本文摘要：摘要：【目的】樹高是森林經(jīng)營決策中最重要的一個(gè)參量，常用于估計(jì)森林生長、年齡、材積、生物量和碳儲(chǔ)量等立木參數(shù)，其精度對(duì)立木質(zhì)量的評(píng)價(jià)及森林生長的預(yù)測(cè)分析影響重大。為解決傳統(tǒng)的樹高量測(cè)儀器移動(dòng)不便，測(cè)量周期長，人力耗損大等問題。 【方法】以近
摘要：【目的】樹高是森林經(jīng)營決策中最重要的一個(gè)參量，常用于估計(jì)森林生長、年齡、材積、生物量和碳儲(chǔ)量等立木參數(shù)，其精度對(duì)立木質(zhì)量的評(píng)價(jià)及森林生長的預(yù)測(cè)分析影響重大。為解決傳統(tǒng)的樹高量測(cè)儀器移動(dòng)不便，測(cè)量周期長，人力耗損大等問題。
【方法】以近景攝影測(cè)量為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種以登山杖綁定安卓智能手機(jī)為測(cè)量平臺(tái)的便攜、快捷的樹高測(cè)量裝備;針對(duì)立木生長環(huán)境有無坡度，拍攝是否產(chǎn)生傾角等情況建立了樹高量測(cè)模型。在手機(jī)環(huán)境下，研制了立木樹高測(cè)量軟件APP。APP采用上下分屏技術(shù)，利用手機(jī)成像系統(tǒng)以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使屏幕與待測(cè)立木建立關(guān)聯(lián)，從而自動(dòng)解算立木的深度信息;結(jié)合手機(jī)內(nèi)部方向傳感器的強(qiáng)大性能，單站作業(yè)可實(shí)時(shí)獲取樹高估計(jì)值。在北京市平谷區(qū)紅石門村選取不同坡度的307株立木作為研究對(duì)象，使用該裝備分別在上坡位和下坡位對(duì)其進(jìn)行量測(cè)，將測(cè)定結(jié)果與全站儀多次量測(cè)求得的平均值進(jìn)行對(duì)比分析。
【結(jié)果】結(jié)果表明，樹高估計(jì)值平均絕對(duì)誤差為0.21m，平均相對(duì)誤差為2.11%，整體精度達(dá)到97.89%。當(dāng)處于下坡位觀測(cè)時(shí)，樹高估計(jì)值平均絕對(duì)誤差為0.11m，平均相對(duì)誤差為1.16%，樹高精度高達(dá)98.84%。當(dāng)處于上坡位觀測(cè)時(shí)，樹高估計(jì)值平均絕對(duì)誤差為0.32m，平均相對(duì)誤差為3.07%，樹高精度達(dá)到96.93%。智能手機(jī)傾斜角較大時(shí)，精度達(dá)到95.19%，智能手機(jī)傾斜角較小時(shí)，精度高達(dá)99.03%，說明手杖式測(cè)樹儀觀測(cè)時(shí)所產(chǎn)生傾角越小，精度越高。量測(cè)同一株立木時(shí)，下坡位觀測(cè)的精度優(yōu)于上坡位。
【結(jié)論】此裝備的研發(fā)滿足國家森林資源連續(xù)清查中的測(cè)量精度要求，且裝備成本低、靈活性強(qiáng)、不依賴其他設(shè)備獲取深度信息、攜帶方便、具有較高利用價(jià)值，未來可作為森林資源調(diào)查樹高測(cè)量裝備。
關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量;樹高量測(cè);安卓手機(jī)App;圖像分析
森林給人類提供了能源，建筑材料和食物等廣泛的資源和生態(tài)服務(wù)，它們對(duì)于保護(hù)生物多樣性，水文資產(chǎn)和土壤以及減輕氣候變化的影響至關(guān)重要[1]。可持續(xù)森林管理需要大量樹木參數(shù)，例如物種分布，木材量和平均樹木高度，以此作為大規(guī)模森林資源清查的基礎(chǔ)[2]。其中，樹高是立木測(cè)量因子中的基礎(chǔ)參量，常用于估計(jì)森林生長、年齡、材積、生物量和碳儲(chǔ)量等立木參數(shù)[3-5]。
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由此可見，樹高量測(cè)是森林資源清查中重要的一環(huán)，其準(zhǔn)確性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的測(cè)量儀器如花桿等，在林地中移動(dòng)不便，需耗費(fèi)大量的人力物力;調(diào)查地區(qū)的地形地勢(shì)的復(fù)雜性以至觀測(cè)者不便攜帶儀器;此外，一些簡易裝備又存在測(cè)量精度不高，無法消除人為或地形因素影響所產(chǎn)生的誤差等。為了解決外業(yè)調(diào)查過程中的種種困難，獲取質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)，便攜性，非接觸性及精確性是林業(yè)裝備發(fā)展的重點(diǎn)方向，也一直是森林科學(xué)的重要課題。
