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基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法

阅读：62发布：2023-02-10

专利汇可以提供基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，所述方法涉及林木测量，所述方法包括：利用一台相机及激光器构建立木胸径测量系统；利用上述相机对被测立木进行拍照以获取立木图像；对拍摄的立木图像进行预处理后，得到所述激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)；根据光学相似三角形原理，将上述激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)；对上述所得点(X，Y，Z)进行处理后，向水平方向进行投影得点(X投，Y投)；采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合，拟合后所得圆半径参数即为被测立木的胸径大小。本发明所述基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法具有算法实现简单，无接触快速测量立木胸径的优点。，下面是基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
步骤一：对所拍摄的立木图像进行预处理，提取单像素的激光光斑骨架部分后，得到所述激光光斑在相平面的点(X’，Y’)；
步骤二：根据光学相似三角形原理，将上述激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)；
步骤三：对上述所得三维空间点(X，Y，Z)进行处理后，向水平方向进行投影得点(X投，Y投)；采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合；
步骤四：上述拟合后所得圆半径参数即为被测立木的胸径大小；
将激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)的坐标转换模型的建立是以相平面坐标系X’O’Y’的建立与三维坐标系中XOZ平面平行，且三维坐标系原点O穿过摄像机光轴所在位置，激光源A位于摄像机光轴的下方，激光源发射所形成的激光平面恰好与水平面平行，且上述激光源A射出的光平面与相平面所成夹角为θ时建立的；
步骤二中所述根据光学相似三角形原理，将激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)包括：
由以下表达式：
实现由立木图像的相平面的坐标点(X’，Y’)向三维空间的坐标点(X，Y，Z)的转换；其中，f为实验设备中的焦距，b为激光源到摄像机光轴的距离，θ为激光源A射出的光平面与相平面所成夹角；
步骤三中所述对所得三维空间点(X，Y，Z)进行处理，包括对三维空间点(X，Y，Z)中异常点的判断以及对满足坐标转换及圆拟合要求的点进行筛选；
步骤三中上述处理后的三维空间点(X，Y，Z)，向水平方向进行投影得点(X投，Y投)，包括将三维空间点所在坐标平面向水平面投影，所述水平面与三维空间点所在坐标平面之间的夹角为90°-θ；所述投影所得点(X投，Y投)与三维空间点中的(X，Y)之间存在如关系：
X投＝X
Y投＝Y·cos(90°-θ)
步骤四采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合包括以下步骤，如下原理推导式中采用X，Y来表达X投，Y投：
令：
D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)
由
得：
实现最小二乘圆拟合；其中a，b，c为圆一般方程的系数，C，D，E，G，H为中间计算参量，N为所有特征点总数。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，其特征在于，激光源发射所形成的激光平面恰好与水平面平行，且上述激光源A射出的光平面与相平面所成夹角θ角度可测。

说明书全文

基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及林木测量，尤其涉及一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法。

背景技术

[0002] 森林蓄积量是国家自然资源的重要组成部分，其消长动态是林业经济效益的主要标志，也是制定采伐培育计划的依据。传统的森林林木胸径测量方法如采用胸径测量围尺或轮尺，将长度转换为直径刻度，从而进行林木胸径估测，操作中受环境及人为因素影响大，结果误差极大。为了解决上述问题，发明人提供了一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法。

发明内容

[0003] 鉴于上述现有技术的不足以及实际应用的需要，本发明提供一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，实现简单快速、无接触的立木胸径测量。

[0004] 本发明是通过以下具体技术方案实现的：

[0005] 本发明提供一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法，所述方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、对所拍摄的立木图像进行预处理，提取单像素的激光光斑骨架部分后，得到所述激光光斑在相平面的点(X’，Y’)；

[0007] 步骤二、根据光学相似三角形原理，将上述激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)；

[0008] 步骤三、对上述所得三维空间点(X，Y，Z)进行处理后，向水平方向进行投影得点(X投，Y投)；采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合；

[0009] 步骤四、上述拟合后所得圆半径参数即为被测立木的胸径大小；

[0010] 步骤二中所述根据光学三角原理，将激光光斑落在相平面的坐标点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)包括：

[0011] 由以下表达式：

[0012]

[0013]

[0014]

[0015] 实现立木图像相平面的坐标点(X’，Y’)向三维空间的坐标点(X，Y，Z)的转换；其中，f为实验设备中的焦距，b为激光源到摄像机光轴的距离，θ为激光源射出的光平面与COMS平面所成夹角。

[0016] 步骤三中所述采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行拟合包括(如下原理推导式中采用X，Y来表达X投，Y投)：

[0017] 令：

[0018]

[0019] D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)

[0020]

[0021] G＝(N∑Yi2-∑Yi∑Yi)

[0022]

[0023] 由

[0024]

[0025]

[0026]

[0027] 得：

[0028]

[0029]

[0030]

