CN102589455B - 基于激光和视觉技术的立木直径检测装置 - 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装置，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干(1)上，用摄像机(15)拍摄激光光斑所在位置树干的图像，用激光测距仪(7)和(9)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，根据距离差计算出激光光斑的实际尺寸，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。

Description

基于激光和视觉技术的立木直径检测装置

技术领域

本发明属于机器视觉技术和树木检测技术领域，具体涉及一种利用激光测距和机器视觉技术对树径进行快速检测的装置。

背景技术

机器视觉是一项集合了数字图像处理、机械、控制、光学、计算机等技术的综合技术。机器视觉系统可以实现对目标进行无接触检测，可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，因此，机器视觉技术作为一种重要的检测技术已经引起人们的重视，并在检测领域得到了越来越广泛的应用。

在森林资源调查中，树径的测量是一项非常重要的内容。国内在测量单株立木直径时，大多是靠操作人员用卷尺测量树木的周长，然后计算出树木的直径值，或采用按圆周长等于π倍直径关系和卷尺一样在尺上刻画刻度的测径围尺来直接读取树木的直径值，作业过程需要人工读取、记录测量数据以及对数据进行处理，测量速度慢，劳动强度大，而且不便于对数据的统计和管理。采用机器视觉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测量每棵树时均需要在被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，被测树木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

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于激光和视觉技术的立木直径检测装置，该装置能够快速对树干图像进行采集、处理和传输，能够准确地检测出树木的真实直径值。

本发明提供的一种基于激光和视觉技术的立木直径检测装置，其特征在于：

激光发射器(8)为红色半导体激光器，激光发射器(8)内部有准直扩束系统，激光测距仪(7)与激光测距仪(9)安装在激光发射器(8)的上下侧，激光测距仪(7)、激光测距仪(9)和激光发射器(8)都固定在支架(6)上，并且满足激光测距仪(7)与激光测距仪(9)的测量光路分别为(2)和(4)与激光发射器(8)发出的光束(3)相互平行，光束(3)与旋转臂(10)的对称轴线相互平行，激光器发射的激光扩束准直以后为光束(3)照射到被测树干(1)上，准直扩束以后激光光束的发散角几乎为零；

摄像机(15)安装于支架(6)上，位于激光发射器(8)的下方，摄像机的轴线与激光发射器(8)发出的光束(3)平行，摄像机(15)采用大景深视频监控镜头，不同距离的物体都能够清晰地呈现在画面中，这样激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到摄像机中；

激光测距仪(7)与激光测距仪(9)将测量出的树干上光斑上下两侧与激光发射器之间的距离数值传送给笔记本计算机(5)，摄像机将采集的图像传送给笔记本计算机(5)，计算机中的图像处理程序对采集到的图像进行识别，根据激光测距仪测量的距离数值计算出树干上光斑的实际直径，并采用激光光束照射到树干上的光斑的实际直径作为标尺，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。

本发明装置能够迅速采集带有激光光斑的树干图像，并能快速测量出树干的直径，对检测结果进行存储。具体而言，本发明装置具有以下特点：

(1)本发明采用了激光光斑作为标尺，在检测时无需在被测树干处放置标尺，节省了测量时间，并且由于激光光斑与树干在同一平面上，减少了测量误差，提高了测量精度；

(2)本发明采用激光测距仪测量出光斑上下两侧与激光发射器之间的实际距离，通过距离差计算出树干与激光光束之间的夹角，进而计算出树干上激光光斑的实际尺寸，消除了由于激光发射器与树干之间不垂直而带来的光斑直径与光束直径不同引起的测量误差；

(3)本发明采用圆光栅尺和带有铅锤的读数头实时测量出激光发射器轴线与竖直线之间的夹角，通过数据线将这一数值实时采集到笔记本计算机中，可以计算出树干与水平面的夹角；

(4)本发明能够即时地将测量到的树干直径值存储到数据库中。

附图说明

附图为基于激光和视觉技术的立木直径检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实施方式做进一步说明，基于激光和视觉技术的立木直径检测装置，激光光束经过准直扩束后照射到需要测量树径的树干(1)上，用摄像机(15)拍摄激光光斑所在位置树干的图像，用激光测距仪(7)和(9)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，根据距离差计算出激光光斑的实际尺寸，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(2)和(4)之间的距离固定为Wmm，图中激光测距仪(7)的光路(2)与激光测距仪(9)的光路(4)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Δlmm，

(3)用数码摄像机(15)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

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

(6)经圆光栅尺测得的激光发射器(8)与竖直位置的夹角为β，则树干(1)的与水平面的倾角为γ＝270°-α-β。

Claims (3)

1.一种基于激光和视觉技术的立木直径检测装置，激光发射器(8)为红色半导体激光器，激光发射器(8)内部有准直扩束系统，激光器发射的激光扩束准直以后为光束(3)照射到被测树干(1)上，准直扩束以后激光光束的发散角几乎为零；摄像机(15)，安装于支架(6)上，位于激光发射器(8)的下方，摄像机的轴线与激光发射器(8)发出的光束(3)平行，摄像机(15)采用大景深视频监控镜头，不同距离的物体都能够清晰地呈现在画面中，这样激光光束照射的不同距离的树干都可以清晰地成像到摄像机中；其特征在于：

第一激光测距仪(7)与第二激光测距仪(9)分别安装在激光发射器(8)的上下两侧，第一激光测距仪(7)、第二激光测距仪(9)和激光发射器(8)都固定在支架(6)上，并且满足第一激光测距仪(7)与第二激光测距仪(9)的测量光路分别为第一光路(2)和第二光路(4)与激光发射器(8)发出的光束(3)相互平行，光束(3)与旋转臂(10)的对称轴线相互平行，第一激光测距仪(7)与第二激光测距仪(9)将测量出的树干上光斑上下两侧与激光发射器之间的距离数值传送给笔记本计算机(5)，摄像机将采集的图像传送给笔记本计算机(5)，计算机中的图像处理程序对采集到的图像进行识别，根据激光测距仪测量的距离数值计算出树干上光斑的实际直径，并采用激光光束照射到树干上的光斑的实际直径作为标尺，计算出光斑所在位置树干的直径值，并将计算出的数据存储于数据库中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：旋转臂(10)通过转轴(13)固定在立杆(11)上，并能够绕转轴(13)自由旋转，旋转臂(10)上装有圆光栅尺(12)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：圆光栅尺(12)的读数头(14)上装有铅锤，并能够绕转轴(13)自由旋转，在铅锤的作用下读数头(14)一直处于竖直位置，读数头的轴线与水平线垂直。