CN112762790A - 一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法 - Google Patents

一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法 Download PDF

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Abstract

一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，属于计算机及森林测量技术领域。通过在三维场景中构建摄像机、在三维场景中构建刻度尺、计算摄像机到树干距离、更新计算刻度尺空间坐标和给定树冠宽度计算方法，实现不同高度树冠宽度的测量。本发明的优点是：可在不直接接触树木的情况下，利用一把刻度尺，便捷地、高精度地测量不同高度的树冠宽度，为掌握树木冠形特征、测算树冠表面积和体积、定量化了解树木生长状况提供有效的技术支撑。

Description

一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法
技术领域
本发明涉及一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，属于计算机及森林测量技术领域。
背景技术
树冠是表征树木形态的重要指标，树冠大小是反映树木健康程度和竞争能力的重要特征参数。获取不同高度树冠宽度特征对于掌握树木生长状况具有重要意义。
常见的不同高度树冠宽度测量方法有：(1)伐倒树木直接测量；(2)利用精密仪器设备测量，如全站仪、三维激光扫描仪、背包式激光雷达等高精度测量设备；(3)利用测高杆或测高仪和皮尺或塔尺相结合测量。以上方法可对不同高度处树冠宽度进行测量，但同时也存在如下问题：(1)第一种方法为有损测量，需要伐倒树木进行测量；(2)第二种方法对仪器设备的要求较高，测量过程、数据处理和因子提取流程较为复杂，需要具备相关专业知识和较高业务能力；(3)第三种方法是通过简单仪器的相互配合实现测量，但当树高值较大时，测量的准确性和稳定性无法有效保证，使得该方法测量结果精度较低。综合以上问题发现，提出一种无损的、便捷的、高精度的树木不同高度树冠宽度测量方法是很有必要的。
三维虚拟仿真技术是新产品生产或新方法研发常用的试验或测试手段，可为产品或方法的现实世界应用提供有效的保障。利用三维虚拟仿真技术优势，将三维虚拟仿真技术与树冠宽度测量方法相结合，提出一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，实现在三维虚拟场景中对不同高度树冠宽度的有效测量，可为解决现实树冠实际测量存在的问题提供创新思路和技术参考。
发明内容
为了克服现有技术的不足，针对现有不同高度树冠宽度测量方法存在的有损、复杂、精度不稳定等问题，将三维虚拟仿真技术与树冠宽度测量要求相结合，在三维虚拟场景中提出一种不同高度树冠宽度测量方法，实现不同高度树冠宽度的无损、便捷、高精度测量，为改善现实树冠宽度测量方法提供参考，提高不同高度树冠宽度的测量水平。
一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法,含有以下步骤：在三维场景中构建摄像机、在三维场景中构建刻度尺、计算摄像机到树干距离、更新计算刻度尺空间坐标和计算树冠宽度。
第一步、在三维虚拟场景中创建摄像机，摄像机坐标设置为(X,Y,Z)，朝向树木，使得树木整体可见；
第二步、在三维虚拟场景中构建一把尺寸为M cm的刻度尺，刻度尺在摄像机视野内居中放置，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为A m；
第三步、在三维虚拟场景中设置一球状物体从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向，向树木主干处水平匀速移动，匀速移动速度为V m/s；记录球体碰撞到树干所用时间，所用时间计为T s；由此，计算摄像机到树干的水平距离S，S＝V×T，单位为m；
第四步、当测量树木高度H处的树冠宽度时，刻度尺的坐标相对于摄像机坐标更新为(0，A×sin(arctan((H-Y)/S))，A×cos(arctan((H-Y)/S))，H-Y为树木高度H数值减去摄像机Y轴坐标值；
第五步、从摄像机位置分别向树木高度H处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点；如两圆柱体与刻度尺无交点，则调整第二步中M与A值；计算树木高度H处树冠宽度C，单位为m，C＝(S/cos(arctan((H-Y)/S)))×D/A，其中，D为在摄像机处读出的树冠宽度映射到刻度尺的数值，即E、F空间距离，单位为m。
本发明的优点是：可在不直接接触树木的情况下，利用一把刻度尺，便捷地、高精度地测量不同高度的树冠宽度，为掌握树木冠形特征、测算树冠表面积和体积、定量化了解树木生长状况提供有效的技术支撑。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明的场景内构建摄像机示意图。
图2为本发明的场景内构建刻度尺示意图。