在樹高測(cè)量方面，傳統(tǒng)的測(cè)量儀器有布魯萊斯測(cè)高器、阿布尼水準(zhǔn)儀、全站儀等[6-8]，其測(cè)量原理主要是基于三角函數(shù)原理和相似三角形幾何原理。這些測(cè)高儀器大多通用性差，功能單 一。在近幾十年中，地面三維激光掃描(TLS)迅速發(fā)展，以基于遙感式非接觸手段獲取樹木三維點(diǎn)云信息的森林資源研究進(jìn)展最為顯著。例如Caboa、Liu、Srinivasan、Olofsson等[9-12]，通過對(duì)獲取的點(diǎn)云信息進(jìn)行預(yù)處理后提取樹高、胸徑等樹木結(jié)構(gòu)參數(shù)。這種方法克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)，還提高了樹木結(jié)構(gòu)參數(shù)精度，缺點(diǎn)是TLS數(shù)據(jù)量龐大且后續(xù)處理步驟較多，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高。
此外，在外業(yè)調(diào)查過程中，因儀器體積龐大，價(jià)格昂貴，不適用于大面積調(diào)查研究。為了滿足森林資源調(diào)查儀器的大量需求，我國也越來越重視并研制了許多體型小、便攜式森林計(jì)測(cè)裝備，馮仲科等[13-15]研發(fā)了用于測(cè)樹高、胸徑的測(cè)樹型超站儀，黃曉東等[16]研制了一種可自動(dòng)獲取胸徑樹高的便攜式測(cè)樹超站儀，程文生等[17]研制了一種便攜式森林資源調(diào)查儀，徐偉恒等[18]研制了手持式數(shù)字化多功能電子測(cè)樹槍，實(shí)現(xiàn)了任意處樹干直徑的測(cè)量和樹高測(cè)量以及部分林分結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取。
楊伯鋼等[19]研制一種便攜式精準(zhǔn)立木樹高測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜林分環(huán)境中立木樹高的精準(zhǔn)測(cè)量和傾斜立木樹長測(cè)量。這些森林資源調(diào)查設(shè)備相較于傳統(tǒng)儀器，雖解決了功能單一、便攜性差等問題，但仍然存在造價(jià)成本過高、操作復(fù)雜、依賴于激光測(cè)距儀等問題。
隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)與林業(yè)調(diào)查的結(jié)合成為一個(gè)新的趨勢(shì)，智能手機(jī)APP開發(fā)為便攜設(shè)備進(jìn)行的基于圖像分析的立木測(cè)量提供了廣闊的前景。與此同時(shí)，近景攝影測(cè)量，作為地面立體攝影測(cè)量的一個(gè)重要分支，通過像片的像方與標(biāo)物的物方建立一定的模型關(guān)系，通過結(jié)算這種模型關(guān)系來求解的技術(shù)。圖像處理技術(shù)近年來也越來越多的應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查中。目前，基于智能手機(jī)圖像分析的樹高測(cè)量有了一定的研究基礎(chǔ)，顏婉倩等[20]研發(fā)了一款基于三角高程模型的安卓手機(jī)App，利用手機(jī)攝像頭和手機(jī)內(nèi)部的方向傳 感器的強(qiáng)大性能，測(cè)定單株立木的高度，李亞東等[21]進(jìn)行了Android智能手機(jī)樹高測(cè)量APP開發(fā)與試驗(yàn)。
這些儀器擺脫了激光測(cè)距，便于攜帶，但需要從樹底到樹頂多站進(jìn)行作業(yè)，操作繁瑣，人為誤差大。針對(duì)上述情況,本研究構(gòu)建了一種將登山杖與智能手機(jī)綁定用于樹高量測(cè)的軟硬件一體化的儀器裝備(手杖式測(cè)樹儀)，該裝備通過App分屏技術(shù)進(jìn)行延伸，將近景攝影測(cè)量與圖像處理技術(shù)相結(jié)合，通過手機(jī)可拍攝立木在不同傾斜條件以及地形條件共4種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，手杖式測(cè)樹儀所采集的樹高數(shù)據(jù)與全站儀樹高數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。
1理論與技術(shù)
1.1手杖式測(cè)樹儀
