圖像測量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用

安天宇

(國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，北京 100714)

樹木調(diào)查是森林資源調(diào)查工作的主要對象，對其樹高、直徑等進行測量十分必要。但是，在目前的樹木測量工作中，對易于測量的胸徑數(shù)據(jù)，通常以直接測量方法進行數(shù)據(jù)參數(shù)獲取，而對于樹高、樹冠類的數(shù)據(jù)，則需要應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，此時將圖像測量技術(shù)應(yīng)用于森林調(diào)查工作過程中十分關(guān)鍵。鑒于此，對圖像測量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用這一內(nèi)容進行深入分析具有重要現(xiàn)實意義。

1 森林調(diào)查中樹木測量方法

1.1 樹高測量

在進行樹木樹高測量時，主要包括三點測量內(nèi)容，分別是全高測量、干高測量以及商用建材高測量。其中全高的測量區(qū)間指代的是樹梢與地平面之間的垂直距離；干高測量區(qū)間指代的是樹冠頂點與地平面之間的距離；商用建材高的測量區(qū)間指代是樹木最具有商用價值部位與地平面之間的距離[1]。但在森林調(diào)查工作中，測量內(nèi)容主要是指樹全高測量。

1.2 直徑測量

與上述樹高的測量方法相比較，樹木直徑的測量方式以及測量部位比較簡單且單一，比較常用的測量工具包括輪齒、直徑卷尺和檢徑尺3種，直接采用環(huán)繞的方式進行數(shù)據(jù)測量和記錄統(tǒng)計[2]。但此類方法，僅能對樹木的胸部直徑參數(shù)測量，而對于樹木上部區(qū)域的直徑測量很難。目前，對于立木上部區(qū)域直徑的測量尚未有統(tǒng)一的方法，即便采用無人機進行高空拍攝測量，仍存在一定的誤差，有待測量應(yīng)用技術(shù)的更新和優(yōu)化[3]。

2 圖像測量技術(shù)在森林調(diào)查中的應(yīng)用分析

通常情況下，森林中的測量作業(yè)環(huán)境比較復雜，為了提升森林調(diào)查和測量工作的質(zhì)量，可以分別采用直接測量和間接測量方法對樹木進行調(diào)查。直接測量方法主要應(yīng)用于高度并非特別高，且易于接近的樹木測量中；而對高度超出地面視線范圍，或處于水中、懸崖邊緣的樹木進行調(diào)查時，主要采用間接調(diào)查法[4]。具體而言，可從以下幾方面著手展開相應(yīng)的調(diào)查工作。

2.1 直接測量法

當采用直接測量方法時，可將被調(diào)查的樹木高度設(shè)定為B，與樹干高度相對應(yīng)的樹干部分設(shè)定為b，當進行B的參數(shù)值大小測量時，首先需要針對樹木進行全景拍攝，并在樹木旁邊樹立一根長度已知的測量標桿，該標桿的長度設(shè)定為A，與其相對應(yīng)的樹干部分設(shè)定為a。在進行被測量樹木的照片拍攝時，需要確保照相機的鏡頭與地面垂直，借助照片的拍攝得到樹木的一點或二點透視圖，根據(jù)透視圖處理原理以及數(shù)學計算，得到數(shù)列式：

A/B=a/b

其中，A的數(shù)值是已知項，通過A能夠分別計算出a與b的具體數(shù)值，該數(shù)值同時也是a與b對應(yīng)的相機像素點數(shù)，將A、a、b的數(shù)值按照數(shù)學計算公式的運用，最終得出B的具體數(shù)值，即測量出被調(diào)查樹干的實際高度。同理，應(yīng)用直接測量法，測量出樹木的樹冠、直徑等數(shù)據(jù)。

2.2 間接測量法

間接測量法也被稱之為基點增高方法，測量原理如下：如圖1所示，圖中1和2是兩根長度相等的標尺，標尺具體長度已知，圖中g(shù)、h是被測量的樹木。測量過程中1、2標尺的基地分別為a與c，a與c的基點與樹木的基點g放置于同一水平面上，將a與c連接并延長，將1和2兩根標尺的定點相連接，即連接b和d，將b和d作為一個視平線。隨后將b和d、a與c的延長線進行相交處理，交于點o，設(shè)o點為1和2標尺的滅點，從樹木的g點制作一條水平線，將其與e點進行相交，并過e點作一條垂直線直接與視平線相交，相交點為f。之后按照透視圖的處理性質(zhì)，能夠得出ef與ab、cd三者之間的高度相等，由此可知，在g點位置，圖像中的ef具體標桿長度數(shù)值設(shè)定為l，此時將樹木的高度設(shè)定為h，由此可計算出：

l/h=ef/gh

根據(jù)公式計算可得出，ef與gh的具體數(shù)值，最終求出樹木的實際高度參數(shù)值。通過間接測量方法的運用，能夠?qū)⒁粡垐D像中的多棵樹木高度參數(shù)值一次性全部測量出，測量方法應(yīng)用期間，圖像中樹木的基點與標尺的基點應(yīng)時刻處于同一水平面。

圖1 間接測量法測量原理圖Fig.1 Principle Diagram of Indirect Measurement Method

2.3 測量系統(tǒng)應(yīng)用

通過對直接測量法與間接測量法的原理分析，能夠發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用圖像測量技術(shù)進行樹木調(diào)查時，技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵點主要在測量中的標尺、樹高、樹冠以及樹徑相互之間對應(yīng)的像素點數(shù)。為了進一步提升圖像測量技術(shù)的應(yīng)用效果，提升森林資源的調(diào)查質(zhì)量，又進行了測試軟件開發(fā)，主要包括直接測量模塊、間接測量模塊、幾何縮放模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。在應(yīng)用直接測量方法測量時，只需要將標尺的上端點以及下端點標定明確，就能夠直接求出不同像素點的長度參數(shù)值，再對其余各個參數(shù)特征點進行位置確定[5]。例如，在進行樹木全高參數(shù)值確定時，可直接將樹木的上下兩端參數(shù)確定，直接求出樹木全高。應(yīng)用間接測量法測量時，利用計算單位中的像素點進行樹木長度的指代，處理過程相對于直接測量法更為繁雜，要求在圖像中確定兩個標尺上下兩端長度以及被調(diào)查樹木基點的參數(shù)值，才能夠計算出樹木的具體高度值。在間接測量方案應(yīng)用過程中，為確保測量質(zhì)量，需提前確定具體的樹木測量特征點，點位置確定的精準性直接影響樹木最終測量結(jié)果的精準性[6]。為了提升測量效果，本次研究在系統(tǒng)軟件中添設(shè)了幾何縮放模塊，模塊啟動后，先進行圖像放大操作，利用鼠標在模塊中標定特征點，再利用數(shù)據(jù)處理模塊將測量得出的數(shù)據(jù)參數(shù)記錄數(shù)據(jù)庫中，減少統(tǒng)計作業(yè)量，優(yōu)化統(tǒng)計工作效率，最終促使森林資源調(diào)查工作質(zhì)量提升。

3 結(jié)論

圖像測量技術(shù)的應(yīng)用在提升調(diào)查質(zhì)量的同時，對于測量效率的優(yōu)化也起到了顯著的促進效用。此外，獲取詳實樹木調(diào)查信息和統(tǒng)計，通過對樹木的測量方法進行探析，為森林調(diào)查數(shù)據(jù)補充和完善奠定了基礎(chǔ)。