[发明专利]基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法

摘要

本发明涉及树木形态可视化模型模拟和近景摄影测量的图像校正，特别是基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，属于计算机技术领域，该方法包括选择幂函数形式的树木形态模型，树木图像的拍照和辅助测量，树木图像的校正，模型与图像的匹配，相对于现有技术而言，本发明是针对准确获取二维树木外围轮廓信息的要求而特别制定的，对设备要求不高，辅助测量简单，容易实现，因此，有利于野外数据的获取和推广使用，另一方面，选择的树木形态模型中包含了树木形态的关键性指标，即冠形指数；非常有利于树木形态的描述和不同树种模型的统一。

主权项

基于摄影测量的树木形态模型参数快速获取方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1)选择幂函数形式的树木形态模型，确定其模型参数的估算方法；步骤2)树木图像的拍照和辅助测量，并对图像进行正射校正和图像重采样，作用是获得包含树木形态参数的树木轮廓和校正辅助数据；树木轮廓的正射影像是真实物体在某个水平方向的二维拷贝；图像上每个像素代表的实际大小相同；相机拍摄的图像是物体中心投影的结果，当拍摄物体高度是相机高度的两倍时，照相机光轴与被摄物体轮廓平面，即二维拷贝平面正交，被摄物体轮廓与拍摄图像相似；当被拍摄物体高于相机高度两倍以上时，大多数拍摄情况，照相机光轴与被摄物体轮廓所形成的平面不再正交，像主点与被摄物体中心点不重合；使拍摄的树木照片存在投影误差，所拍摄照片无法用于测量；如果将像片上的每个像素逆向投影到树木轮廓所在的平面，则可以得到树木的真实轮廓；以下分几个步骤完成这种校正：第一步，求虚拟像平面方程：假设在空间存在一个平面，其法向量为拍摄时的光轴，并且平面过树干根部，由于该平面与拍摄的像平面平行，其像元存在完全的点对应关系，因此为虚拟的拍摄图像的放大图，称其为虚拟像平面；1)虚拟像平面的像主点坐标为P(x0,y0,z0)：x0=cos(β-γ1)cos(β)h02+L2]]>y0＝0z0=sin(β-γ1)cos(β)h02+L2]]>其中，L为拍摄距离，h0为相机高度，γ1为下俯角,γ1＝arctg(h0/L),β为相机上下视场角的一半，γ2为仰角，β＝0.5(γ1+γ2)；2)虚拟像平面S的方程虚拟像平面S为过像主点P(x0,y0,z0)，以光轴为法向量的平面，其方程为：x0x+z0z-x02-z02=0]]>3)计算虚拟像平面S上点P的坐标设虚拟像平面S上的坐标P(x,y,z)为OP’射线与虚拟像平面S的交点；其中，P’(x’,y’,z’)为树木轮廓平面S’上的任意一点坐标；解其交点为：x＝x'ty＝y'tz＝z't其中，由树木轮廓平面S’平面上的坐标点，得到虚拟像平面S上相应的交点P；4)求虚拟像平面的范围虚拟像平面的高度当以3：2的行列比例拍摄时，虚拟像平面的下边宽度因此，虚拟像平面的4个顶点坐标P11(x11，y11，z11)，P12(x12，y12，z12)，P21(x21，y21，z21)，P22(x22，y22，z22)为x21＝x22＝L；y11＝0.5Ws，y12＝‑0.5Ws；y21＝0.5Ws，y12＝y22＝‑0.5Ws；z21＝z22＝‑h0；由4个顶点形成虚拟像平面的边界和范围；第二步，求树木轮廓平面：1)网格化树木轮廓平面S’设垂直于地面并通过树木主干的平面为树木轮廓平面S’，其平面高度为树高H,宽度W为虚拟像平面S的宽度，即W＝Ws，网格化树木轮廓平面，网格大小设为d＝Ws/C，其中，C为像片列数；2)设置树木轮廓平面S’上的点坐标位置设树木轮廓平面S’上的点坐标位置为P’(x’,y’,z’)取其位置为x'＝L,按照i，j的取值，在树木轮廓平面S’得到R行C列个坐标点，H＝L*tg(Y2)；第三步，像片重采样：1)转换点坐标为行列数取树木轮廓平面上的所有点Pij’，有对应的虚拟像平面上的点Pij(xij,yij,zij)；取其行数r＝R*dh/Hs；列数c＝C*dw/Ws；其中，dh为P点到虚拟像平面上边界线的距离，dw为P点到左边界线的水平距离；dh,dw计算如下：dh=dx2+dz2]]>dw=23sin(β)h02+L2-yij]]>其中，dz=zij-sin(γ2)h02+L2]]>2)像片重采样：重采样的第r行第c列的图像像元数值f(r,c)由双线性插值法计算得出，设r1，r2，c1，c2为第r行第c列周围四个邻近点的行列序号，其像素值分别为f(r1,c1)、f(r1,c2)、f(r2,c1)、f(r2,c2)，则第r行第c列的像素值f(r,c)如下：f(r1,c)＝(c2‑c)f(r1,c1)+(c‑c1)f(r1,c2)f(r2,c)＝(c2‑c)f(r2,c1)+(c‑c1)f(r2,c2)f(r,c)＝(r2‑r)f(r1,c)+(r‑r1)f(r2,c)由上式对图像所有第r行第c列图像重采样，得到正射图像；步骤3)树木图像的校正，作用是将中心投影图像还原成二维正射图像；步骤4)模型与图像的匹配，作用是获取树木冠形指数的数值。