[0031] 实现最小二乘圆拟合；其中a，b，c为圆一般方程的系数，C，D，E，G，H为中间计算参量，N为所有特征点总数。

[0032] 本发明的特点及技术效果：

[0033] 由上述一种基于光学相似三角形法的立木胸径测量方法可以看出，本发明通过实现相平面坐标点(X’，Y’)向三维空间坐标点(X，Y，Z)的转换，以及采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行拟合，从而简单快速、无接触的测得立木实际胸径大小；尤其是在对林木实现大量测量的工作中，与传统的测量技术相比，能够在很大程度上减少时间及人力消耗。附图说明

[0034] 图1为本发明立木胸径测量系统图；

[0035] 图2为本发明具体实施方法的流程图；

[0036] 图3为本发明具体实施方法中的光学相似三角形法原理图；

[0037] 图4为本发明具体实施方法中的圆拟合原理图；

具体实施方式

[0038] 本发明具体实施方法提供一种基于光学三角形法的立木胸径测量方法，所述方法如图1所示，包括以下步骤：

[0039] 步骤一、对所拍摄的立木图像进行预处理，提取单像素的激光光斑骨架部分后，得到所述激光光斑在相平面的点(X’，Y’)；

[0040] 该步骤中所述立木图像预处理方法包括对图像进行G(绿色)分量及B(蓝色)分量弱化后，对立木图像进行二值化处理；该步骤中所述提取单像素的激光光斑骨架方法包括对图像采用数学形态学的基本算法——膨胀和腐蚀来实现激光光斑的细化，然后通过寻找细化后图像的最大联通区域来去除激光光斑骨架以外的噪声点，从而得到单像素的激光光斑骨架部分。

[0041] 步骤二、根据光学相似三角形原理，将上述激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间进行坐标转换得到点(X，Y，Z)；

[0042] 该步骤中所述将激光光斑落在相平面的点(X’，Y’)向三维空间转换得到点(X，Y，Z)是通过图3中所示光学三角形原理进行推导计算，得到式1，从而实现相平面的点坐标(X’，Y’)向三维空间转换得到点(X，Y，Z)。

[0043]

[0044]

[0045]

[0046] 其中，f为实验设备中的焦距，b为激光源到摄像机光轴的距离，θ为激光源射出的光平面与COMS平面所成夹角，(X’，Y’)为相平面的点M’坐标，(X，Y，Z)为三维空间点M坐标；

[0047] 步骤三、对上述所得三维空间点(X，Y，Z)进行处理后，向水平方向进行投影得点(X投，Y投)；采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合；

[0048] 该步骤中所述三维空间的点(X，Y，Z)向水平方向进行投影得点(X投，Y投)包括将三维空间点所在坐标平面向水平面投影，所述水平面与三维空间点所在坐标平面之间的夹角为90°-θ；所述投影所得点(X投，Y投)与三维空间点中的(X，Y)之间存在如关系：

[0049] X投＝X

[0050] Y投＝Y·cos(90°-θ)

[0051] 该步骤中所述采用最小二乘圆拟合方法对点(X投，Y投)进行圆拟合包括：最小二乘圆拟合方法是通过最小误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配，可通过下述方法实现最小二乘圆拟合方法(如下原理推导式中采用X，Y来表达X投，Y投)；

[0052] 圆曲线方程式为：

[0053] R2＝(X-A)2+(Y-B)2

[0054] 展开式得：

[0055] R2＝X2-2AX+A2+Y2-2BY+B2

[0056] 令

[0057] a＝-2A

[0058] b＝-2B

[0059] c＝A2+B2-R2

[0060] 故可得圆曲线一般方程式：

[0061] X2+Y2+aX+bY+c＝0

[0062] 只要求出参数a，b，c即可求得圆心半径的参数：

[0063]

[0064]

[0065]

[0066] 点集(Xi，Yi)i∈(1，2，3...N)中点到圆心距离为di：

[0067] di＝(Xi-A)2+(Yi-B)2

[0068] 点(Xi，Yi)到圆边缘的距离的平方与半径平方的差为：

[0069]

[0070] 令Q(a，b，c)为δi的平方和：

[0071]

[0072] 求解参数a，b，c使得Q(a，b，c)的值最小即可；

[0073] 令

[0074]

[0075] D＝(N∑XiYi-∑Xi∑Yi)

[0076]

[0077] G＝(N∑Yi2-∑Yi∑Yi)

[0078]

[0079] 可以解得：

[0080]

[0081]

[0082]

[0083] 得：

[0084]

[0085]

[0086]

[0087] 步骤四、上述拟合后所得圆半径参数即为被测立木的胸径大小；

[0088] 通过上述步骤的实现，可以完成立木胸径的快速测量；本发明所提供的实施方案可以简单快速、无接触的完成立木胸径测量；本发明所述的实施方案具体实例形式灵活，故任何熟悉本领域的技术人员，在本发明揭示的技术范围内，可以轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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