CN103453893A

CN103453893A - 一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法

Info

Publication number: CN103453893A
Application number: CN2013104658580A
Authority: CN
Inventors: 冯仲科; 闫飞; 韦雪花; 巩垠熙; 高原
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明公开一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法。通过使用3D数码相机拍摄获取单木的立体相片，以多个圆柱体分段模拟树干、树枝，还原树木枝干形态，获取树木一级枝、二级枝、三级枝的基部枝径、枝干夹角以及枝方位角等树木枝干因子。提高了树木枝干因子获取的效率和精度，克服了以往树木枝干因子难以测量、精度不高的缺陷。

Description

一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法

一、技术领域

本发明涉及一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法，特别是利用3D数码相机进行树木枝干立体拍摄，进而测量获取树木枝干因子。

二、技术背景

一株树木有若干分枝，每一级枝的基部枝径是计算树木年生长量的主要参数，枝倾角、枝方位角等参数是影响植物光合作用的重要因子。传统的树木枝干因子计测方法建立在围尺、角尺测量读数等手工作业的基础上，不仅手段落后、效率低、精度差，而且由于树木分枝形态的复杂性和高大树木的不可达性，测量对象仅限于幼树，对于高大树木的枝干参数则难以测量。因此，实现这些数据快速准确获取成为林业工作者亟待解决的问题。本发明通过使用3D数码相机对单木进行立体摄影，进而测量获取树木枝干因子，简化外业测量，自动进行数据存储和处理，计算树木枝干的枝径、枝夹角以及枝方位角等参数。该方法全面提升了外业数据采集、内业数据处理的速度，有效提高了树木枝干因子测算的精度和效率。

三、发明内容

为克服传统方法的树木枝干因子参数获取周期长、效率低、精度差的缺点，提高效率与精度，实现树木枝干的枝径、枝干夹角和枝方位角等参数的精准量测，本发明提供了一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法，其特征是：以单木为研究对象，以3D数码相机为拍摄工具，对单木进行立体摄影，将多个圆柱体分段模拟树干、树枝，还原树木枝干形态，计算获取树木一级枝、二级枝、三级枝的基部枝径、枝干夹角以及枝方位角等树木枝干因子。

主要发明内容：

①3D数码相机进行单木立体拍摄获取其枝干信息；

②圆柱体法模拟树木枝干形状；

③树木一、二、三级枝的基部枝径、枝干夹角、枝方位角的获取；

本项发明与现有方法相比具有以下优点：

(1)提高了树木枝干计测工作效率。传统的树木枝干测量过程中需要运用围尺、角尺等多种测距、测角工具逐个分枝进行量测，并需要手工记录，工序繁琐。本发明通过使用3D数码相机对单木进行立体摄影，进而测量获取树木枝干因子，简化外业测量，减轻了测量作业强度。

(2)实现了对树干枝径、枝倾角、枝方位角的高精度测量。传统方法量测较为简单，误差大。通过树木枝干立体相片可实现树木枝干特征点的精确量测，计算简便快捷。

四、附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1为以N个小圆柱体分段模拟还原树木形态示意图；

图2为一、二、三级枝枝径示意图；

图3为一、二、三级枝枝干夹角示意图；

图4为一级枝方位角示意图

五、具体实施方式：

基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法与现有方法不同，具体在于：

(1)在树木落叶之后的冬季，选取单木观测范围良好的拍摄点，利用3D数码相机对单木进行拍摄，获取单木枝干立体相片数据；

(2)将单木的立体摄影相片，根据点云密度和距离，以N个小圆柱体分段模拟树干、树枝，还原整棵树木的枝干形态；

(3)通过计算第一个一级分枝处的模拟圆柱体的直径，获取第一个一级分枝的直径d₁；

(4)通过计算第一个一级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L₁，与主干处模拟圆柱体的中心轴的夹角，获取第一个一级分枝与主干的夹角α₁；

(5)通过第一个一级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L₁，投影到与垂直于树高方向(Z)的平面(XY)上的直线L₁′，计算L₁′与平面XY上正北方向的夹角，获取第一个一级枝的方位角β₁；

