CN110986891A - 一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的*** - Google Patents

一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的*** Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，包括无人机、高空参照杆、地面水平参照杆以及处理器，无人机上搭载有摄像头，高空参照杆通过连接绳挂接在无人机的底部，所述地面水平参照杆设置在待测树木冠幅下方的地面上；利用计算得到的任意树冠边缘两点间的实际长度、高空参照杆的长度以及第一图像或者第二图像中的高空参照杆的长度与任意树冠边缘两点的长度比，得到第一比例系数和第二比例系数，通过第一系数将图像中测量得到的冠幅尺度转换为实际冠幅尺度，通过第二系数将图像中测量得到的冠幅面积转换为实际冠幅面积；本公开能够准确高效的测出冠幅尺度和面积，提高了冠幅测量的智能化、自动化和高效化，降低了人力成本。

Description

一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***
技术领域
本公开涉及树木冠幅测量计算领域，特别涉及一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
在林业调查以及园林规划中，通常需要测量树木的冠幅，精确的冠幅测量，对于森林资源的调查，森林生产力估测，园林规划评估具有重要意义。传统冠幅测量需要多人配合，利用皮尺分别测量东西向和南北向的冠幅长度，然后通过椭圆面积或矩形面积的计算方法计算冠幅面积，人力成本较高，测量结果不够准确。现有的各类冠幅测量工具，不利于复杂地形的野外调查，且人力成本较高测量结果不够准确。随着无人机航拍技术的普及，拍摄大面积森林冠层、园林绿化已不是难事。
本公开发明人发现，现有的利用无人机测量冠幅的方法中多依靠无人机自身所具有测距能力开展冠幅测量工作，测距质量受外界因素干扰严重，在复杂地形条件中，测量的地形高度不具有整体代表性，使利用无人机测距的冠幅测量方法准确性有待提高；激光测量的方法较为快速，但是其准确性仍有待提高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，能够快速获得树木冠幅尺度和面积，提高了野外调查的工作效率。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，包括无人机、高空参照杆、地面水平参照杆以及至少一台与无人机通信连接的处理器，所述无人机上搭载有摄像头，所述高空参照杆通过连接绳挂接在无人机的底部，所述地面水平参照杆设置在待测树木冠幅下方；
测量时，高空参照杆保持水平，无人机越过树冠直至相机视角内出现树冠全貌，连接绳拉直，待高空参照杆稳定后，机载摄像头垂直向下拍摄得到第一图像，保持无人机水平方向不动，竖直方向升高第一距离后，机载摄像头垂直向下拍摄得到第二图像；
处理器分别根据第一图像和第二图像中的高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比计算第一距离，根据第一图像和第二图像中的高空参照杆的长度与任意树冠边缘两点的长度比以及高空参照杆的长度、地面水平参照杆的长度和第一距离得到上述任意树冠边缘两点间的实际长度；
通过计算得到的任意树冠边缘两点间的实际长度、高空参照杆的长度以及第一图像或者第二图像中的高空参照杆的长度与任意树冠边缘两点的长度比，得到第一比例系数和第二比例系数，通过第一系数将第一图像或者第二图像中测量得到的冠幅尺度转换为实际冠幅尺度，通过第二系数将第一图像或者第二图像中测量得到的冠幅面积转换为实际冠幅面积。
作为可能的一些实现方式，所述第一距离，具体计算方式为：
Figure BDA0002306370190000021
其中，α1为第一图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比，α2为第二图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比，l为高空参照杆的长度，CL为地面水平参照杆的长度，L为连接绳的长度。
作为进一步的限定，所述α1的计算方法，具体为：
Figure BDA0002306370190000031
其中，C1为第一图像中地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度；
作为进一步的限定，
所述α2的计算方法，具体为：
Figure BDA0002306370190000032
其中，C2为第二图像中地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度。
作为进一步的限定，任意树冠边缘两点间的实际长度的计算方式，具体为：
Figure BDA0002306370190000033
其中，β1为第一图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度比，β2为第二图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度比。
作为更进一步的限定，所述β1的计算方式，具体为；
Figure BDA0002306370190000034
其中，K1为第一图像中树冠边缘两点的长度。
作为更进一步的限定，所述β2的计算方式，具体为；
Figure BDA0002306370190000041
其中，K2为树冠边缘两点的长度。
作为更进一步的限定，所述第一系数，具体为：
第一图像中：
Figure BDA0002306370190000042
第二图像中：
Figure BDA0002306370190000043
利用在第一图像或者第二图像中量测的冠幅尺度除以第一系数得到实际冠幅尺度。
作为更进一步的限定，所述第二系数，具体为：
第一图像中：
