数字近景摄影测量辅助三维激光扫描用于森林固定样地测树原理探讨

1、 数字近景摄影测量辅助三维激光扫描用于森林固定样地测树原理探讨唐雪海1, 2, 王田磊 3, 袁进军1, 2, 冯仲科1, 23, 刘德庆1, 2, 聂敏莉1, 2, 李 影1, 2(1. 北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室 , 北京 100083; 2. 北京林业大学测绘与 3S 技术研究中心 , 北京 100083; 3. 南方测绘仪器有限公司郑州分公司 , 河南郑州 450000摘要 近景摄影测量和近年来发展起来的三维激光扫描技术已广泛用于树木三维数据的获取 , 通过近景摄影测量技术和三维激光扫描 方法获得的数据各有优缺点 , 但它们优势互补构成获取立木数据强大的工具。

2、三维激光扫描有快速获取数据的优点 , 缺点是容易留下 没扫描的空白区域 (扫描漏洞 ; 摄影测量能根据人们的主观愿望布置测量控制网 , 很灵活地采集数据点 , 的缺陷 , 缺点是因布置测量控制网 , 要增加劳动强度 , , 在一定程度上制约着三 维建模的精度。 任一处的直径、 树高、 树冠体积等测树指标 , 最后得出材积方程 , 关键词 三维激光扫描 ; 近景摄影测量 ; 测树 ; 中图分类号 S758 文献标识码 A 0517 -03D iscussi on on the Pr ea i n F ixed Sam ple Plot w ith Three 2D La ser Scann i

3、ng A i ded w ith D ig it a l C lose 2range Photogramm TANG Xue 2ha i et a l Key Laboratory f or Silviculture and Conservati on of M inistry of Education, Beijing Forestry University , Beijing 100083Abstract Cl ose 2range phot ogra mmetry (CRP and terrestrial laser scanning (T LS increased in recent

4、years have been used in the rapid acquisi 2ti on of large v olu mes of 32D data of trees . Data obtained by cl ose 2range phot ogra mmetry or three 2di m enti on laser scanning have their o wn advantages and disadvantages res pectively . They co mple ment one another and f or m a po werful t ool f o

5、r the creati on of sample woods data . The method of three 2di 2mensi on laser scanning data capture have the characteristics of capturing data quickly and its one of disadvantages is the margin left not t o be scanned . While data points captured by cl ose 2range phot ogra mmetry according t o s pe

6、cial pur pose may co mpensate this disadvantage . A technol ogy of data obtaining with three 2D laser scanning aided with digital cl ose 2range phot ogra mmery was discussed, by which the s patial entity of si m ple wood would be recovered and the index of f orest surveying such as diameter at breas

7、t height, tree height and cr own dia meter .Key words 32di m ensi on laser scanning; Close 2range phot ogrammmetry; Forest measurement; Applications of 32di mensi on model基金项目 北京市自然科学基金项目 (09D0297 ; “ 863” 国家高技术研究发展计划项目 (2009AA12Z327 。作者简介 唐雪海 (1983- , 男 , 安徽阜南人 , 博士研究生 , 研究方向 :森林调查监测与 3S 技术及装备。 3通讯

8、作者 , 博士生导师 , 教 授 , E 2mail:fengzhongke126. co m 。收稿日期 2010201225 近景摄影测量是在近距离拍摄目标图像 , 经过加工处 理 , 确定其大小、 形状和几何位置的技术。 近景摄影测量包 括近景摄影和图像处理 2个过程。 其优点是像片信息量高 , 而且摄影与像片的摄影测量处理可分阶段进行 , 不受时间的 限制 ; 近景摄影一般使用量测摄影机 , 它是框标、 内方位元素 已知并且物镜畸变小的专用仪器 , 有的还备有外部定向、 同 步摄影、 连续摄影等设备。 也可以使用非量测摄影机 , 如电 影摄影机、 高速摄影机、 全息摄影机、 显微摄影机

9、、 数字摄影 机、 X 光摄影机等。 图像处理同通常的摄影测量类似 , 分为 模拟法和解析法 , 可以获得平面图、 立体图、 断面图、 透视图、 等值线图以及包括物点坐标在内的多种物理参数1。 根据 近景摄影测量的这些特点 , 森林专家学者把摄影测量的理论 引入到森林资源领域 , 用于测量立木的高度及胸径和其他有 关立木的参数 , 提高了测树精度 , 丰富了测树学理论。 但近 景摄影测量也具有一定的局限性 , 例如利用近景摄影测量的 方法获取影像需要布设控制网 , 无疑要增加劳动强度 , 再者 在影象上灰度变化不明显的部位无法获得同名像点 , 在一定 程度上制约着三维建模的精度。 而三维激光扫