图3为本发明的场景内树冠宽度测量示意图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
实施例1：一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、利用Unity三维开发引擎(Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎)，搭建一个含有树木的三维虚拟场景；创建一个摄像机，摄像机的坐标设置为(0，1.5，0)，朝向树木并使树木整体可见，如图1所示。摄像机空间坐标可针对树木具***置状况进行适当调整和设定；
步骤2)、在上述三维虚拟场景中构建一把50.0cm刻度尺，居中放置在摄像机视野内，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为0.5m，如图2所示；
步骤3)、在上述三维虚拟场景中设置一球状物体，使其从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向以6.0m/s速度，匀速向树木主干处水平移动，球体碰撞到树干所用时间为2.0s。计算摄像机到树干水平距离为12.0m；
步骤4)、当测量树木高度9.0m处的树冠宽度时，刻度尺坐标相对于摄像机的坐标更新为(0，0.26，0.42)；
步骤5)、从摄像机位置分别向树木高度9.0m处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点。计算树木高度9.0m处树冠宽度C，单位为m，C＝(12.0/cos(arctan((9.0-1.5)/12.0)))×D/0.5＝3.9，其中，D为E、F两点空间距离，该值为0.138m，如图3所示。
至此，完成该高度树冠宽度测量。
实施例2：一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、利用Unity三维开发引擎(Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎)，搭建一个含有树木的三维虚拟场景；创建一个摄像机，摄像机的坐标设置为(0，1.5，0)，朝向树木并使树木整体可见。摄像机空间坐标可针对树木具***置状况进行适当调整和设定；
步骤2)、在上述三维虚拟场景中构建一把50.0cm刻度尺，居中放置在摄像机视野内，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为0.5m；
步骤3)、在上述三维虚拟场景中设置一球状物体，使其从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向以6.0m/s速度，匀速向树木主干处水平移动，球体碰撞到树干所用时间为2.0s。计算摄像机到树干水平距离为12.0m；
步骤4)、当测量树木高度6.0m处的树冠宽度时，刻度尺坐标相对于摄像机的坐标更新为(0，0.18，0.47)；
步骤5)、从摄像机位置分别向树木高度6.0m处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点。计算树木高度6.0m处树冠宽度C，单位为m，C＝(12.0/cos(arctan((6.0-1.5)/12.0)))×D/0.5＝2.7，其中，D为E、F两点空间距离，该值为0.105m。
至此，完成该高度树冠宽度测量。
实施例3：一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、利用Unity三维开发引擎(Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎)，搭建一个含有树木的三维虚拟场景；创建一个摄像机，摄像机的坐标设置为(0，1.5，0)，朝向树木并使树木整体可见。摄像机空间坐标可针对树木具***置状况进行适当调整和设定；
步骤2)、在上述三维虚拟场景中构建一把50.0cm刻度尺，居中放置在摄像机视野内，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为0.5m；
步骤3)、在上述三维虚拟场景中设置一球状物体，使其从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向以6.0m/s速度，匀速向树木主干处水平移动，球体碰撞到树干所用时间为2.0s。计算摄像机到树干水平距离为12.0m；
步骤4)、当测量树木高度7.0m处的树冠宽度时，刻度尺坐标相对于摄像机的坐标更新为(0，0.21，0.45)；
步骤5)、从摄像机位置分别向树木高度7.0m处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点。计算树木高度7.0m处树冠宽度C，单位为m，C＝(12.0/cos(arctan((7.0-1.5)/12.0)))×D/0.5＝4.0，其中，D为E、F两点空间距离，该值为0.152m。
至此，完成该高度树冠宽度测量。
