一种快速精确确定林窗形状和面积的方法

一种快速精确确定林窗形状和面积的方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，步骤：（1）确定待测林区的坐标；（2）根据坐标，地面处理系统控制无人机遥感系统飞行到待测林区上空距地面200米处，悬停；（3）通过无人机遥感系统对待测林区进行航拍：所述的无人机遥感系统包括：控制模块（210），其接收来自所述地面处理系统的指令，并基于所接收到的数据对动力模块、全球定位系统模块、拍摄模块进行控制，拍摄模块，用以接收控制模块的指令，基于所接收到的指令进行航拍；（4）对航拍照片进行处理：利用ERDAS软件对航拍照片进行处理；（5）计算林窗形状和面积。该方法具有快捷、精确、反应灵敏、结构简单、省时省力等优点，可以推广应用。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及林窗形状和面积的测量方法，特别涉及用于快速精确测量阔叶红松林 林区的林窗形状和面积的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法。 一种快速精确确定林窗形状和面积的方法

【背景技术】
[0002] 林窗是指在林冠层造成空隙的现象，林窗对于森林的更新具有重要的意义，可以 通过林窗的大小来确定森林中植被的生长状况，随之可以通过播种减小林窗或是对植被剪 枝扩大林窗来达到加速森林植被快速生长的目的。
[0003] 目前，对林窗形状和面积的测量主要是人工进行，费时费力，误差大，对于一些人 员无法到达的山区，很难通过人工测量。
[0004] 目前，存在一种卫星航拍技术和航拍飞机，然而这种技术受环境的影响比较大，当 有云层阻挡时不能完成航拍任务，由于卫星在大气层外部，不能航拍到清晰照片，卫星的分 辨率可以精确到〇. 5米，卫星航拍的分辨率低，航拍飞机需要建设跑道，耗资巨大。
[0005] 目前，存在云台与三轴加速度计和三轴陀螺仪配合使用的技术与装置，如 专利申请CN201210201385. 9中的基于惯性姿态传感器的自稳定云台和专利申请 CN201210179480. 3中的飞行器航拍云台控制器及其控制方法，这些装置均存在体积笨重， 结构复杂。并且这些装置都是独立于无人机使用，当与无人机配合使用时，需要两片单片机 控制器，因此造成了零件重复使用，增加了无人机的质量负担。在这些装置中，结构复杂，包 括云台等复杂装置，这些装置中含有多个零件，因此造成质量大、携带不便、操作困难等问 题。
[0006] 为了更加快捷、精确测量出林窗的形状和面积，本发明人对传统林窗形状和面积 的测量方法进行了研究，并且对现今的航拍无人机和航拍技术进行改进，以便能够发明出 具有快捷、精确、反应灵敏、结构简单等特点的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法。


【发明内容】

[0007] 为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：将设置有相机的无人机 遥感系统悬停在待测林区上空距地面200米处，进行航拍，并且通过三轴陀螺仪（300)和三 轴加速度计（301)每隔3秒测量相机的角速度信息和加速度信息，并且将测量到的信息反 馈到中央控制器，中央控制器对所接收到的数据进行处理以基于处理结果来控制相机，从 而使得相机的镜头与地面垂直。最后，将航拍后的照片，通过专业ERDAS软件和ARCMAP软 件处理，得到林窗的形状和各个林窗的面积数据。通过无人机遥感系统航拍地林区照片分 辨率可以达到2cm-5cm，分辨率高，图像清晰；本发明提供的无人机遥感系统通过三轴陀螺 仪（300)与三轴加速度计（301)直接测量相机的角速度信息和加速度信息，保证了航拍的 准确性，保证了航拍的灵敏性；无人机遥感系统去掉了许多复杂的零件，如云台的等零件， 使得无人机遥感系统的结构简洁、零件少、质量减轻；从而完成本发明。
[0008] 本发明的目的在于提供以下方面：
[0009] (1)-种快速精确确定林窗形状和面积的方法，其特征在于，该方法包括以下步 骤：
[0010] (1)确定待测林区的坐标；
[0011] (2)根据坐标，地面处理系统控制无人机遥感系统飞行到待测林区上空距地面200 米处，悬停；
[0012] (3)通过无人机遥感系统对待测林区进行航拍：所述的无人机遥感系统包括：
[0013] 控制模块（210)，其接收来自所述地面处理系统的指令，并基于所接收到的数据对 动力模块、全球定位系统模块、拍摄模块进行控制，所述控制模块包括：
[0014] 中央控制器（211)，其用以接收来自三轴陀螺仪（300)和三轴加速度计（301)传输 的数据、接收来自所述地面处理系统的数据、来自三轴陀螺仪（212 )和三轴加速度计（213 ) 的传输数据以及来自超声波测距仪或气压计的测量数据，并对所接收到的各种数据进行处 理以基于处理结果来控制相机；控制电子调速器，从而能够通过所述电子调速器实时调整 各所述电机的转速，
[0015] 三轴陀螺仪（212)，测量无人机遥感系统的角速度信息，
[0016] 三轴加速度计（213)，测量无人机遥感系统的加速度信息，