10、描技术能弥 补摄影测量的不足之处 , 提高数据采集的速度 , 减轻测量的 劳动强度。 和摄影测量一样 , 三维激光测量在非接触物体的 情况下利用激光测量方式 , 对被测物体进行快速扫描测量 ,同时直接获得激光点在物体表面上的水平方向、 天顶距、 斜 距和反射强度 , 并自动存储并计算 , 获得点云数据2, 然后通过一定的算法对点云数据进行处理 , 通过 C AD 软件快速构 建被测物体的三维模型 , 通过三维模型根据不同的用途可以 获取被测物体的各种数据。 三维激光扫描在扫描过程中容 易产生漏洞 , 而数字近景摄影测量可以根据人们的主观愿望 选取数据点 , 可以补充三维激光扫描在扫描过程中产生

11、的漏 洞处无数据的不足之处 , 二者取长补短 , 可实现对梳林单株 立木的无损伤、 高质量、 高速度的精准监测。1三维激光扫描测树数据的获取三维激光扫描测树数据获取是通过三维激光扫描系统 实现的 , 三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪和系统软 件 2部分组成。 在扫描仪内 , 激光脉冲发射体不停地发出窄 束激光脉冲 , 根据需要让其扫过被测目标区域 , 再利用仪器 内 2个同步快速有序旋转的反射镜测量每个脉冲从发射体 发出经被测目标物体表面再返回到仪器的所经历的往返时 间和 (或相位差 来计算距离 S 。 同时 , 还能获取的原始观测 数据有 :2个连续转动的用来反射脉冲激光的反射镜的角度值

12、 (水平方向值 、 天顶距值 和扫描点的反射强度 I 。 其中 S 、 和 用于计算扫描点三维坐标 , 扫描点的反射强度 I 用 来匹配扫描点颜色。 在仪器内部坐标系内 , 扫描点的三维坐 标的计算如图 13。以上只是显示单个扫描点的原始数据获取过程 , 要想在 不同的测站上获得扫描目标区域的单木的点云数据 , 并使点 云数据统一到一个仪器坐标系下 , 通常要合理设计控制标靶 的位置 , 通过对标靶扫描获得控制点的数据 , 要求在每站之 间要至少有 3个控制标靶重合 , 使控制点强制符合来确定 2安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri . Sci . 2010, 38(1

13、2 :6095-6097责任编辑 李菲菲 责任校对 卢瑶 图 1 三维激光测量坐标计算F i g . 1 The coordi n ate ca lcul ati on for the three 2d i m en si ona lmeasure ment by l aser scann i n g个测站的点云数据符合所需的 7个自由度 , 7型为 :x (a 6-Y a 2 3 -×Y (a 1-a 7×Y ×(8Y -47×Y ×(a 2-a 8×Y y (a 6-Y ×(a 1a 7×X -(a 3-X &

14、#215;(a 4-a 7×Y (a 2-a 8×Y ×(a 4-a 7×Y -(a 5-a 8×Y ×(a 1-a 7×Y (1式中 , 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 88个为变换参数 ; X, Y 为像 点物方坐标 ; x, y 为像点的像平面坐标。以此模型来达到点云数据统一到一个仪器坐标系下的 目的。 这样就得到样木某一部分的一幅点云数据 , 要想得到 样木的整个模型 , 还要根据实际情况从不同的侧面进行扫描 并采集数据 (1株样木一般要扫描 23幅点云图 , 得到不 同点云图。 然后采用全局坐标匹配方式进

15、行坐标转换 , 为有 效地防止坐标转换误差的积累 , 要将扫描图中的控制点设成 闭合环形式。 具体方法是 :在样木的四周设置控制点或标 靶 , 使临近点云图有 3个同名像点 , 再以样木某一幅扫描图 的坐标系为准 , 通过同名像点的强制符合使其他扫描图的坐 标系都转换到该幅扫描图的坐标系下。2 数字近景摄影测量获取单木数据的工作摄影测量从模拟摄影测量开始 , 经过解析摄影测量 , 现在正不可逆转地进入数字化时代 数字摄影测量阶段4。作为摄影测量重要分支的近景摄影测量技术 , 因得以与数字 图像处理、 计算机辅助制图、 三维模型制作和动画制作等技 术相结合 , 正逐步成为众多领域解决有关本领域空

16、间信息问 题的有效手段 , 并且应用范围呈不断扩大之势5。 近年来 ,非量测相机以其操作、 价格低廉 , 已经成为数字近景摄影测 量的主要工具。 森林资源调查就是利用近景摄影测量的手 段 , 通过非量测相机拍照数字相片 , 然后进行图像预处理 , 同 名像点匹配、 量测和建模 , 进而研究样地单木的树高、 胸径、由于利用非量测相机拍 , 再加 , , 所以用非量测相机 由于在对样地单木进行摄影是利用非量测相机 , 所以相机的内方位元素 0, 0, f 为未知 , 再加上 6个外方位摄站点 坐标 X S , Y S , Z S 及 3个姿态角 、 、 <。 内外方位元素有 9个 , 这就意

