CN108827245A - 一种双镜头便携式林业调查设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双镜头便携式林业调查设备。该设备包括两台数码相机或摄像头、一套小型位置姿态记录系统POS、一根连接杆、一台平板电脑或智能手机、一台云服务器；所述相机与POS系统通过连接杆固定；所述平板电脑与相机和POS系统通过数据线通讯；所述平板电脑通过自带无线通讯模块与所述云服务器进行通信。通过平板电脑或手机控制两台数码相机或摄像头同时曝光，拍摄前方林木，同时控制POS系统记录拍摄时的X、Y、Z三维位置信息和姿态角Ψ、ψ、K；用户在左右两张照片中全区同名点，平板电脑或手机自动计算树高、胸径、树冠直径等信息，并将信息自动记录到调查数据库中。

Description

一种双镜头便携式林业调查设备

一、技术领域

本发明涉及一种双镜头便携式林业调查设备

二、技术背景

森林调查是人类进行森林经营管理的基础工作，而林木测量是森林调查的主要内容，测得的数据用来研究森林的生长发展，计算森林产出的立木材积。而林木测量主要是通过森林地面调查来获取森林的基本信息，包括树高、胸径等，进一步估算林分密度、林分蓄积量等数据。如何通过低成本的设备高效准确记录林木的生长状态并对相关参数进行快速、精确的测定，有效减少生物量调查和计算的人力和时间耗费，成为目前森林资源调查装备研发的重要内容。

三、发明内容

为了利用计算机视觉技术解决上述存在的问题，本发明提供了一种双镜头便携式移动测量设备。本发明所采用的技术方案为：一种双镜头便携式移动测量系统，可用于单人背包和车载，包括两台数码相机或摄像头、一套小型位置姿态记录系统POS、一根连接杆、一台平板电脑或智能手机、一台云服务器；所述相机与POS系统通过连接杆固定；所述平板电脑与相机和POS系统通过数据线通讯；所述平板电脑通过自带无线通讯模块与所述云服务器进行通信。通过平板电脑或手机控制两台数码相机或摄像头同时曝光，拍摄前方林木，同时控制POS系统记录拍摄时的X、Y、Z三维位置信息和姿态角Ψ、ψ、K；利用摄影测量方法量测树高、胸径、树冠直径等信息，并将信息自动记录到调查数据库中。

本发明的有益效果为：本发明通过双镜头摄影测量的方法，能够帮助调查人员方便的实现高精度量测，可有效避免林区遮蔽GPS信号弱导致的测量精度误差，提高调查准确性；高清影像可帮助调查人员快速识别树种、并可记录生长形态；GPS加IMU组合导航可通过联合解算提高定位精度，特别是对于GPS信号缺失区域可通过IMU辅助定位；同时本方案实现了林业调查工作内外业一体化，可极大提高生产效率。

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为设备构成图

图2为设备安装图

图3为POS安装图

图4为连接杆构成图

图5左右摄像机在POS坐标系中示意图

图6摄影基线示意图

图7设备坐标系示意图

五、具体实施方式：

(1)连接杆为带刻度可伸缩式(图4)，连接杆两端固定安放两台数码相机(摄像头)，数码相机(摄像头)主光轴与连接杆垂直，两台数码相机(摄像头)，主光轴平行，连接杆的中心位置固定安放一套POS系统，POS系统X轴与数码相机主光轴平行(图2)。

(2)POS系统由轻小型GPS定位装置和轻小型IMU惯性导航系统组成，GPS电路板、IMU电路板和电池固定安装在一个控制盒中，GPS天线固定在控制盒顶部，GPS相位中心与IMU转轴中心归算到一点(图3)。

(3)通过数据线将相机、POS系统与平板电脑或手机连接，实现控制和数据传输(图1)。

(4)由平板电脑控制相机曝光并实时记录影像信息和曝光时系统的位置和姿态信息，位置信息由GPS加IMU组合导航联合解算获取，对于GPS信号缺失区域可通过IMU辅助定位。

(5)用户在左右两张影像上分别选取同名点，平板电脑利用POS系统量测的位置和姿态信息，通过以下方法计算出该点的坐标：

如图5所示，设备设计为左右量测相机的像辅助空间坐标系与POS设备坐标系完全平行，POS-XYZ为POS系统设备坐标系，左相机像主点S_左在POS-XYZ中的坐标为(X_S1，Y_S1，Z_S1)＝(-D，0，0)，右相机像主点S_右在POS-XYZ中的坐标为(X_S2，Y_S2，Z_S2)＝(D，0，0),D＝左相机到POS系统的长度＝右相机到POS系统的长度。

a₁、a₂为一对同名点，a₁为A点在左相片上的成像点，像空间坐标为(x₁，y₁，-f)，像空间辅助坐标即在S_左-U₁V₁W₁中的坐标为(u₁，v₁，w₁)，a₂为A点在右相片上的成像点，像空间坐标为(x₂，y₂，-f)，像空间辅助坐标即在S_右-U₂V₂W₂中的坐标(u₂，v₂，w₂)，计算像点在像空间辅助坐标系中的坐标。