[0017] 超声波测距仪（214)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距不大于2米时测 量所述无人机遥感系统与地面之间的距离；
[0018] 气压计（215)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距大于2米时测量所述无 人机遥感系统与地面之间的距离；
[0019] 拍摄模块，用以接收控制模块的指令，基于所接收到的指令进行航拍，所述拍摄模 块包括：
[0020] 三轴陀螺仪（300)，其用以测量所述相机（302)的角速度信息，
[0021] 三轴加速度计（301)，其用以测量所述相机（302)的加速度信息；
[0022] (4)对航拍照片进行处理：获得林冠层的航拍照片后利用ERDAS软件进行处理，将 航拍照片中构成森林群落的树种与林窗分离；
[0023] (5)计算林窗形状和面积：将分离后的林窗照片导入到ARCMAP软件中处理，得到 林窗的形状和各个林窗的面积数据。
[0024] (2)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（1) 中，确定待测林区的地理坐标需要人工确定。
[0025] (3)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（2) 中，中央控制器（211)接收来自所述地面处理系统的数据、来自三轴陀螺仪（212 )和三轴加 速度计（213)的传输数据以及来自超声波测距仪或气压计的测量数据，并对所接收到的各 种数据进行处理以基于处理结果来控制所述电子调速器，从而能够通过所述电子调速器实 时调整各所述电机的转速，进而控制无人机遥感系统。
[0026] 其中，在步骤（2)中，中央控制器不接收拍摄模块中的三轴陀螺仪（300)与三轴加 速度计（301)的信息，不对相机进行调整。
[0027] (4)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3) 中，动力模块（220)，用以使无人机遥感系统飞行，所述动力模块包括：
[0028] 水平方向上的四个电机（221)，用于为无人机遥感系统提供动力，并且用于带动 螺旋桨（223)，以完成无人机飞行工作，
[0029] 电子调速器（222)，用于实时调整各个电机的转速，利用转速差来保持无人机遥感 系统的平衡。
[0030] (5)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3) 中，全球定位系统模块（304)，接收中央控制器的信号，在所述无人机遥感系统飞行时导引 所述无人机遥感系统到达需要进行测量的地区。
[0031] (6)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，步骤（3)中， 中央控制器（211)接收来自地面处理系统、三轴陀螺仪（300 )和三轴加速度计（301)传输的 数据、三轴陀螺仪（212)和三轴加速度计（213)的传输的数据并对所接收到的数据进行处 理以基于处理结果来控制无人机遥感系统和相机，从而使得相机（302)的镜头与地面垂直。
[0032] 其中，中央控制器接收三轴陀螺仪（300)和三轴加速度计（301)测量信息的周期 为3秒。
[0033] (7)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3) 中，ERDAS软件首先对航拍后的遥感照片正射校正和地理校正，并在遥感照片中加入投影坐 标系，随后对遥感照片进行地物的监督分类，从而将遥感照片中构成森林群落的树种与林 窗分离。
[0034] (8)根据上述（1)所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（4)中 将分离后的林窗照片导入到ARCMAP软件中的栅格-矢量数据转换模块，将林窗信息转为矢 量数据，从而得到林窗的形状，在矢量数据的属性文档中得到各个林窗的面积数据。
[0035] 根据本发明提供的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，具有快捷、精确等 优点，同时，该方法中包含的无人机遥感系统具有反应灵敏、结构简单、省时省力、质量轻等 优点；可以大规模的投入到林学应用领域以及林学的科研、教育等领域。

【专利附图】

【附图说明】
[0036] 图1示出根据本发明优选实施方式的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法 的无人机遥感系统的框图；
[0037] 图2示出根据本发明优选实施方式的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法 的栅格-矢量数据转换模块图；
[0038] 图3示出根据本发明优选实施方式的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法 的流程图；
[0039] 图4示出根据本发明优选实施方式的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法 的航拍流程图；
