的累加器加1，累积值最大的小格即为图像空间中直线的参数；步骤四：灭点坐标检测g.利用灭点几何和射影几何来进行距离估计用直线与灭点之间的一致性度量性表示直线与灭点之间的位置关系，用不同直线间的距离表示相似程度，评判比较两者之间的相似程度，评判结束后根据射影几何原理，对平行直线段组中的任意一条直线ij，及其对应的灭点v，由i,j,v三点共线可得公式(1)：(yv‑yi)(xj‑xi)‑(xv‑xi)(yj‑yi)＝0    (1)式中xi、xj、xv、yi、yj、yv分别为i点的x坐标，j点的x坐标，v点的x坐标，i点的y坐标，j点的y坐标，v点的y坐标的图像坐标；步骤五：构建交比信息h.竖直平面上线段长度计算通过所述参照物高度，来进行树木高度信息的提取：真实三维空间坐标和二维图像坐标之间交比的关系，如式(2)所示：...

【技术特征摘要】
1.一种平面约束下的立木高度提取方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：参照物的选取a.选取一个长度大于宽度、高度和宽度相等的长方体作为参照物；步骤二：获取待测高度的立木图像b.在自然环境下使用移动手机设备拍摄所述参照物图像；c.将步骤一中选取的参照物放置于待测高度的树木旁边，使用所述相机拍摄含有所述参照物的立木图像；步骤三：参照物轮廓识别d.参照物模版匹配采用金字塔模版匹配的方法找到参照物在所述立木图像中的位置；e.Canny算子轮廓边缘检测采取canny算子边缘检测，对步骤d匹配到图像中的参照物进行边缘检测，提取几何信息并进行特征点坐标的计算；f.hough变换提取直线特征将步骤e获取的参照物边缘特征点坐标按指定步长n离散化为多个小格，然后采用“多对一”映射，计算图像空间中共线的多个像素点在参数平面中对应的参数值，若计算结果落在参数平面某一小格内，就使该小格的累加器加1，累积值最大的小格即为图像空间中直线的参数；步骤四：灭点坐标检测g.利用灭点几何和射影几何来进行距离估计用直线与灭点之间的一致性度量性表示直线与灭点之间的位置关系，用不同直线间的距离表示相似程度，评...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐爱俊，陈相武，周素茵，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33