一种基于地形条件的非接触式立木胸径测量方法技术

本发明专利技术提供一种非接触式立木胸径测量方法，基于低成本被动光学设备和主动光学设备，能够有效在多种林分下应用。通过将被动光学设备与主动光学设备这两种低成本光学设备进行集成，被动光学设备用于获取包含目标立木的二维图像信息，主动光学设备被用于获取集成设备到目标立木的距离信息，对集成设备进行标定，获取设备基本参数信息，考虑地形条件的二维图像中的胸高位置估计，旋转集成设备至水平并瞄准目标立木，获取包含目标立木的二维图像和集成设备到目标立木的距离信息，利用本发明专利技术的算法实现对目标立木胸径的计算，完成目标立木胸径的非接触式测量。本发明专利技术结构简单，易于集成，提高了设备的测量普适性，且能够在复杂地形下进行有效测量。进行有效测量。进行有效测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地形条件的非接触式立木胸径测量方法


[0001]本专利技术涉及一种非接触式立木胸径测量方法，更具体地，涉及一种在复杂林分下实现对立木胸径进行非接触式、低成本和快速测量的方法，属于林业结构参数测量


技术介绍

[0002]胸径(Diameter at Breast Height,DBH)作为森林资源调查中的重要参数，一般被定义为距离地面1.3m处垂直于树干轴线的直径。实现 DBH的准确测量在反演森林蓄积量、生物量以及揭示森林的碳流动等方面均有着不可替代的作用。
[0003]DBH测量方法可以分为接触法和非接触法。接触法的传统测量工具一般以轮尺或测树为主，虽然其测量精度较高且常被视为真值，但在实际森林资源调查中存在费时费力的缺点且有时受到目标区域难以靠近的限制。新的接触式测量方法将集成化的电子传感器替代传统接触测量工具，基于传感器的电信号变化实现对DBH的自动化测量，虽然其实现了参数的自动化测量，但实际测量时部分区域的不可达性依然限制了其有效应用。
[0004]随着当下智能终端的不断发展，其搭载的光学镜头质量和本身运算能力均得到了有效提高。利用智能终端并集成激光测距仪组成的主被动光学测量系统，能够实现DBH的非接触式测量，将会提高森林资源调查工作的效率、降低数据测量的时间与物力成本。目前有部分思路利用智能手机并搭载其他特制传感器实现了DBH的测量，如利用搭载了深度相机的特定智能终端或是设计特定标定物来估计深度信息以测量DBH，这在一定程度上满足了部分研究的需要。但由于智能终端型号和实现容易度的差异，基于智能终端并集成多传感器实现具有较高普适性并足够精确的DBH测量模式仍有待研究。
[0005]首先，利用智能手机对DBH的非接触式测量需要建立图像二维空间到现实三维空间的转换关系，现有基于智能终端的空间转换方法一般依赖于特定内置传感器，局限于特定型号的智能手机，如搭载了TOF 相机和Google Tango框架的智能手机或是配置有激光雷达扫描模块的 iPhone13 Pro等。而当搭载额外的外置集成传感器时，一般通过设计特定标志物以进行空间关系变换，虽然其并不局限于智能终端的具体型号，但标志物的复杂设计制约了该模型的可移植性，同时也带来了野外工作中大量的重复标定问题。其次，已有测量模式一般聚焦于地形平坦的人工林等简单林分，而如何设计有效的测量模式以适应复杂林分如山地森林等场景下的DBH测量是尚需解决的问题。具体来说，已有研究一般以测量场景地形平坦为假设前提，将设备的离地高度直接转换为目标树胸高，这限制了其在地形崎岖的自然森林中的有效应用。第三，已有基于智能终端并融合多传感器的DBH非接触式测量模式，为了在野外实验中对DBH进行持续稳定的测量，需要在实验前进行相对复杂的设备标定实验，以准确获取设备的基本参数信息。因此，需要设计一种简化的集成设备标定模式，从而提升基于智能终端的集成化设备测量DBH的实用性和便利性。