[0040] 附图标号说明：
[0041] 100-地面处理系统
[0042] 210-控制模块
[0043] 211-中央控制器
[0044] 212-三轴陀螺仪
[0045] 213-三轴加速度计
[0046] 214-超声波测距仪
[0047] 215-气压计
[0048] 220-动力模块
[0049] 221-电机
[0050] 222-电子调速仪
[0051] 223-螺旋桨
[0052] 300-三轴陀螺仪
[0053] 301-三轴加速度计
[0054] 302-相机
[0055] 304-全球定位系统模块

【具体实施方式】
[0056] 下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更 为清楚、明确。
[0057] 在这里专用的词"示例性"意为"用作例子、实施例或说明性"。这里作为"示例性" 所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各 种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0058] 本发明公开一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，使用该方法可以方便、快 捷、精确的测量林窗的形状和面积。
[0059] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-4中所示，提供一种快速精确确定 林窗形状和面积的方法，该方法包括以下步骤：
[0060] ( 1)确定待测林区的坐标；
[0061] (2)根据坐标，地面处理系统控制无人机遥感系统飞行到待测林区上空距地面200 米处，悬停；
[0062] (3)通过无人机遥感系统对待测林区进行航拍：所述的无人机遥感系统包括：
[0063] 控制模块（210)，其接收来自所述地面处理系统的指令，并基于所接收到的数据对 动力模块、全球定位系统模块、拍摄模块进行控制，所述控制模块包括：
[0064] 中央控制器（211)，其用以接收来自三轴陀螺仪（300)和三轴加速度计（301)传输 的数据、接收来自所述地面处理系统的数据、来自三轴陀螺仪（212 )和三轴加速度计（213 ) 的传输数据以及来自超声波测距仪或气压计的测量数据，并对所接收到的各种数据进行处 理以基于处理结果来控制相机；控制电子调速器，从而能够通过所述电子调速器实时调整 各所述电机的转速，
[0065] 三轴陀螺仪（212)，测量无人机遥感系统的角速度信息，
[0066] 三轴加速度计（213)，测量无人机遥感系统的加速度信息，
[0067] 超声波测距仪（214)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距不大于2米时测 量所述无人机遥感系统与地面之间的距离；
[0068] 气压计（215)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距大于2米时测量所述无 人机遥感系统与地面之间的距离；
[0069]拍摄模块，用以接收控制模块的指令，基于所接收到的指令进行航拍，所述拍摄模 块包括：
[0070] 三轴陀螺仪（300)，其用以测量所述相机（302)的角速度信息，
[0071] 三轴加速度计（301)，其用以测量所述相机（302)的加速度信息；
[0072] (4)对航拍照片进行处理：获得林冠层的航拍照片后利用ERDAS软件进行处理，将 航拍照片中构成森林群落的树种与林窗分离；
[0073] (5)计算林窗形状和面积：将分离后的林窗照片导入到ARCMAP软件中处理，得到 林窗的形状和各个林窗的面积数据。
[0074] 在这里，三轴加速度计301与三轴陀螺仪300配合使用，形成优势互补，可以使得 传输到中央控制器的相机的角速度信息和加速度信息更加的准确，精细，中央控制器就能 更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，从而能更好的作出处理，从而达到最佳的航拍效 果。
[0075] 其中，作为三轴加速度计301，优选采用ADI公司的ADXL330,其灵敏度为300mv/g、 零位为1. 5V、抗冲击能力为10000g。
[0076] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图3中所示，在步骤（1)中，待测林区的 地理坐标需要人工确定。
[0077] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图3中所示，在步骤（2)中，当取得待测 林区的地理坐标后，通过地面处理系统给无人机遥感系统的控制模块发出指令，指引无人 机遥感系统到达需要测量的林区上空200米处，悬停，等待航拍。