实施例4：一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、利用Unity三维开发引擎(Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎)，搭建一个含有树木的三维虚拟场景；创建一个摄像机，摄像机的坐标设置为(0，1.5，0)，朝向树木并使树木整体可见。摄像机空间坐标可针对树木具***置状况进行适当调整和设定；
步骤2)、在上述三维虚拟场景中构建一把50.0cm刻度尺，居中放置在摄像机视野内，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为0.5m；
步骤3)、在上述三维虚拟场景中设置一球状物体，使其从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向以6.0m/s速度，匀速向树木主干处水平移动，球体碰撞到树干所用时间为2.0s。计算摄像机到树干水平距离为12.0m；
步骤4)、当测量树木高度8.0m处的树冠宽度时，刻度尺坐标相对于摄像机的坐标更新为(0，0.24，0.44)；
步骤5)、从摄像机位置分别向树木高度8.0m处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点。计算树木高度8.0m处树冠宽度C，单位为m，C＝(12.0/cos(arctan((8.0-1.5)/12.0)))×D/0.5＝4.2，其中，D为E、F两点空间距离，该值为0.154m。
至此，完成该高度树冠宽度测量。
实施例5：一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，包括以下步骤：
步骤1)、利用Unity三维开发引擎(Unity Technologies研发的跨平台2D/3D游戏引擎)，搭建一个含有树木的三维虚拟场景；创建一个摄像机，摄像机的坐标设置为(0，1.5，0)，朝向树木并使树木整体可见。摄像机空间坐标可针对树木具***置状况进行适当调整和设定；
步骤2)、在上述三维虚拟场景中构建一把50.0cm刻度尺，居中放置在摄像机视野内，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为0.5m；
步骤3)、在上述三维虚拟场景中设置一球状物体，使其从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向以6.0m/s速度，匀速向树木主干处水平移动，球体碰撞到树干所用时间为2.0s。计算摄像机到树干水平距离为12.0m；
步骤4)、当测量树木高度10.0m处的树冠宽度时，刻度尺坐标相对于摄像机的坐标更新为(0，0.29，0.41)；
步骤5)、从摄像机位置分别向树木高度10.0m处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点。计算树木高度10.0m处树冠宽度C，单位为m，C＝(12.0/cos(arctan((10.0-1.5)/12.0)))×D/0.5＝3.2，其中，D为E、F两点空间距离，该值为0.109m。
至此，完成该高度树冠宽度测量。
5组树冠宽度测量值与真值对比如表1所示。
表1树冠宽度测量值与真值对比
序号 高度 测量值 真值 相对误差
1 6.0m 2.7 2.6 3.8％
2 7.0m 4.0 4.1 2.4％
3 8.0m 4.2 4.0 5.0％
4 9.0m 3.9 4.0 2.5％
5 10.0m 3.2 3.3 3.0％
由表1发现，利用该方法得到的测量值与真值的平均相对误差为3.34％，测量的可信程度较高，可利用该方法进行树木不同高度处树冠宽度测量。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，其特征在于含有以下步骤：在三维场景中构建摄像机、在三维场景中构建刻度尺、计算摄像机到树干距离、更新计算刻度尺空间坐标和计算树冠宽度。
2.根据权利要求1所述的一种三维虚拟场景中树冠宽度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、在三维虚拟场景中创建摄像机，摄像机坐标设置为(X,Y,Z)，朝向树木，使得树木整体可见；
第二步、在三维虚拟场景中构建一把尺寸为M cm的刻度尺，刻度尺在摄像机视野内居中放置，且与摄像机本地X轴平行、距摄像机垂直距离为Am；
第三步、在三维虚拟场景中设置一球状物体从摄像机位置沿摄像机本地Z轴方向，向树木主干处水平匀速移动，匀速移动速度为V m/s；记录球体碰撞到树干所用时间，所用时间计为T s；由此，计算摄像机到树干的水平距离S，S＝V×T，单位为m；
第四步、当测量树木高度H处的树冠宽度时，刻度尺的坐标相对于摄像机坐标更新为(0，A×sin(arctan((H-Y)/S))，A×cos(arctan((H-Y)/S))，H-Y为树木高度H数值减去摄像机Y轴坐标值；
第五步、从摄像机位置分别向树木高度H处树冠左右边缘构建连接两点的圆柱体，两圆柱体与刻度尺分别相交于E、F两点；两圆柱体与刻度尺无交点，则调整第二步中M与A值；计算树木高度H处树冠宽度C，单位为m，C＝(S/cos(arctan((H-Y)/S)))×D/A，其中，D为在摄像机处读出的树冠宽度映射到刻度尺的数值，即E、F空间距离，单位为m。
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