17、味着有 9个未知数 , 需确定 5个控制点列出 10个方 程 , 就可确定全部未知数 , 通过 2张以上的像片就能确定各 像点在物方空间的三维坐标。 如果摄站点坐标 X S , Y S , Z S 已 知 , 则需知道 3个控制点利用 2张相片就能达到上述目标。 其测量原理如下 :如图 2, O 2XYZ 为地面坐标系 , S 2xyz 为像空 间坐标系 , S 为摄影机投影中心 , f 为摄影机主距 , X O 、 Y O 是主 点的相片坐标。 地面目标点 A 成像于 a, 其相片坐标为 x, y 。 设投影中心的地面坐标为 X S 、 Y S 、 Z S , 目标点 A 的坐标为 X A

18、、Y A 、 Z A 。 像点坐标与目标点的地面坐标用共线方程联系起来6-7, 即 :x -x 0=f a 11(X A -X S +a 21(Y A -Y S +a 31(Z A -Z S a 12(X A -X S +a 22(Y A -Y S +a 23(Z A -Z S y -y 0=f a 13(X A -X S +a 23(Y A -Y S +a 33(Z A -Z S a 12(X A -X S +a 22(Y A -Y S +a 32(Z A -Z S (2式中 , a 为旋转矩阵 R 的元素 , 他们是外方位元素的函数 , 写 成 (3 : R =a 11a 12a 13a

19、21a 22a 23a 31a 32a =coscos -sin sin sin sin cos -cossin -sin sin cos -sincos -cos sin cos cos sinsin -cos sin cos cossin sincoscos (3图 2地面坐标系与像空间坐标系F i g . 2 Coord i n a te syste m of the surface and i m age space 再对 (2 式进行线性变换 (DLT 为 (4 式 :x + x =-L 1X +L 2Y +L 3Z +L 4L 9X +L 10Y +L 11Z +1y + y =-

20、L 4X +L 6Y +L 7Z +L 8L 9X +L 10Y +L 11Z +1(4式中 , (X, Y, Z 是物放方空间坐标 , (x, y 为对应的坐标仪坐 标 , L 1, , L 11为比例系数。 x, y 为物镜畸变差及底片变 形差 , 属系统误差。 直线线性变换解法的具体解算过程 , 包 括 L 系数的结算以及空间坐标 (X, Y, Z 的解算 2步。 当控 制点个数大于 6个时 , 要进行迭代计算。 在解得各 L 系数及 非线性改正后 , 就可以计算物方点的空间坐标。3 单木三维模型的建立及应用在近景摄影测量测树中 , 完成定向操作 (解算 DLT 以 后 , 在单木立体像

21、对序列影像重叠范围内任意给定某地面点 在多张像片上相应点的像坐标 , 就可以解算出该点的空间坐6906 安徽农业科学 2010年标 , 再通过计算机技术 , 采用影像匹配的方法可以自动得到 单木离散的点群。 在三维激光测量中 , 是通过激光对被测目 标物体进行扫描 , 在被扫描物体上以某种间隔采点 , 获得点 云的空间三维坐标。 到此为止 , 利用近景摄影测量的方法和 三维激光扫描的方法分别获得 2套关于样地单木的离散的 点群和点云。 利用程序 Eager 3. 0将近景摄影测量获取的数 据点合并到三维激光影像数据中生成狄罗里三角形格网 , 再 根据狄罗里三角形和对应点的坐标进一步进行规则格网

22、插 值处理 , 就可生成样地单木较为理想的三维模型。 通过旋 转、 平移、 缩放、 改变视场角可以非常方便地直接量取样地单 木的直径 (D 、 树高 (H 、 冠幅等这些直接测量因子。 利用这 些测树数据和二元材积方程 :v =a (D 2H b , 经拟合得到的材 积方程为 :v =7. 1558×105(D 2H b 。 利用 (5 式计算材积平 均相对误差 : =nV 2-V 1V 1×100%(5式中 , 为平均相对误差 , V2为计算材积 , V1为实测材积 , n 为 独立样本单元数 , 经计算能满足精度要求 。 图 3 是单木的注 :A. 量测树高与任一处直径

23、 ; B. 改变视场角俯视获取树冠冠幅。Note:A, Measure ment of tree height and any dia meter; B, The tree cr o wn width thr ough changing the field angle .图 3 单木的三维模型F i g . 3 The three 2d i m en si ona l model for i n di vi dual tree三维模型图 2。4结论数字近景摄影测量辅助三维激光扫描的测量技术研究 尚处于初级阶段 , 2项技术的结合仅处于数据的合并阶段 , 只 是做到相互补缺 , 还没有做到将二者数据优化的程度。 今 后 , 数字近景摄影测量辅助三维激光扫描技术 , 在数据采集 , 建模的内容和方法以及对通过二者所获得的数据进行融合 的算法方面都要进一步研究 , 特别是针对林业资源领域 , 如 何更好地将数字近景摄影测量辅助三维激光扫描的测量技 术用于精准林业检测具有更重要的意