专利名称：基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法
技术领域：
本发明涉及树木形态可视化模型模拟和近景摄影测量的图像校正，特别是基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，属于计算机技术领域。
背景技术：
树木形态可视化模型模拟是通过对树木形态的建模方法和可视化技术来完成的。它主要应用于树木和森林的可视化模拟应用中。树木形态建模技术主要集中在模型的选择和参数的获取方法上。近景摄影测量是通过对拍摄图像的解析分析来获取拍摄对象相关信息的技术。当以树木为拍摄对象，已知树木形态模型时，其获取模型参数的方法成为研究的焦点。由于拍摄单张树木相片具有简便高效、有利于克服复杂外业条件限制等特点而常常被人们采用。但由于单张相片存在严重的投影问题，使得图象校正成为获取树木模型的相关参数的不可或缺的技术手段。随着虚拟现实技术的发展，三维可视化模拟技术应用于各个领域。对于只注重三维视觉效果的树木可视化模拟(如游戏中的树木模拟)可以使用一般性的方法，但对于更加注重树木形态结构的林业可视化而言，树木形态的真实性和可视化模型模拟技术则是林业领域的一项专门技术，许多一般性的方法无法照搬使用。因此，树木形态的模型化是实现树木可视化模拟的重要基础。另一方面，模型参数的获取需要大量的野外调查数据的支持。对于大样本的树木形态学指标的调查，以及野外调查环境复杂艰苦的特点，需要一种在操作上简单快捷、在效果上实用可靠的技术来快速获取每株树木的形态模型参数。近景摄影图像的校正为此提供了最快捷和恰当的技术手段。也就是说，树木形态模型的选择和树木图像的正射校正是本项发明的主要技术内容。树木形态模型技术是描述树木外围轮廓的数学方法。在模拟中需要树木的外部轮廓信息，而这种轮廓信息是树木正射图像的二维形态曲线模型。以往采用三角形(或圆锥体)模型和椭圆形(或椭球体)模型。这些模型一般用于树冠体积和树冠表面积的计算。三角形模型适用于一些针叶树种的模拟，而椭圆形模型适用于一些阔叶树种的模拟。但共同的缺点是对树木外形的描述不够准确。也就是说，更多的树木形态即不是完全的三角形也不是完全的椭圆形。本项发明采用幂函数一种模型形式代替三角形或椭圆形模型，克服了三角形模型严格线性外形的缺点和椭圆形模型上下对称的缺点。在树木形态模型参数的获取中，可以采用三维激光扫描方法获取树木精确的三维图像，并由其平行视像与树木形态模型曲线配准，将得到树木形态模型参数。但是，利用这种方法的条件是:价格昂贵的扫描设备；野外地形条件要允许多个扫描站点的设置；在对每株树木进行的较长时间的扫描过程中，风力不至于造成树叶、树枝的摇摆；对于获取的巨大的三维点阵数据需要专门的软件分析等等。因此在实际的树木形态学调查中受到很大限制。另一种方法是立体像对法，这种方法需要在两个不同位置进行拍摄，同时需要测量两个拍摄点之间的距离，需要相机内外参数标定，后期处理工作也十分复杂。第三种方法是拍摄单张像片，一般需要制作专门用于相机标定的图案，以进行复杂的照相机内外参数的标定。综合以上技术背景情况，可以归纳如下，第一，采用幂函数模型比三角形模型和椭圆形模型更有利于树木形态的模拟。第二，激光扫描法，时间成本和设备成本高，野外条件难于满足。第二，立体像对法和单张像片法，都需要复杂的相机标定。
发明内容
本发明的目的在于提出一种二维树木轮廓逆投影变换方法，在树木形态建模的基础上，提供对单张像片进行简单快速的正射校正的技术方法，并通过校正后像片与形态模型曲线的目视匹配方法直接获取树木形态模型参数的数值。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于包含以下步骤:步骤I)选择幂函数形式的树木形态模型，确定其模型参数的估算方法；步骤2)树木图像的拍照和辅助测量，并对图像进行正射校正和图像重采样，作用是获得包含树木形态参数的树木轮廓和校正辅助数据；步骤3)树木图像的校正，作用是将中心投影图像还原成二维正射图像；步骤4)模型与图像的匹配，作用是获取树木冠形指数的数值。所述步骤I)进一步包括:第一，对树木进行上下满幅方式的拍照(即树尖和树根占据拍摄画面的上下边缘)，并将树木主干对应像片水平的中间位置，记录拍摄时的相机高度hO (当拍摄者不改变时只需要记录一次)；第二，用Trupulse200激光测量仪测量拍摄距离L和仰角Y2;到此，一棵树木形态参数的外业调查结束。与其它调查方法相比具有十分快捷的特点。 