[发明专利]一种基于机器视觉和三维重建技术的立木胸径测量方法

说明书

本发明公开一种基于机器视觉和三维重建技术的立木胸径测量方法，由以下具体算法及模型实现的：(1)智能移动端设备相机标定模型及算法，镜头畸变矫正模型及算法；(2)二维图像坐标系‑三维世界坐标系重建模型；该模型解决了不同距离下单位像素对应现实世界物理尺寸不同的问题，从而能从不同距离下进行立木胸径测量。(3)自然环境下立木树干轮廓检测及提取算法；(4)立木树干轮廓最小外接矩型检测算法；(5)立木树干高度及胸径测量算法；该模型解决单幅图像中单株立木的胸径测量。本发明解决在环境复杂、劳动强度大、过度依赖人工测量的森林资源调查工作中存在的问题，并降低劳动强度和人力成本，提高劳动效率。

技术领域

本发明涉及林业资源调查领域，是关于立木胸径的测量方法，具体是指一种基于机器视觉和三维重建技术的立木胸径测量方法。

背景技术

森林资源数据采集是森林资源监测的基础，提高数据采集效率和质量是森林资源信息化的重要内容。在各类森林资源调查中，立木胸径因子的测量极其重要，而现有的主要调查方式依赖人工外业调查并通过皮尺或胸径尺进行手工测量，劳动强度大、人力成本高、效率低。

在胸径测量中，传统的测量方法耗时、耗力且效率低，采用近景摄影测量方法虽然可以很好地解决这些问题，但标定算法复杂，将图片中的二维图像坐标恢复至三维世界坐标时精度不高，误差较大且需要在PC端操作完成。现有的立木胸径测量软、硬件系统、模型多数基于计算机或数码相机，无法直接在较为普适的智能手机上完成测量。如王典等人的《基于光学相似性三角形法的立木胸径测量方法》，该方法需借助相机和一台激光器并给予光学相似三角形法进行测量；冯仲科等人的《一种利用定点角距法测量立木胸径的方法》，该方法需要在使用前在离待测立木规定距离处安置测量仪器，需要进行多次测量，操作方法较为复杂，无法实现在任意位置测量；且现有的多数移动端立木胸径测量方法是通过已知尺寸的标志物通过比例来计算胸径，并需要借助PC端进行后期处理。

近年来智能手机制造业飞速发展，越来越多的传感器，如重力传感器、GPS模块、GPRS模块、相机等，皆被集成与智能手机上，使得其功能越来越强大，并且智能手机普及率广，携带方便，设计一种基于智能手机的立木胸径快速测量方法将为林业工作者及林业科研人员带来极大的便利。本发明就是在这样的背景下产生的。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种为了解决在环境复杂、劳动强度大、过度依赖人工测量的森林资源调查工作中存在的问题，并降低劳动强度和人力成本，提高劳动效率。因此提供一种操作方便，成本低，精度满足林业测量要求的基于机器视觉和三维重建技术的立木胸径测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于机器视觉和三维重建技术的立木胸径测量方法，由以下具体算法及模型实现的：

(1)智能移动端设备相机标定模型及算法，畸变矫正模型及算法；

(2)二维图像坐标系-三维世界坐标系重建模型；该模型解决了不同距离下单位像素对应现实世界物理尺寸不同的问题，从而能从不同距离下进行立木胸径测量。

(3)自然环境下立木轮廓检测及提取算法；

(4)立木轮廓最小外接矩型检测算法；

(5)立木树干高度及胸径测量算法；该模型解决单幅图像中单株立木的胸径测量。

进一步的，智能移动端设备相机标定模型及算法，畸变矫正模型及算法(1)，由于智能移动端的计算能力有限且相机镜头存在不同程度的畸变，包括径向畸变和切向畸变等，引入径向畸变和切向畸变矫正模型来减小畸变对相机标定精度的影响，从而获得较高精度的相机内、外参数；在参数计算过程中使用L-M算法来提高参数迭代效率。

进一步的，二维图像坐标系-三维世界坐标系重建模型(2)解决了不同距离下单位像素对应现实世界物理尺寸不同的问题，从而能在不同距离下通过对图像中的二维图像坐标进行三维世界坐标重建从而实现物理尺寸的测量。