CN110207670B - 一种使用二维图像获取人工林森林冠幅参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种使用二维图像获取人工林森林冠幅参数的方法，适用于人工林资源调查，属于摄影测量在林业应用技术领域范畴，关键技术要点包括：1.提取林木点云模型中的有用信息；2.使用特定方法提取林木相对关系信息；3.利用特定估算方法计算目标区域林木冠幅参数。解决的关键性问题包括：1.只需对林地进行拍摄获取样地信息，降低地面调查工作量，提高调查效率；2.解决由于林木枝叶遮挡，导致近景摄影测量无法获取高密度森林环境林木冠幅信息的问题。该发明适用于高密度森林环境的人工林，是首次使用摄影测量技术与冠幅估算方法相结合的方法，提取高密度森林环境人工林的单木冠幅信息。成果可为人工林资源快速精准调查工作提供基础性数据依据。

Description

一种使用二维图像获取人工林森林冠幅参数的方法
一、技术领域
本发明涉及一种近景摄影测量与森林资源调查的交叉领域中的人工林森林冠幅参数估算方法，适用于高密度人工林森林胸径参数获取，属于近景摄影测量在林业应用技术领域。
二、技术背景
冠幅是进行森林资源调查时重要的单木参数。通过近景摄影测量方法相较于通过传统测量方法进行森林资源调查可以提高调查效率、减少人工成本以及减少调查工作工作量。利用近景摄影测量技术可以通过测量重建出的单木点云模型而实现林木冠幅参数的提取。但是在高密度森林环境中利用近景摄影测量技术，由于枝叶遮挡严重导致无法获取精准的单木林冠信息，从而无法通过直接测量点云模型的方法进行林木冠幅参数提取。
因此，在高密度森林环境下林木冠幅参数测量工作中，传统方法效率低，针对近景摄影测量方法无法获取足够冠层信息的技术限制下，急需一种使用现有数据进行冠幅参数有效、精确估算的方法，从而实现利用近景摄影测量方法在高密度森林环境下林业资源调查中的冠幅参数提取。
本方法利用从点云模型中提取的胸径和树间距信息以及从测量中记录的林龄和郁闭度信息对林木冠幅进行估算。利用估算公式计算单木各个方向的平均冠幅长度，并依据单方向冠幅长度和角度计算树冠面积，最终获取到高密度森林环境下的单木冠幅参数。
三、发明内容
为了解决利用近景摄影测量技术在高密度森林环境下进行数据获取时，冠层信息获取不全的问题，本发明目的是提供一种基于近景摄影测量数据所构建的三维重建模型的全新冠幅参数估算方法。它通过人工林森林三维点云模型中的树点位信息、每棵树胸径信息以及人工林一些人工调查信息(包括树龄信息以及郁闭度信息)对于样地中单木的冠幅参数进行估算。实现利用近景摄影测量技术对高密度森林环境下的单木冠幅参数提取，提升了工作效率和精度，克服了近景摄影测量技术应用在高密度森林环境的森林调查工作的缺点。
本发明方法是这样实现的：使用林木样地三维点云模型提取树底点点位坐标以及每棵树1.3米处胸径信息，利用一定规律的连线法将所有提取到的树底点进行连结，最终生成样地三角网图。从样地三角网中树底点连结的线段提取树间距，利用树间距值、线段两端树底点所对应单木胸径值、该样地林龄参数以及郁闭度参数组成的公式计算该线段方向该树冠幅长度。计算三角网中每个连接线段的每两棵树的冠幅长度，统计单木所有方向的冠幅长度计算平均值即为该树冠幅长度。按照冠幅长度在各个线段上找到每棵树在该方向的树冠最远点，连接每棵树的所有连接线段方向的树冠最远点构成多边形，计算三角网内所有多边形面积即为对应树木树冠面积参数。
本发明具有以下优点：
(1)仅需围绕目标区域进行拍照获取图像照片以及调查目标区域林龄以及郁闭度情况，对比传统方法，大大降低了地面测量的工作量和人工成本，缩短实地测量时间；
(2)提升量测精度，更加客观精确，避免工作人员水平对测量结果的影响；
(3)解决了通过近景摄影测量方法进行高密度森林环境下林木冠幅参数时，获取林冠层信息不全而导致提取冠幅参数精度较低的问题，大大提升了利用近景摄影测量方法在特殊环境下对于单木冠幅参数提取的精度和效率。
四、附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为最外层树底点连线示意图
图2为内侧树底点连线示意图
图3冠幅参数提取方法示意图
五、具体实施方式：
本发明：一种使用二维图像获取高密度人工林森林冠幅参数的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：使用近景摄影测量设备顺时针以固定步长围绕目标区域进行拍照，及时检查照片质量，要求拍摄对象清晰；
步骤二：利用拍摄的序列照片进行三维点云重建，获得目标样地三维点云模型；
步骤三：将重建的点云数据使用七参数转换模型进行相对空间坐标转换为大地空间直角坐标的三维坐标转换。假定A(Xa,Ya,Za)为已知坐标系坐标，B(Xb,Yb,Zb)为待定坐标系坐标，则有：
Figure GDA0003219562100000031
其中，Tx,Ty,Tz为三个平移参数，m为一尺度参数，ωx，ωy，ωz为三个旋转参数。若已知三对以上的两空间直角坐标系下的对应坐标，则可以根据式(1)求解出两空间直角坐标系间的转换七参数，然后利用转换模型七参数同样根据式(1)可以将生成的点云数据相对空间坐标转换为大地空间直角坐标系下的坐标；
步骤四：从恢复的点云文件中提取树底点坐标，在已恢复的点云模型中人工点选目标样地中每棵树的树底点，并提取树底点坐标；
步骤五：将提取到的树底点坐标进行二维展点，利用本次发明中的树底点连线法进行树底点连线，连线方法为首先进行最外层树底点来连线，其次进行内侧点连线。其中最外侧点连线如图1所示，其余内侧树底点连线如图2所示。
图1中红点所示为最外层树底点，图2中红点所示为从所有样地内部树底点中遍历到的凸四边形四个角点。
其中内侧点连线具体步骤为：遍历样地范围内可连成凸四边形的四个相邻树底点，即该四点相连可形成凸四边形且四边形内无其他树底点。再进行四边形内最短对角线的连接，若遍历到的四边形内两条对角线其中一条已连接则不再进行任何对角线连接。直至样地范围内形成三角网，即所有符合要求的凸四边形中最短对角线已连接。
步骤六：利用冠幅估算公式计算每棵树的树底点到该树与相邻树底点连线上的冠幅分割点距离。本发明中的冠幅估算方法利用树间的竞争关系对样地中树木的冠幅进行估算。利用式(2)计算出树底点到上文提到的树间距连接线分割点的距离d，然后利用距离d的平均值计算该树的冠幅长度，利用距离d确定连接线上的分割点位置，然后对于分割点进行连线，所围成的多边形的面积即冠幅面积。
Figure GDA0003219562100000032
式(2)中D为树间距，x1为目标树的胸径，x2为相邻树胸径，A为树间距阈值(与郁闭度参数相关)，K为林龄参数。其中所有距离有关的参数的实际单位为米，树间距阈值与林龄参数为经验参数，树间距阈值与该样地郁闭度成正相关，林龄参数与该样地林龄值成负相关。
为验证该方法有效性和测量精度，申请人使用广西壮族自治区三块桉树人工林以及一块格木与红锥混交林作为实验对象，使用该方法获取单木冠幅参数，并对照地面实测值计算冠幅长度误差，对照无人机影像生产DSM人工勾选出每块样地中所有树木的树冠面积值进行该方法的精度验证。精度验证实验数据分别选取四块样地，样地信息表如表1所示。其中桉树林选取3块样地，冠幅长度提取值与实测值对比以及测试精度情况见表2。
表1样地信息表
Figure GDA0003219562100000041
表2四块样地冠幅平均长度提取值与真值比较
Figure GDA0003219562100000042
桉树1-4号样地绝对误差分别为0.2260m、0.2219m、0.5598m及0.8063m。精度分别为80％，79.76％、80.47％以及74.41％。四块样地平均提取值为1.9103m，平均真为2.0620m，平均绝对误差为0.4535m，平均精度78.66％。该方法在冠幅提取方面精度较高，可以满足基本林业调查需求，并且实验结果证明本研究方法在选取合适公式参数的情况下可以对于不同树种进行林木冠幅参数的提取，具有可扩展性。

