图像测量技术在森林调查中的应用

2021-01-22安天宇

林业勘查设计 2021年1期

安天宇

(国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100714)

树木调查是森林资源调查工作的主要对象，对其树高、直径等进行测量十分必要。但是，在目前的树木测量工作中，对易于测量的胸径数据，通常以直接测量方法进行数据参数获取，而对于树高、树冠类的数据，则需要应用专业技术，此时将图像测量技术应用于森林调查工作过程中十分关键。鉴于此，对图像测量技术在森林调查中的应用这一内容进行深入分析具有重要现实意义。

1 森林调查中树木测量方法

1.1 树高测量

在进行树木树高测量时，主要包括三点测量内容，分别是全高测量、干高测量以及商用建材高测量。其中全高的测量区间指代的是树梢与地平面之间的垂直距离；干高测量区间指代的是树冠顶点与地平面之间的距离；商用建材高的测量区间指代是树木最具有商用价值部位与地平面之间的距离[1]。但在森林调查工作中，测量内容主要是指树全高测量。

1.2 直径测量

与上述树高的测量方法相比较，树木直径的测量方式以及测量部位比较简单且单一，比较常用的测量工具包括轮齿、直径卷尺和检径尺3种，直接采用环绕的方式进行数据测量和记录统计[2]。但此类方法，仅能对树木的胸部直径参数测量，而对于树木上部区域的直径测量很难。目前，对于立木上部区域直径的测量尚未有统一的方法，即便采用无人机进行高空拍摄测量，仍存在一定的误差，有待测量应用技术的更新和优化[3]。

2 图像测量技术在森林调查中的应用分析

通常情况下，森林中的测量作业环境比较复杂，为了提升森林调查和测量工作的质量，可以分别采用直接测量和间接测量方法对树木进行调查。直接测量方法主要应用于高度并非特别高，且易于接近的树木测量中；而对高度超出地面视线范围，或处于水中、悬崖边缘的树木进行调查时，主要采用间接调查法[4]。具体而言，可从以下几方面着手展开相应的调查工作。

2.1 直接测量法

当采用直接测量方法时，可将被调查的树木高度设定为B，与树干高度相对应的树干部分设定为b，当进行B的参数值大小测量时，首先需要针对树木进行全景拍摄，并在树木旁边树立一根长度已知的测量标杆，该标杆的长度设定为A，与其相对应的树干部分设定为a。在进行被测量树木的照片拍摄时，需要确保照相机的镜头与地面垂直，借助照片的拍摄得到树木的一点或二点透视图，根据透视图处理原理以及数学计算，得到数列式：

A/B=a/b

其中，A的数值是已知项，通过A能够分别计算出a与b的具体数值，该数值同时也是a与b对应的相机像素点数，将A、a、b的数值按照数学计算公式的运用，最终得出B的具体数值，即测量出被调查树干的实际高度。同理，应用直接测量法，测量出树木的树冠、直径等数据。

2.2 间接测量法

间接测量法也被称之为基点增高方法，测量原理如下：如图1所示，图中1和2是两根长度相等的标尺，标尺具体长度已知，图中g、h是被测量的树木。测量过程中1、2标尺的基地分别为a与c，a与c的基点与树木的基点g放置于同一水平面上，将a与c连接并延长，将1和2两根标尺的定点相连接，即连接b和d，将b和d作为一个视平线。随后将b和d、a与c的延长线进行相交处理，交于点o，设o点为1和2标尺的灭点，从树木的g点制作一条水平线，将其与e点进行相交，并过e点作一条垂直线直接与视平线相交，相交点为f。之后按照透视图的处理性质，能够得出ef与ab、cd三者之间的高度相等，由此可知，在g点位置，图像中的ef具体标杆长度数值设定为l，此时将树木的高度设定为h，由此可计算出：

l/h=ef/gh

根据公式计算可得出，ef与gh的具体数值，最终求出树木的实际高度参数值。通过间接测量方法的运用，能够将一张图像中的多棵树木高度参数值一次性全部测量出，测量方法应用期间，图像中树木的基点与标尺的基点应时刻处于同一水平面。

图1 间接测量法测量原理图Fig.1 Principle Diagram of Indirect Measurement Method

2.3 测量系统应用

通过对直接测量法与间接测量法的原理分析，能够发现，应用图像测量技术进行树木调查时，技术的应用关键点主要在测量中的标尺、树高、树冠以及树径相互之间对应的像素点数。为了进一步提升图像测量技术的应用效果，提升森林资源的调查质量，又进行了测试软件开发，主要包括直接测量模块、间接测量模块、几何缩放模块以及数据处理模块。在应用直接测量方法测量时，只需要将标尺的上端点以及下端点标定明确，就能够直接求出不同像素点的长度参数值，再对其余各个参数特征点进行位置确定[5]。例如，在进行树木全高参数值确定时，可直接将树木的上下两端参数确定，直接求出树木全高。应用间接测量法测量时，利用计算单位中的像素点进行树木长度的指代，处理过程相对于直接测量法更为繁杂，要求在图像中确定两个标尺上下两端长度以及被调查树木基点的参数值，才能够计算出树木的具体高度值。在间接测量方案应用过程中，为确保测量质量，需提前确定具体的树木测量特征点，点位置确定的精准性直接影响树木最终测量结果的精准性[6]。为了提升测量效果，本次研究在系统软件中添设了几何缩放模块，模块启动后，先进行图像放大操作，利用鼠标在模块中标定特征点，再利用数据处理模块将测量得出的数据参数记录数据库中，减少统计作业量，优化统计工作效率，最终促使森林资源调查工作质量提升。