Figure BDA0002306370190000044
第二图像中：
Figure BDA0002306370190000045
利用在第一图像或者第二图像中量测的冠幅面积除以第二系数得到实际冠幅面积。
作为可能的一些实现方式，当地面水平参照杆投影到第一图像或者第二图像中高空参照杆所在平面，且投影与高空参照杆不在同一直线时，相互之间的夹角不影响第一距离的计算结果。
作为可能的一些实现方式，利用处理器中搭载的图像处理软件勾勒出第一图像或者第二图像中的树冠边缘，紧贴树冠边缘圈出多边形，计算多边形面积，得到不规则冠幅在第一图像或者第二图像中的面积。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的***通过利用无人机高空拍照，计算机处理后，能够准确高效的测出冠幅尺度和面积，得到更加准确的测量结果，极大的提高了冠幅测量的智能化、自动化和高效化，降低了人力成本。
2、本公开所述的***虽然设定了高空参照杆和地面水平参照杆，但是并不需要对两者之间的夹角进行具体的限定，只需要将地面水平参照杆放在树下即可快速的进行冠幅测量。
3、本公开所述的***只需要通过拍摄第一图像和第二图像，即可通过对图像的分析快速的得到冠幅的实际尺寸和实际面积，计算速度快，极大的提高了大规模冠幅测量时的效率。
4、本公开能够准确快速获得树木冠幅面积和尺度，解决现有冠幅测量方法、工具不能适应地形复杂条件下冠幅快速准确测量的问题，解决了不易有效测量大面积冠幅的问题，弥补了现有无人机冠幅测量中受地形影响测量不够准确的问题，提高野外实验调查的工作效率。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本公开实施例提供的利用无人机两次拍摄图像确定无人机位置的高度变化的示意图。
图2为本公开实施例提供的无人机两次拍摄得到的图像示意图。
图3(a)和图3(b)为本公开实施例提供的利用无人机两次拍摄图像确定实际冠幅尺度的示意图。
图4为本公开实施例提供的测量图像中冠幅面积的示意图。
1、无人机；2、连接绳；3、高空参照杆；4、待测树木；5、地面水平参照杆；6、树冠；7、用于计算树冠面积所圈出的多边形。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，在待测树木4下放置地面水平参照杆5(CL＝2-5m)，利用连接绳2(L＝2-5m)连接无人机1和高空参照杆5(l＝1-2m)，操控无人机1，相机视角内出现树冠6全貌，并且连接绳2拉直，高空参照杆3保持水平，越过树冠直至相机视角内出现树冠6全貌，并且连接绳2拉直，待高空参照杆3稳定后，机载摄像头垂直向下拍摄第一张图像，如图1(a)、图3(a)。保持无人机水平方向不动，竖直方向升高Δh＝5-10m的距离，机载摄像头垂直向下拍摄第二张图像，如1(b)、图3(b)。
将拍摄好的图像导入安装有可以测量照片内物体长度和面积的软件(如AutoCAD、ArcGIS等)的计算机，对图像进行处理。
图1(a)中，地面水平参照杆所在平面到无人机摄像头的垂直距离为H1，地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度为C1，在图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比为α1，即
Figure BDA0002306370190000071
图1(b)中，地面水平参照杆所在平面到无人机摄像头的垂直距离为H2，地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度为C2，所以在图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比为α2，即
Figure BDA0002306370190000072
由图2可知，当地面水平参照杆CL投影C1/C2与高空参照杆不在同一直线时
此时：
Figure BDA0002306370190000073
即：
Figure BDA0002306370190000074
Figure BDA0002306370190000075
因此角度θ不影响最后结果的得出，Δh与θ无关。
实际操作过程，可利用量具测量出图像中地面水平参照杆和高空参照杆的长度，计算比值即可求出α1、α2。
图3(a)中，树冠边缘所在平面到无人机摄像头的垂直距离为h1，树冠边缘两点K投影到高空参照杆所在平面中对应长度为K1，且拍摄图像中树冠边缘两点的长度与地面水平参照杆的长度比与树冠边缘两点K投影到高空参照杆所在平面的长度比相等，所以在图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度K1比为β1，即
Figure BDA0002306370190000076
图3(b)中，树冠边缘所在平面到无人机摄像头的垂直距离为h2，树冠边缘两点K投影到高空参照杆所在平面中对应长度为K2，所以在图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度H2比为β2，即
Figure BDA0002306370190000081
Δh与θ无关，由
Figure BDA0002306370190000082
得：
Figure BDA0002306370190000083
实际操作过程，可利用量具测量出图像中任意树冠边缘两点长度和高空参照杆的长度，计算比值即可求出β1、β2。
因此，图3(a)中树冠边缘两点投影到高空参照杆所在平面中对应长度K1与树冠边缘两点实际长度K的比值为
Figure BDA0002306370190000084
所以在图3(a)中测得的冠幅尺度转换为实际冠幅尺度时，需要除以系数λ11，在图3(a)中，紧贴树冠边缘圈出多边形，计算多边形面积，即为图3(a)中的冠幅面积，当将图3(a)中测得的冠幅面积转换为实际冠幅面积时，需要除以系数λ12，其中
Figure BDA0002306370190000085
从而获得冠幅尺度和冠幅面积。