手杖式測(cè)樹儀硬件由登山杖和安卓智能手機(jī)組成，通過手機(jī)架相連接。登山杖為可伸縮行山杖，伸縮固定值0.3m，便于量測(cè)和跋涉切換。同時(shí)，登山杖參與測(cè)量時(shí)，可以防止手機(jī)晃動(dòng)，引導(dǎo)坡度測(cè)量。手機(jī)架由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成，分別用于收回手機(jī)支架和旋轉(zhuǎn)手機(jī)傾角。手機(jī)架固定在距離登山杖底部1m處。
量測(cè)時(shí)，拉長登山杖，此時(shí)，智能手機(jī)與地面的垂直距離為1.3m，此定長為樹高量測(cè)的重要參數(shù)h。智能手機(jī)為常見的安卓手機(jī)，本研究選用型號(hào)為HUAWEIMLAAL10，版本為4.1.3的華為智能手機(jī)。智能手機(jī)與手機(jī)架為可分離，便于攜帶與野外途中跋涉。 手杖式測(cè)樹儀軟件部分為自主研發(fā)的測(cè)樹APP，主要界面分為確定內(nèi)部參數(shù)的初始化界面和樹高的量測(cè)界面。
通過手機(jī)相機(jī)標(biāo)定獲取內(nèi)部參數(shù)，輸入?yún)?shù)對(duì)測(cè)樹APP進(jìn)行初始化。初始化的目的是對(duì)相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化，使屏幕與立木之間建立關(guān)聯(lián)。屏幕中間設(shè)有一條中分線(測(cè)樹App中設(shè)定用于劃分屏幕的固定水平線，作為一種標(biāo)記便于后續(xù)運(yùn)算)，以中分線為界，線以上記為上屏幕，以下記為下屏幕。上下屏幕各分布一條可移動(dòng)的紅色水平線，下屏幕紅色水平線用于解算深度信息，上屏幕紅色水平線用于獲取樹高信息，樹高信息實(shí)時(shí)顯示于左上角。
1.2手機(jī)相機(jī)標(biāo)定
手機(jī)相機(jī)標(biāo)定的目的是獲取相機(jī)的內(nèi)參矩陣，即獲取焦距、像元尺寸及圖像中心坐標(biāo)，這是重要的計(jì)算數(shù)據(jù)。標(biāo)定過程為智能手機(jī)從不同角度拍攝棋盤格，拍攝的照片輸入Matlab或者Python代碼等，得到內(nèi)參矩陣，從而獲取焦距f以及手機(jī)屏幕坐標(biāo)系相關(guān)參數(shù)。使用型號(hào)為HUAWEIMLAAL10，版本為4.1.3的華為智能手機(jī)，使用Python語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。經(jīng)相機(jī)標(biāo)定后求得內(nèi)部參數(shù)：fx=1208.7488，u0=1731.6541，fy=2865.7051，v0=2306.0749，圖像分辨率為3456×4608。將此數(shù)據(jù)信息輸入測(cè)樹APP進(jìn)行初始化。
1.3測(cè)量方法
本研究將定長的登山杖與地面攝影測(cè)量相結(jié)合，觀測(cè)過程中，將待測(cè)立木置于設(shè)備大致可觀測(cè)區(qū)域，豎立登山杖，將智能手機(jī)調(diào)整至豎直狀態(tài)，并對(duì)準(zhǔn)待測(cè)立木，如果超出屏幕，調(diào)整手機(jī)角度(傾斜角度數(shù)值由手機(jī)內(nèi)置的方向傳感器獲取并參與計(jì)算)，使立木底部顯示在下半屏幕，立木頂部顯示在上半屏幕，點(diǎn)擊拍照。
立木拍攝完成后，將APP內(nèi)上下紅色水平線放置在被測(cè)立木的頂部和底部，利用屏幕下半部分的水平線計(jì)算深度信息，利用屏幕上半部分的水平線計(jì)算立木的高度，從而得到樹高信息顯示于屏幕左上角。當(dāng)位于斜坡時(shí)，應(yīng)在測(cè)量前記錄斜坡坡度，方法為智能手機(jī)與登山杖保持平行姿態(tài)，登山杖頭部靠近地面，尾部對(duì)準(zhǔn)待測(cè)立木底部。此時(shí)，智能手機(jī)所產(chǎn)生的傾斜角為坡度角，點(diǎn)擊屏幕自動(dòng)記錄坡度，用于后續(xù)計(jì)算，隨后樹高量測(cè)方法同上。根據(jù)野外實(shí)地情況，測(cè)量方式分為平地平角、平地斜角、斜坡平角以及斜坡斜角4種情況，其中“斜坡”與“平地”意為地面是否有存在傾斜角度，“平角”與“斜角”意為拍攝時(shí)手機(jī)是否產(chǎn)生傾角。
2實(shí)驗(yàn)區(qū)域與方法
2.1實(shí)驗(yàn)區(qū)域