[0078] 其中，地面处理系统控制无人机遥感系统飞行到目标点上空的具体流程为：地面 处理系统给无人机遥感系统的控制模块发出起飞指令S01，此时电机带动螺旋桨转动后产 生的升力使无人机遥感系统起飞S02,之后地面处理系统给无人机遥感系统发出目标点指 令S03,无人机遥感系统按照指令并在全球定位系统模块的导引下飞向目标点S04,到达目 标点上空，并达到指定高度200米后，无人机遥感系统悬停，等待航拍，经过研究表明，当无 人机遥感系统距离地面距离过低时，相机航拍的照片利用率低，含有大量重复的航拍照片； 当无人机遥感系统距离地面过高时，航拍照片不清晰，因此，经过本发明人的研究，当无人 机遥感系统距离地面距离为200米的时候，相机航拍出的照片可以在清晰度和利用率之间 达到平衡点，既可以拍出清晰的照片，又可以提供航拍照片的利用率，避免航拍照片重复。 [0079] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图3、4中所示，在步骤（3)中，在进行航 拍过程中，中央控制器211控制相机302的镜头与地面垂直，其流程为：
[0080] 开始步骤001，无人机遥感系统到达目标点上空距地面200米处，悬停，等待拍照。
[0081] 接收地面处理系统指令002,中央控制器接收地面处理系统的指令。
[0082] 判断是否进行航拍003,如果是航拍指令，进入004,如果不是返回002,继续等待 地面处理系统的指令。
[0083] 测量无人机遥感系统的姿态信息004,测量的信息存到存储单元S1。
[0084] 测量相机的姿态信息005,测量到的信息存到存储单元S2。
[0085] 计算数据006,计算S1和S2的数据。
[0086] 调整无人机遥感系统的姿态007,根据计算的数据，对无人机遥感系统的飞行姿态 进行调整，使得无人机遥感系统与地面水平。
[0087] 调整相机的姿态008,调整相机的姿态使得相机与地面垂直。
[0088] 测量相机的姿态信息009,将测量的信息存到存储单元S3中。
[0089] 测量无人机遥感系统姿态信息010,将测量的信息存到存储单元S4中。
[0090] 测量相机的姿态信息011，设测量的信息为A。
[0091] 判断A是否等于S3012,如果A等于S3,进行拍照013,如果A不等于S3,转到004。
[0092] 拍照013,对待测林区进行航拍。
[0093] 接收地面处理系统指令014。
[0094] 判断是否是航拍指令015,如果是航拍指令，跳转到011，如果不是航拍指令，如果 不是航拍指令，返航016。
[0095] 其中，对于步骤011和步骤012,中央控制器接收三轴陀螺仪（300)和三轴加速度 计（301)测量信息的周期为3秒，即每隔3秒钟采集一次相机的姿态信息A，并将该信息A 与S3中的数据进行对比，如果不相等，立即调整无人机遥感系统和相机的姿态，使得相机 与地面垂直，3秒钟的间隔可是使得相机与地面之间的角度始终保持垂直，使得测量更加准 确，减小测量误差。
[0096] 在此流程中，步骤004和步骤010测量无人机遥感系统的姿态信息通过三轴陀螺 仪（212)和三轴加速度计（213)，步骤005、步骤009和步骤011中测量相机的姿态信息通过 三轴陀螺仪（300 )和三轴加速度计（301)。
[0097] 在此流程中，所述的姿态信息包括加速度信息和角速度信息，此控制流程可保证 无人机遥感系统在任何气象条件下都能实施航拍，即使天气出现异常也不会影响航拍。 [0098] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1中所示，在步骤（3)中，动力模块，用 以使无人机遥感系统飞行，所述动力模块包括：
[0099] 水平方向上的四个电机221，用于为无人机遥感系统提供动力，并且用于带动螺 旋桨223,以完成无人机飞行工作，
[0100] 电子调速器222,用于实时调整各个电机的转速，利用转速差来保持无人机遥感系 统的平衡；
[0101] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1中所示，在步骤（3)中，全球定位系 统模块304,接收中央控制器的信号，在所述无人机遥感系统飞行时导引所述无人机遥感系 统到达需要进行测量的地区。
[0102] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图3中所示，在步骤（4)中，ERDAS软件处 理遥感照片的过程为：
[0103] 首先，对遥感照片进行正射校正和地理校正，
[0104] 其次，在遥感照片中加入投影坐标系，
[0105] 再次，随后进行地物的监督分类，从而将构成森林群落的树种与林窗分离。
[0106] 在根据本发明的一个优选实施方式中，如图3中所示，在步骤（5)中，将步骤（4)中 树种与林窗分类后的林窗照片导入到ARCMAP软件中的栅格-矢量数据转换模块，通过该模 块将栅格数据转换为矢量数据，将离散的点数据转换成具有光滑曲线的连续数据，此时可 以看到林窗的形状，随后在矢量数据的属性文档中可以看到各个林窗的面积数据。
[0107] 以上结合【具体实施方式】和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并 不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下， 可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明 的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
