圖像處理技術在林業中的應用

王利宏 劉紀建

摘要：介紹了圖像處理技術在林業中的應用，詳細闡述了利用數字圖像處理的原理和方法，通過該文的研究，初步探索了數字圖像處理在林地的應用領域，分析了圖像處理技術在林業中的應用意義，總結了圖像技術在林業生產的前景，為以后進一步實現基于數字圖像的林地分類系統打下基礎。

關鍵詞：數字圖像處理;林地分類系統;近景攝影;遠景攝影;計算機視覺

1 數字圖像處理概述

數字圖像處理（Digital Image Processing）主要是利用計算機技術，經過去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術對圖像進行處理。數字圖像處理的產生和迅速發展得益于以下3個方面：一是計算機軟件和硬件的快速發展;二是數學的發展，特別是表征體積元和離散數學的創立和完善;三是社會發展的需求，林業、工業和農業的創新模式的發展。數字圖像是指由被稱作像素的小塊區域組成的二維矩陣。對于單色即灰度圖像而言，每個像素的亮度用一個數值來表示，通常數值范圍在0～255之間，即可用一個字節來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度[1]。數字圖像是對二維連續光函數進行等距離矩形網格采樣，再對幅度進行等間隔。

一般來講，圖像處理技術的用途主要在以下3個方面：（1）改善圖像的質量，如進行圖像的亮度、彩色變換，增強、抑制某些成分，利用小波變換原理對圖像進行過濾，以達到圖像的一定用途。（2）提取圖像信息，主要用于計算機分析圖像中的某一特點。提取特征或信息的過程是模式識別或計算機視覺的預處理。提取的特征可以包括很多方面，如頻域特征、灰度或顏色特征、邊界特征、區域特征、紋理特征、形狀特征、拓撲特征和關系結構等。（3）圖像的存儲和傳輸。圖像數據經過變換、編碼和壓縮，由計算機和圖像專用設備組成的圖像處理系統對圖像數據進行輸入、加工和輸出。

2 數字圖像處理技術在林業中的應用

2.1 遠景圖像的應用

2.1.1 森林分布圖的編制。目前國有林場和林業調查部門對森林資源的調查主要還是繪制林分或小班的林相圖，隨著遙感資料的應用，遙感衛星圖像逐漸代替了地面測量技術，在森林資源調查時可以給出清晰正確可靠的圖像資料，然后就可以算出某指定地點的森林面積。目前我國正在開發大面積使用的影像地圖，這將大大挖掘遙感信息技術的潛力，提高林業生產的圖像質量，滿足林業生產的需要。

2.1.2 林地分類。在林業生產，可以利用遙感技術實時獲取某一地點林木生長環境、生長狀況和空間差異的大量時空變化圖像，通過這些圖像的對比，可以清晰看出森林的全貌和生長狀況信息，如樹種的分類、齡級、郁閉度等因子。再根據這些因子規劃森林小班，進行林地分類。

2.1.3 野外工作的位置圖。目前GIS技術聯系航空圖像可以作為工作人員的向導，野外工作手機GPS信息較弱時，可以利用GIS控制野外的聯絡圖，可以提前規劃好行動的路線，節省作業時間，提高工作效率。同時GIS提供的航拍航空像片也是外業調繪工作的草圖，實現小班輪廓的現地驗證，提供內業成圖的基礎[2]。

2.2 近景圖像的應用

近景圖像的應用主要在測樹。傳統的測樹方法主要利用機械以及光學原理，然而在實際工作中，因為樹木間距過密、樹冠互相遮擋，造成一定的測量誤差，后因自動化技術的發展，衍生了基于攝影測量技術的自動測樹系統，可以方便、快捷、有效地測量樹木的直徑、樹高、樹冠等參數，提高獲取立木信息的效率。近景攝影技術可以為樹高一胸徑模型和研究樹冠模型提供依據，可以快速建立動態的林分調查信息，實現森林調查方法與技術的高效提升。

2.3 計算機視覺技術的應用

計算機視覺效果的應用主要集中在木材、人造板的圖像觀察上，在木材學中，可以提取木材的微觀結構圖像，結合宏觀的實際特征，可以建立木材成分的微觀、介觀、宏觀圖像結構，可以利用圖像測量木材細胞壁率、木纖維長度、細胞腔面積，以及木材生長密度、年輪等，對木材的水分遷移和木材改性提供圖像上的依據。

在人造板的加工過程中，可以基于X射線成像技術，對板材的表面和內部結構進行在線監測，檢測成板過程中的質量缺陷問題;利用多傳感器技術，對板材進行表面裂紋、厚度等檢查，用X射線成像技術用來檢測和區分高密度板。

3 圖像技術發展的意義

一是隨著3S技術的發展，林業資源調查管理中將會越來越多的應用圖像技術，能夠為獲益林業資源信息提供技術、迅速、客觀、周期性的服務，可以有效解決林業生產、資源管護、生產檢測、森林防火等工作中的遙感制圖的提供、信息更新、輔助決策等信息技術服務，提高林業生產整體水平。

二是近景攝影測量技術可以對樹木生長進行快速、無損、實時的監測，可以有效研究樹干、樹冠的形狀，也可以實時提供樹干因子和點位圖，獲得的信息直觀且便于保存，為建立動態林分調查信息檔案奠定了基礎。近景攝影測量技術在改變傳統的森林調查方法與技術，提高森林調查方法與技術的現代化、信息化水平，減少野外調查時間提供了便利。

三是計算機視覺技術應用到木材加工上，可以對原木的外形輪廓進行數據的實時采集和數字化測定，同時結合計算機表面檢測、木材的無損檢測，應用于原木旋切加工、制材下鋸和原木檢測中，基本上就可以實現選擇最佳加工方法和在線實時控制處理，從而大大提高單板出板率、鋸材出材率和原木檢測的精度和速度。這對實現木材的優化利用和木材加工的自動化，具有十分重要的意義[3]。

4 數字圖像處理技術在林業發展中的前景

從國家的林業發展總規劃來看，數字圖像處理技術在以后的林業調查和林業發展過程中是可行的、迫切的，將為林業科技創新和六大林業重點工程提供可靠的數據分析和信息支撐平臺，具體體現在以下5個方面：一是計算機呈現效果將會在林業發展中占據越來越重要的地位;二是現代化的計算機遙感技術是現時代林業發展所急需的;三是數字圖像處理是林業計算機的重要組成部分，是林業科技信息產業發展的必然;四是林業計算機運用是林業科技支撐體系建設的重要組成部分;五是科技創新很大程度上取決于數字圖像處理和模式識別在林業中的貢獻。

參考文獻：

[1]張宏林.Visual C++數字圖像模式識別技術及工程實踐[M].人民郵電出版社，2003.

[2]中國林學會.中國森林的變遷[M].中國林業出版社，1997.

[3]田建華.數字圖像處理和模式識別在林業中的應用[J].電腦知識與技術，2011，07（9）：2133-2135.