實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸本┦衅焦葏^(qū)紅石門村(117°37′E，40°22′N)，選擇307株立木作為研究對(duì)象，分別用手杖式測(cè)樹儀以及全站儀(LeicaFlexlineTS06plus)進(jìn)行量測(cè)。為了使實(shí)驗(yàn)具有代表性，樹高測(cè)量中的真值(參考值)通過全站儀進(jìn)行多次測(cè)量求平均值獲得，所選的立木分布于不同的坡度且同一立木分別在上下坡位進(jìn)行兩次觀測(cè)。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在樣地調(diào)查中的精度，使用全站儀進(jìn)行多次測(cè)量后求得的平均值作為樹高真值。為了給出此儀器的估計(jì)精度，使用絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差、平均相對(duì)誤差對(duì)各測(cè)量值進(jìn)行評(píng)估。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)307株立木數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析得到表2，表2描述了手杖式測(cè)樹儀和全站儀分別在不同坡度、上下坡位每木4次量測(cè)后的數(shù)據(jù)誤差分析結(jié)果，由表2可以看出，被測(cè)立木在上坡位時(shí)(記為上坡位)，絕對(duì)誤差范圍處于-1.63～1.68m，相對(duì)誤差范圍為-15.14%～11.51%，精度在84.86%～1 之間。
當(dāng)立木位于下坡位時(shí)(記為下坡位)，絕對(duì)誤差范圍處于-0.77～0.78m，相對(duì)誤差范圍為-7.56%～4.85%，精度在92.44%～1之間，與此同時(shí)，被測(cè)立木位于上坡位時(shí)，隨著坡度的增大，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差逐漸增大，被測(cè)立木位于下坡位時(shí)，隨著坡度的增大，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差逐漸減小，說明在同一坡度時(shí)，下坡位所量測(cè)數(shù)據(jù)的精度相較于上坡位更為出色。
4結(jié)論與討論
本研究以近景攝影測(cè)量為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一種以登山杖綁定智能手機(jī)為測(cè)量平臺(tái)的便攜、快捷的樹高測(cè)量裝備;針對(duì)樹木生長環(huán)境有無坡度，拍攝是否產(chǎn)生傾角等情況建立了樹高量測(cè)模型;在手機(jī)環(huán)境下，采用上下分屏技術(shù)，利用手機(jī)成像系統(tǒng)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換解算深度信息;研制了立木樹高測(cè)量軟件APP，實(shí)時(shí)地獲取樹高估計(jì)值。文獻(xiàn)[16-18]利用激光測(cè)距來獲取深度值，文獻(xiàn)[21]分多站先拍攝樹底獲取深度值，隨后拍攝樹木得到樹高信息，本研究方法不依賴激光測(cè)距，通過手機(jī)分屏直接解算深度值并獲得樹高信息，單站作業(yè)完成樹高量測(cè)，且手杖式測(cè)樹儀成本低、裝備靈活性強(qiáng)。
通過在北京市平谷區(qū)紅石門村采集307株立木進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的結(jié)果與參考值相比，總體平均絕對(duì)誤差為0.21m，平均相對(duì)誤差為2.11%，樹高精度達(dá)到97.89%，當(dāng)待測(cè)立木位于下坡位時(shí)，平均絕對(duì)誤差為0.11m，平均相對(duì)誤差為1.16%，樹高精度高達(dá)98.84%，滿足國家森林資源二類調(diào)查中樹高測(cè)量精度的要求，未來可作為森林資源調(diào)查樹高測(cè)量裝備。
但此裝備仍然存在一些局限性，如在進(jìn)行實(shí)際拍攝時(shí)，立木整體必須在屏幕可視區(qū)域，樹木整體須保持上下均勻分布;獲取樹高信息時(shí)樹底與樹高需要人為交互進(jìn)行標(biāo)記，不能自動(dòng)獲取;當(dāng)更換手機(jī)時(shí)，需要輸入新手機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化。在下一步研究中，通過圖像分析自動(dòng)標(biāo)記、獲取、并計(jì)算樹底與樹高信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化獲取樹高值，將是今后研究的重點(diǎn)方向。
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作者：蘇玨穎，馮仲科，李萍，常晨
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