【权利要求】
1. 一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1) 确定待测林区的坐标； (2) 根据坐标，地面处理系统控制无人机遥感系统飞行到待测林区上空距地面200米 处，悬停； (3) 通过无人机遥感系统对待测林区进行航拍：所述的无人机遥感系统包括： 控制模块（210)，其接收来自所述地面处理系统的指令，并基于所接收到的数据对动力 模块、全球定位系统模块、拍摄模块进行控制，所述控制模块包括： 中央控制器（211 )，其用以接收来自三轴陀螺仪（300 )和三轴加速度计（301)传输的数 据、接收来自所述地面处理系统的数据、来自三轴陀螺仪（212)和三轴加速度计（213)的传 输数据以及来自超声波测距仪或气压计的测量数据，并对所接收到的各种数据进行处理以 基于处理结果来控制相机；控制电子调速器，从而能够通过所述电子调速器实时调整各所 述电机的转速， 三轴陀螺仪（212)，测量无人机遥感系统的角速度信息， 三轴加速度计（213)，测量无人机遥感系统的加速度信息， 超声波测距仪（214)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距不大于2米时测量所 述无人机遥感系统与地面之间的距离； 气压计（215)，其用以在所述无人机遥感系统与地面相距大于2米时测量所述无人机 遥感系统与地面之间的距离； 拍摄模块，用以接收控制模块的指令，基于所接收到的指令进行航拍，所述拍摄模块包 括： 三轴陀螺仪（300)，其用以测量所述相机（302)的角速度信息， 三轴加速度计（301)，其用以测量所述相机（302)的加速度信息； (4) 对航拍照片进行处理：获得林冠层的航拍照片后利用ERDAS软件进行处理，将航拍 照片中构成森林群落的树种与林窗分离； (5) 计算林窗形状和面积：将分离后的林窗照片导入到ARCMAP软件中处理，得到林窗 的形状和各个林窗的面积数据。
2. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（1)中，确 定待测林区的地理坐标需要人工确定。
3. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（2)中，中 央控制器（211)接收来自所述地面处理系统的数据、来自三轴陀螺仪（212)和三轴加速度 计（213)的传输数据以及来自超声波测距仪或气压计的测量数据，并对所接收到的各种数 据进行处理以基于处理结果来控制所述电子调速器，从而能够通过所述电子调速器实时调 整各所述电机的转速，进而控制无人机遥感系统。 其中，在步骤（2)中，中央控制器不接收拍摄模块中的三轴陀螺仪（300)与三轴加速度 计（301)的信息，不对相机进行调整。
4. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3)中，动 力模块（220)，用以使无人机遥感系统飞行，所述动力模块包括： 水平方向上的四个电机（221)，用于为无人机遥感系统提供动力，并且用于带动螺旋 桨（223)，以完成无人机飞行工作， 电子调速器（222)，用于实时调整各个电机的转速，利用转速差来保持无人机遥感系统 的平衡。
5. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3)中，全 球定位系统模块（304)，接收中央控制器的信号，在所述无人机遥感系统飞行时导引所述无 人机遥感系统到达需要进行测量的地区。
6. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，步骤（3)中，中 央控制器（211)接收来自地面处理系统、三轴陀螺仪（300 )和三轴加速度计（301)传输的数 据、三轴陀螺仪（212)和三轴加速度计（213)的传输的数据并对所接收到的数据进行处理 以基于处理结果来控制无人机遥感系统和相机，从而使得相机（302)的镜头与地面垂直。 其中，中央控制器接收三轴陀螺仪（300)和三轴加速度计（301)测量信息的周期为3 秒。
7. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（3)中， ERDAS软件首先对航拍后的遥感照片正射校正和地理校正，并在遥感照片中加入投影坐标 系，随后对遥感照片进行地物的监督分类，从而将遥感照片中构成森林群落的树种与林窗 分离。
8. 根据权利要求1所述的一种快速精确确定林窗形状和面积的方法，在步骤（4)中将 分离后的林窗照片导入到ARCMAP软件中的栅格-矢量数据转换模块，将林窗信息转为矢量 数据，从而得到林窗的形状，在矢量数据的属性文档中得到各个林窗的面积数据。
【文档编号】G01B11/24GK104061904SQ201310095191
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】张玉波, 宋国华, 李俊清 申请人:北京林业大学