Claims (1)

1.一种使用二维图像获取人工林森林冠幅参数的方法，其特征是：
使用近景摄影测量获取目标区域影像，建立森林三维点云模型，在对模型进行坐标转换和树底点坐标提取后，利用树底点连线法进行树底点连线，并利用冠幅估算方法计算目标区域林木冠幅数据，
所述树底点连线法是将提取到的树底点坐标进行二维展点，并进行样地中最外层单木树底点来连线，然后进行内侧单木树底点连线，其中内侧单木树底点连线方法具体步骤为：遍历样地范围内可连成凸四边形的四个相邻树底点，即该四个相邻树底点相连可形成凸四边形且四边形内无其他树底点，再进行四边形内最短对角线的连接，若遍历到的四边形内两条对角线其中一条已连接则不再进行任何对角线连接，直至样地范围内形成三角网，即所有符合要求的凸四边形中最短对角线均已连接，
所述冠幅估算方法是利用式(1)计算每棵树的树底点到该树与相邻树底点连线上的冠幅分割点距离，利用树间的竞争关系对样地中树木的冠幅进行估算，利用式(1)计算出树底点到相邻树的树间距连接线分割点的距离d，然后利用距离d的平均值计算该树的冠幅长度，利用距离d确定连接线上的分割点位置，然后对于分割点进行连线，所围成的多边形的面积即冠幅面积，
Figure FDA0003219562090000011
式(1)中D为树间距，x1为目标树的胸径，x2为相邻树胸径，A为树间距阈值(与郁闭度参数相关)，K为林龄参数，其中所有距离有关的参数的实际单位为米，树间距阈值与林龄参数为经验参数，树间距阈值与该样地郁闭度成正相关，林龄参数与该样地林龄值成负相关。
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