(6)通过重复步骤3)、4)、5)计算得到第二个、第n个一级枝的枝径(d₁，d₂，……，d_n)、枝干夹角(α₁，α₂，……，α_n)、枝方位角(β₁，β₂，……，β_n)；

(7)同样，通过计算第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的直径，获取第一个一级分枝上的第一个二级分枝的直径d_1-1；通过计算第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L_1-1，与第一个一级分枝处模拟圆柱体的中心轴的夹角，获取第一个二级分枝与第一个一级分枝的夹角α_1-1；通过第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L_1-1，投影到与垂直于树高方向(Z)的平面(XY)上的直线L_1-1′，计算L_1-1′与平面XY上正北方向的夹角，获取第一个一级枝上的第一个二级枝的方位角β_1-1；

(8)同样，重复步骤(7)得到第一个一级枝上的m个二级枝的枝径(d_1-1，d_1-2，……，d_1-m)、枝干夹角(α_1-1，α_1-2，……，α_1-m)、枝方位角(β_1-1，β_1-2，……，β_1-m)，第一个一级枝上的第一个二级枝的u个三级枝的枝径(d_1-1-1，d_1-1-2，……，d_1-1-u)、枝干夹角(α_1-1-1，α_1-1-2，……，α_1-1-u)、枝方位角(β_1-1-1，β_1-1-2，……，β_1-1-u)。

Claims

1.一种基于立体摄影测量获取树木枝干因子的方法，其特征是：以单木为研究对象，以3D数码相机为拍摄工具，对单木进行立体摄影，将多个圆柱体分段模拟树干、树枝，还原树木枝干形态，计算获取树木一级枝、二级枝、三级枝的基部枝径、枝干夹角以及枝方位角等树木枝干因子。具体步骤如下：

1)在树木落叶之后的冬季，选取单木观测范围良好的拍摄点，利用3D数码相机对单木进行拍摄，获取单木枝干立体相片数据；

2)将单木的立体摄影数据，根据点云密度和距离，以N个小圆柱体分段模拟树干、树枝，还原整棵树木的枝干形态；

3)通过计算第一个一级分枝处的模拟圆柱体的直径，获取第一个一级分枝的直径d₁；

4)通过计算第一个一级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L₁，与主干处模拟圆柱体的中心轴的夹角，获取第一个一级分枝与主干的夹角α₁；

5)通过第一个一级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L₁，投影到与垂直于树高方向(Z)的平面(XY)上的直线L₁′，计算L₁′与平面XY上正北方向的夹角，获取第一个一级枝的方位角β₁；

6)通过重复步骤3)、4)、5)计算得到第二个、第n个一级枝的枝径(d₁，d₂，……，d_n)、枝干夹角(α₁，α₂，……，α_n)、枝方位角(β₁，β₂，……，β_n)；

7)同样，通过计算第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的直径，获取第一个一级分枝上的第一个二级分枝的直径d_1-1；通过计算第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L_1-1，与第一个一级分枝处模拟圆柱体的中心轴的夹角，获取第一个二级分枝与第一个一级分枝的夹角α_1-1；通过第一个一级分枝上的第一个二级分枝处的模拟圆柱体的中心轴L_1-1，投影到与垂直于树高方向(Z)的平面(XY)上的直线L_1-1′，计算L_1-1′与平面XY上正北方向的夹角，获取第一个一级枝上的第一个二级枝的方位角β_1-1；

8)同样，重复步骤7)得到第一个一级枝上的m个二级枝的枝径(d_1-1，d_1-2，……，d_1-m)、枝干夹角(α_1-1，α_1-2，……，α_1-m)、枝方位角(β_1-1，β_1-2，……，β_1-m)，第一个一级枝上的第一个二级枝的u个三级枝的枝径(d_1-1-1，d_1-1-2，……，d_1-1-u)、枝干夹角(α_1-1-1，α_1-1-2，……，α_1-1-u)、枝方位角(β_1-1-1，β_1-1-2，……，β_1-1-u)。