R₁，R₂为由已知的外方位角元素计算的左、右像片的旋转矩阵，设备设计为左右量测相机的像辅助空间坐标系S左-XYZ和S右-XYZ与POS设备坐标POS-XYZ系三轴完全平行，则有：ψ左＝0，ω_左＝0，K_左＝0；ψ_右＝0，ω_右＝0，K_右＝0，故R₁,R₂均为单位矩阵E。

如图6所示，计算投影基线分量：

B_u＝X_s2-X_S1＝2D

B_v＝Y_s2-Y_S1＝0

B_w＝Z_s2-Z_S1＝0

计算点投影系数：

A点在POS系统设备坐标系中的坐标为：

X_A＝X_s1+N₁u₁＝X_s2+N₂u₂

Y_A＝Y_S1+N₁V₁＝Y_S2+N₂V₂

Z_A＝Z_s1+N₁w1＝Zs2+N2w2

计算出A点在POS设备坐标系下的坐标(X_A、Y_A、Z_A)后，通过坐标系转换，转换为A点在大地坐标系下的坐标，如图7所示：

其中X_G、Y_G、Z_G是POS系统GNSS量测的WGS84坐标系下坐标，Ψ、ψ、K是POS系统IMU量测的三姿态角，要求出A点在WGS84坐标系下的坐标

a₁＝cosψcosK-sinψsinωsinK

a₂＝-cosωsinK-sinψsinωcosK

a₃＝-sinψcosω

b₁＝cosωsinK

b₂＝cosωcosK

b₃＝-sinω

c₁＝sinψcosK+cosψsinωsinK

c₂＝-sinψsinK+cosψsinωcosK

c3＝cosψcosω

在左右相片选取另一个同名点B，利用上述公式可计算出B点在WGS84

坐标系下的坐标A点到B点的空间距离为：

(6)用户在左右影像中量取两个同名点，例如树木的根部一个，树木的顶部一个，采用上述方法可计算出拍摄林木的高度。同样，树高、胸径、树冠直径等信息也可利用平板或手机量算并自动记录；同时平板或手机还记录了树干、分枝、树叶、花朵、种子等的颜色、形状、纹理等影像信息。平板电脑或手机中预装调查软件还可将树木种类、权属等调查信息由调查人员现场填写记录到调查数据库中，实现内外业一体化。

本说明书未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种双镜头便携式林业调查设备，其特征是：两台数码相机或摄像头、一套小型位置姿态记录系统POS、一根连接杆、一台平板电脑或智能手机、一台云服务器，连接杆为带刻度可伸缩式，连接杆两端固定安放两台数码相机(摄像头)，数码相机(摄像头)主光轴与连接杆垂直，两台数码相机(摄像头)，主光轴平行，连接杆的中心位置固定安放一套POS系统，POS系统X轴与数码相机主光轴平行。

2.利用权利1中所述设备，通过平板电脑或手机控制两台数码相机或摄像头同时曝光，拍摄前方林木，同时控制POS系统记录拍摄时的X、Y、Z三维位置信息和姿态角Ψ、ψ、K；用户在左右两张照片中全区同名点，平板电脑或手机自动计算树高、胸径、树冠直径等信息，并将信息自动记录到调查数据库中，具体步骤如下：

(1)由平板电脑控制相机曝光并实时记录影像信息和曝光时系统的位置和姿态信息,位置信息由GPS加IMU组合导航联合解算获取，对于GPS信号缺失区域可通过IMU辅助定位；用户在左右两张影像上分别选取同名点，平板电脑利用POS系统量测的位置和姿态信息；

(2)在左右相片选取另一个同名点A，通过摄影测量公式计算出A点在POS设备坐标系下的坐标，然后根据POS系统获取的WGS84坐标系下的坐标和姿态角，再通过坐标系转换，转换为A点在WGS84标系下的坐标在左右相片选取另一个同名点B，利用同样方法计算出B点在WGS84坐标系下的坐标利用A和B的坐标可计算出AB间的距离；

(3)用户在左右影像中量取两个同名点，例如树木的根部一个，树木的顶部一个，采用上述方法可计算出拍摄林木的高度，同样，树高、胸径、树冠直径等信息也可利用平板或手机量算并自动记录；同时平板或手机还记录了树干、分枝、树叶、花朵、种子等的颜色、形状、纹理等影像信息；平板电脑或手机中预装调查软件还可将树木种类、权属等调查信息由调查人员现场填写记录到调查数据库中，实现内外业一体化。