所述步骤2)进一步包括:树木轮廓的正射影像是真实物体在某个水平方向的二维拷贝；图像上每个像素代表的实际大小相同；相机拍摄的图像是物体中心投影的结果，当拍摄物体高度是相机高度的两倍时，照相机光轴与被摄物体轮廓平面(二维拷贝平面)正交，被摄物体轮廓与拍摄图像相似；当被拍摄物体高于相机高度两倍以上时(大多数拍摄情况)，照相机光轴与被摄物体轮廓所形成的平面不再正交，像主点与被摄物体中心点不重合；使拍摄的树木照片存在投影误差，所拍摄照片无法用于测量；如果将像片上的每个像素逆向投影到树木轮廓所在的平面，则可以得到树木的真实轮廓；以下分几个步骤完成这种校正:第一步，求虚拟像平面方程:假设在空间存在一个平面，其法向量为拍摄时的光轴，并且平面过树干根部，如图中的S平面；由于该平面与拍摄的像平面平行，其像元存在完全的点对应关系，因此为虚拟的拍摄图像的放大图，称其为虚拟像平面；I)虚拟像平面的像主点坐标为P(x0，y0，z0):
权利要求
1.基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于包含以下步骤: 步骤I)选择幂函数形式的树木形态模型，确定其模型参数的估算方法； 步骤2)树木图像的拍照和辅助测量，并对图像进行正射校正和图像重采样，作用是获得包含树木形态参数的树木轮廓和校正辅助数据； 步骤3)树木图像的校正，作用是将中心投影图像还原成二维正射图像； 步骤4)模型与图像的匹配，作用是获取树木冠形指数的数值。
2.根据权利要求1所述的基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于，所述步骤I)进一步包括:第一，对树木进行上下满幅方式的拍照(即树尖和树根占据拍摄画面的上下边缘)，并将树木主干对应像片水平的中间位置，记录拍摄时的相机高度hO(当拍摄者不改变时只需要记录一次);第二，用Trupulse200激光测量仪测量拍摄距离L和仰角Y2;到此，一棵树木形态参数的外业调查结束。与其它调查方法相比具有十分快捷的特点。
3.根据权利要求1所述的基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括:树木轮廓的正射影像是真实物体在某个水平方向的二维拷贝；图像上每个像素代表的实际大小相同；相机拍摄的图像是物体中心投影的结果，当拍摄物体高度是相机高度的两倍时，照相机光轴与被摄物体轮廓平面(二维拷贝平面)正交，被摄物体轮廓与拍摄图像相似；当被拍摄物体高于相机高度两倍以上时(大多数拍摄情况)，照相机光轴与被摄物体轮廓所形成的平面不再正交，像主点与被摄物体中心点不重合；使拍摄的树木照片存在投影误差，所拍摄照片无法用于测量；如果将像片上的每个像素逆向投影到树木轮廓所在的平面，则可以得到树木的真实轮廓；以下分几个步骤完成这种校正: 第一步，求虚拟像平面方程: 假设在空间存在一个平面，其法向量为拍摄时的光轴，并且平面过树干根部，如图中的S平面；由于该平面与拍摄的像平面平行，其像元存在完全的点对应关系，因此为虚拟的拍摄图像的放大图，称其为虚拟像平面； 1)虚拟像平面的像主点坐标为P(xO，yO,zO):
4.根据权利要求1所述的基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于，所述步骤3)进一步 包括:模型与图像的匹配，建立如下模型:
5.根据权利要求1所述的基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于，所述步骤4)进一步包括: 由正射图像和树木形态模型在Excel下进行图形目视匹配(在Excel环境下编制VBA软件平台)，调整树木形态参数，使其适应树木轮廓，此时得到的树木形态模型参数，如树高、冠高、枝下高、冠幅、上下冠形指数等即为该图像的模型参数；同时得到树木形态模型。
全文摘要
本发明涉及树木形态可视化模型模拟和近景摄影测量的图像校正，特别是基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，属于计算机技术领域，该方法包括选择幂函数形式的树木形态模型，树木图像的拍照和辅助测量，树木图像的校正，模型与图像的匹配，相对于现有技术而言，本发明是针对准确获取二维树木外围轮廓信息的要求而特别制定的，对设备要求不高，辅助测量简单，容易实现，因此，有利于野外数据的获取和推广使用，另一方面，选择的树木形态模型中包含了树木形态的关键性指标，即冠形指数；非常有利于树木形态的描述和不同树种模型的统一。
文档编号G06T7/00GK103218812SQ20131011205
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者刘闽, 张怀清, 鞠洪波, 蒋娴, 陈永富 申请人:中国林业科学研究院资源信息研究所