若使用图3(b)中拍摄图像进行测量，树冠边缘两点投影到高空参照杆所在平面中对应长度K1与树冠边缘两点实际长度K的比值为
Figure BDA0002306370190000086
所以在图3(b)拍摄图像中测得的冠幅尺度转换为实际冠幅尺度时，需要除以系数λ21，从而获得冠幅真实尺度；在图3(b)拍摄图像中，紧贴树冠边缘圈出多边形，计算多边形面积，即为图中的冠幅面积，当将图中测得的冠幅面积转换为实际冠幅面积时，需要除以系数λ22，其中
Figure BDA0002306370190000087
从而获得冠幅真实面积。
本测量***假设树冠边缘处于同一平面，这一假设满足多数的树木测量。
本实施例利用AutoCAD、ArcGIS等计算机软件，可以勾勒出复杂的树冠边缘，紧贴树冠边缘圈出用于计算树冠面积所圈出的多边形7，计算多边形面积，即可得到不规则冠幅在图3(a)或者图3(b)中的面积，可以提高图像处理效率。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，包括无人机、高空参照杆、地面水平参照杆以及至少一台与无人机通信连接的处理器，所述无人机上搭载有摄像头，所述高空参照杆通过连接绳挂接在无人机的底部，所述地面水平参照杆设置在待测树木冠幅下方；
测量时，高空参照杆保持水平，无人机越过树冠直至相机视角内出现树冠全貌，连接绳拉直，待高空参照杆稳定后，机载摄像头垂直向下拍摄得到第一图像，保持无人机水平方向不动，竖直方向升高第一距离后，机载摄像头垂直向下拍摄得到第二图像；
处理器分别根据第一图像和第二图像中的高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比计算第一距离，根据第一图像和第二图像中的高空参照杆的长度与任意树冠边缘两点的长度比以及高空参照杆的长度、地面水平参照杆的长度和第一距离得到上述任意树冠边缘两点间的实际长度；
通过计算得到的任意树冠边缘两点间的实际长度、高空参照杆的长度以及第一图像或者第二图像中的高空参照杆的长度与任意树冠边缘两点的长度比，得到第一比例系数和第二比例系数，通过第一系数将第一图像或者第二图像中测量得到的冠幅尺度转换为实际冠幅尺度，通过第二系数将第一图像或者第二图像中测量得到的冠幅面积转换为实际冠幅面积。
2.如权利要求1所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，所述第一距离，具体计算方式为：
Figure FDA0002306370180000011
其中，α1为第一图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比，α2为第二图像中高空参照杆的长度与地面水平参照杆的长度比，l为高空参照杆的长度，CL为地面水平参照杆的长度，L为连接绳的长度。
3.如权利要求2所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，所述α1的计算方法，具体为：
Figure FDA0002306370180000021
其中，C1为第一图像中地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度。
4.如权利要求2所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，
所述α2的计算方法，具体为：
Figure FDA0002306370180000022
其中，C2为第二图像中地面水平参照杆CL投影到高空参照杆所在平面中对应长度。
5.如权利要求2所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，任意树冠边缘两点间的实际长度的计算方式，具体为：
Figure FDA0002306370180000023
其中，β1为第一图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度比，β2为第二图像中高空参照杆的长度与树冠边缘两点的长度比。
6.如权利要求5所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，所述β1的计算方式，具体为；
Figure FDA0002306370180000024
其中，K1为第一图像中树冠边缘两点的长度；
或者，
所述β2的计算方式，具体为；
Figure FDA0002306370180000031
其中，K2为树冠边缘两点的长度。
7.如权利要求5所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，所述第一系数，具体为：
第一图像中：
Figure FDA0002306370180000032
第二图像中：
Figure FDA0002306370180000033
利用在第一图像或者第二图像中量测的冠幅尺度除以第一系数得到实际冠幅尺度。
8.如权利要求5所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，所述第二系数，具体为：
第一图像中：
Figure FDA0002306370180000034
第二图像中：
Figure FDA0002306370180000035
利用在第一图像或者第二图像中量测的冠幅面积除以第二系数得到实际冠幅面积。
9.如权利要求1所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，当地面水平参照杆投影到第一图像或者第二图像中高空参照杆所在平面，且投影与高空参照杆不在同一直线时，相互之间的夹角不影响第一距离的计算结果。
10.如权利要求1所述的利用无人机准确快速测量树木冠幅的***，其特征在于，利用处理器中搭载的图像处理软件勾勒出第一图像或者第二图像中的树冠边缘，紧贴树冠边缘圈出多边形，计算多边形面积，得到不规则冠幅在第一图像或者第二图像中的面积。
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