CN102538693A - 基于激光和视觉技术的立木直径检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，属于非接触测量技术领域。利用激光测距仪1的光路和激光测距仪2的光路差值Δl计算出激光光束照射在树干上光斑的实际尺寸d₁，以激光光斑的实际尺寸d₁，作为图像测量的标尺，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干上产生光斑，用数码相机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，根据激光光斑在图像中的像素数测量树径。本测量方法所需硬件较少，计算量小，提高了树径的检测精度和检测效率。

Description

基于激光和视觉技术的立木直径检测方法

技术领域

本发明属于图像测量技术领域，涉及一种利用激光和视觉技术进行检测的方法，特别适合于远距离测量立木的直径。

背景技术

在森林资源调查中，立木直径的测量是一项非常重要的内容。传统的测量方式常用轮尺、直径卷尺和检径尺(钩尺)直接进行测量，但这些工具都只能测量树木的直径，无法测量树木的上部直径，而且测量效率比较低。采用图像的方法进行树径的非接触测量能够弥补传统测量方法的不足，目前已经越来越受到重视。

华中科技大学机械学院提出用测量标尺对相机进行标定，进行测量的方法(宋小春，康宜华等，基于数字图像处理的林木自动测量系统研究，计算机工程与设计，2005，26(5)：1187-1189.)，这种方法的不足之处是需要在要测量的树干处放置标尺，效率比较低，而且山区一些无法靠近的树木以及树木高处的侧干处无法放置标尺，无法测量。在照相时，被照物体和相机之间的距离不同时，放大倍率也不同。这种方法不能保证树干与标尺在同一个平面上，这样标尺和树干在相机成像时的放大倍数不同，容易产生测量误差。

北京林业大学工学院提出一种基于图像的树径检测方法(程朋乐，李晓慧，基于图像的树径检测方法，中国专利：201010503306.0，2012-01-25.)，这种方法利用激光的定向性好，发散角极小的特点将激光光束准直扩束后照射到立木直径上，利用照射到立木上的光斑作为图像检测的标尺，对立木直径进行检测，这种方法不需放置标尺，检测效率高。但是，实际测量中不能保证激光光束与树干一定垂直，特别是在树干倾斜时，照射在树干上的激光光斑尺寸就会发生很大的变化，无法确定此时树干上激光光斑的实际尺寸，这种情况下检测出的立木直径就会产生很大的误差，而且立木倾斜角越大，检测误差越大，造成这种检测方法失效。

发明内容

本发明克服了上述技术的不足，提供一种基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，其目的在于高效、非接触测量树径。

本发明的基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干上，用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，用激光测距仪测量树干上激光光斑上侧和下侧与激光发射设备之间的距离，用激光光斑的实际尺寸作为标尺，根据激光光斑在图像中的像素数测量树径，该方法按以下步骤进行，

(1)激光器发射的光束经过准直扩束后直径为d mm的光束照射到需要测量树径的树干上，由于激光光束与树干不垂直，照射在树干上的激光光斑直径变为d1mm，树干与光束之间的夹角为α，

(2)激光器上下两侧的两个激光测距仪的光路与激光器发射的光束平行，并且两个激光测距仪之间的距离为Wmm，经激光测距仪测量的树干上光斑上下两侧与激光发射器之间的距离差为Δlmm，

(3)用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，

(4)所拍摄的数字图像上激光光斑直径沿树干高度方向上所占的像素数为n₁，树干沿直径方向所占的像素数为n₂，

(5)计算所需测量的树干直径d₂

$\sin \mathrm{\α}=\frac{W}{\sqrt{W^2+\mathrm{\Δ}{l}^2}},$ $d_1=\frac{d}{\sin \mathrm{\α}}\mathrm{mm},$ $d_2=\frac{d_1}{n_1}\·n_2\mathrm{mm}.$

所述的基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，利用激光具有很强的方向性，沿一定方向传播几乎不发散的特点，采用激光光束照射到树干上的光斑沿树干高度方向的直径作为树径测量的标尺。

