立体摄像测树仪及其全自动测树方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。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，本专利技术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。
技术介绍
(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，北京林业大学专利技术的“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专利技术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。北京林业大学专利技术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。
技术实现思路
(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。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李海奎，徐祯祥，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院资源信息研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]