技术实现思路

[0006]在下文中将给出关于本公开内容的简要概述，以便提供关于本公开内容某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开内容的穷举性概述。它并不是意图确定本公开内容的关键或重要部分，也不是意图限定本公开内容的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0007]本专利技术的目的是提供一种非接触式立木胸径测量方法，基于低成本主被动光学设备，能够有效在多种林分下进行应用。通过将被动光学设备例如智能终端的光学相机或图像传感器与主动光学设备例如激光测距仪这两种低成本光学设备进行集成并校准，并依赖于本专利技术的算法，即可实现对DBH的非接触式测量。本专利技术充分利用主被动光学设备的特性优势，它一是结构简单，易于集成实现且仅需少量标定即可对DBH进行非接触式测量；二是能够在不加入额外传感器条件下实现多种林分下的DBH测量，提高了设备的测量普适性。因此，本专利技术实现的DBH非接触测量模式更为简便有效且能够在复杂地形下进行有效测量。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：
[0009]本专利技术提供一种非接触式立木胸径测量方法，包括以下步骤：
[0010]一种非接触式立木胸径测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]步骤一：将主动光学设备和被动光学设备进行组装得到集成设备，并固定于支架上，其中，被动光学设备用于获取包含目标立木的二维图像信息，主动光学设备被用于获取集成设备到目标立木的距离信息；
[0012]步骤二：对集成设备进行标定，获取设备基本参数信息，包括，对被动光学设备进行单独标定，获取被动光学设备的内参数矩阵，对集成设备进行整体标定，同时获取集成设备内部被动光学设备与主动光学设备的测距中心的相对距离和被动光学设备的光学视场角；
[0013]步骤三：考虑地形条件的二维图像中的胸高位置估计，旋转集成设备至水平并瞄准目标立木，获取包含目标立木的二维图像和集成设备到目标立木的距离信息，二维图像中的胸高位置表示为如下公式：
[0014][0015]其中，P
dbh
表示以像素为单位的二维图像中的胸高位置；H
image
为以像素为单位的二维图像高度，当被动光学设备拍摄模式固定时其为定值；d为主动光学设备获取的距离信息的测距值；α和β分别为光学视场角的一半和集成设备由水平向下旋转至瞄准目标立木底部的角度变化量；D0为集成设备中被动光学设备与主动光学设备之间的相对距离；以及
[0016]步骤四：计算目标立木的胸径，根据公式3获得的二维图像中的胸高位置，将图像裁剪为以胸高位置为中心的矩形区域，建立包含树干胸高位置的感兴趣区域，通过所述测距值d并识别计算感兴趣区域中以像素为单位的的树干宽度N，建立如公式4所表示的图像二维空间到现实三维空间的转换关系，
[0017][0018]其中，f为被动光学设备的焦距，d为所述测距值，N为二维图像中以像素为单位的树干宽度，d
x
为图像空间中经校准的单像素间距，通过步骤二中对被动光学设备的单独标
定获取，L
pixel
为二维图像空间中目标立木胸径的物理尺寸，D0为集成设备中被动光学设备与主动光学设备之间的相对距离，DBH为目标立木胸径的实际尺寸。
[0019]进一步的，其中，所述被动光学设备选自手机、平板电脑或笔记本电脑自带的光学相机或图像传感器。
[0020]进一步的，其中，所述主动光学设备包括激光测距仪。
[0021]进一步的，其中，所述集成设备还包括角度陀螺仪，通过由水平向下旋转集成设备至瞄准目标立木底部，通过角度陀螺仪获取角度变化量β。
[0022]进一步的，其中，所述角度陀螺仪为手机、平板电脑或笔记本电脑自带的角度陀螺仪。
[0023]进一步的，其中，步骤二中被动光学设备的光学视场角的标定基于在不同距离下图像所代表的实际物体高度实现，通过在标定板上记录当下所摄图像垂直上下边界所对应的具体位置确定图像所表示的实际高度h，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非接触式立木胸径测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将主动光学设备和被动光学设备进行组装得到集成设备，并固定于支架上，其中，被动光学设备用于获取包含目标立木的二维图像信息，主动光学设备被用于获取集成设备到目标立木的距离信息；步骤二：对集成设备进行标定，获取设备基本参数信息，包括，对被动光学设备进行单独标定，获取被动光学设备的内参数矩阵，对集成设备进行整体标定，同时获取集成设备内部被动光学设备与主动光学设备的测距中心的相对距离和被动光学设备的光学视场角；步骤三：考虑地形条件的二维图像中的胸高位置估计，旋转集成设备至水平并瞄准目标立木，获取包含目标立木的二维图像和集成设备到目标立木的距离信息，二维图像中的胸高位置表示为如下公式：其中，P
dbh
表示以像素为单位的二维图像中的胸高位置；H
image
为以像素为单位的二维图像高度，当被动光学设备拍摄模式固定时其为定值；d为主动光学设备获取的距离信息的测距值；α和β分别为光学视场角的一半和集成设备由水平向下旋转至瞄准目标立木底部的角度变化量；D0为集成设备中被动光学设备与主动光学设备之间的相对距离；以及步骤四：计算目标立木的胸径，根据公式3获得的二维图像中的胸高位置，将图像裁剪为以胸高位置为中心的矩形区域，建立包含树干胸高位置的感兴趣区域，通过所述测距值d并识别计算感兴趣区域中以像素为单位的的树干宽度N，建立如公式4所表示的图像二维空间到现实三维空间的转换关系，其中，f为被动光学设备的焦距，d为所述测距值，N为二维图像中以像素为单位的树干宽度，d
x
为图像空间中经校准的单像素间距，通过步骤二中对被动光学设备的单...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈永华，邵天翼，
申请(专利权)人：北京视遥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：