本发明采用激光光束照射到树干上的光斑沿树干高度方向的直径作为树径测量的标尺，保证了标尺和树干在同一平面上，使二者在相机中的放大倍率相同，保证了测量的精度，同时省去了在树下放置标尺的步骤，提高了测量效率，克服了在山区悬崖峭壁等地区一些无法靠近的树木以及树木高处的侧干处无法放置标尺的困难。本发明所提供的测量方法，利用激光测距仪测距的方法，测量计算出激光光束照射的树干上的激光光斑的实际直径，克服了由于树干与激光光束不垂直而造成的激光光束直径与激光光斑直径不同而带来的测量误差，提高了测量准确度。本发明所需硬件较少，测量精度和测量可靠性高，适用于远距离测量树木的直径。

附图说明

附图为检测过程示意图，图中激光测距仪1的光路与激光测距仪2的光路相互平行，且与激光器发出的光束平行。

具体实施方式

基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干上，用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，用激光测距仪测量树干上激光光斑上侧和下侧与激光发射设备之间的距离，用激光光斑的实际尺寸作为标尺，根据激光光斑在图像中的像素数测量树径，该方法按以下步骤进行，

(1)激光器发射的光束经过准直扩束后直径为dmm的光束照射到需要测量树径的树干上，由于激光光束与树干不垂直，照射在树干上的激光光斑直径变为d₁mm，树干与激光光束之间的夹角为α，

(2)激光器上下两侧的两个激光测距仪的测量光路都与激光器发射的光束平行，所以树干与激光测距仪光路之间的夹角也为α，并且两个激光测距仪光路之间的距离固定为Wmm，图中激光测距仪1的光路与激光测距仪2的光路之差为Δlmm，即经激光测距仪测量的树干上光斑上下两侧与激光发射器之间的距离差为Δl mm，

(3)用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，

(3)所拍摄的数字图像上激光光斑直径沿树干高度方向上所占的像素数为n₁，树干沿直径方向所占的像素数为n₂，

(4)计算所需测量的树干直径d₂

$\sin \mathrm{\α}=\frac{W}{\sqrt{W^2+\mathrm{\Δ}{l}^2}},$ $d_1=\frac{d}{\sin \mathrm{\α}}\mathrm{mm},$ $d_2=\frac{d_1}{n_1}\·n_2\mathrm{mm}.$

Claims (2)

1.基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干上，用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，用激光测距仪测量树干上激光光斑上侧和下侧与激光发射设备之间的距离，用激光光斑的实际尺寸作为标尺，根据激光光斑在图像中的像素数测量树径，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

(1)激光器发射的光束经过准直扩束后直径为dmm的光束照射到需要测量树径的树干上，由于激光光束与树干不垂直，照射在树干上的激光光斑直径变为d₁mm，树干与光束之间的夹角为α，

(2)激光器上下两侧的两个激光测距仪的光路与激光器发射的光束平行，并且两个激光测距仪光路之间的距离为Wmm，经激光测距仪测量的树干上光斑上下两侧与激光发射器之间的距离差为Δlmm，

(3)用数码摄像机拍摄激光光斑所在位置树干的图像，

(4)所拍摄的数字图像上激光光斑直径沿树干高度方向上所占的像素数为n₁，树干沿直径方向所占的像素数为n₂，

(5)计算所需测量的树干直径d₂

$\sin \mathrm{\α}=\frac{W}{\sqrt{W^2+\mathrm{\Δ}{l}^2}},$ $d_1=\frac{d}{\sin \mathrm{\α}}\mathrm{mm},$ $d_2=\frac{d_1}{n_1}\·n_2\mathrm{mm}.$

2.如权利要求1所述的基于激光和视觉技术的立木直径检测方法，其特征在于，用激光测距仪测量出激光光束照射到树干上的光斑上下侧与激光发射器之间的距离差，用此距离差计算出树干上激光光斑的实际尺寸，用树干上激光光斑的实际直径作为标尺测量树干直径。

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