立體視覺技術(shù)在森林資源調(diào)查的應(yīng)用

潘文君

摘 要：將立體視覺技術(shù)應(yīng)用在森林資源的調(diào)查和統(tǒng)計過程之中可以較為高效的完成對測量地區(qū)森林資源數(shù)量的調(diào)查，且其高分辨率的遙感圖像也提供了一種新的沿林森林資源動態(tài)變化的因素。從森林資源調(diào)查的實(shí)際情況出發(fā)，介紹了立體視覺技術(shù)在調(diào)查工作之中的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：立體視覺技術(shù)；森林資源調(diào)查；應(yīng)用

一、立體視覺技術(shù)在森林資源調(diào)查之中的應(yīng)用價值

當(dāng)前我國為了提升林業(yè)資源調(diào)查工作的進(jìn)行效率，開始在國內(nèi)推行數(shù)字林業(yè)建設(shè)。其建設(shè)的一大目的就是建立高分辨率的林業(yè)影像數(shù)據(jù)資源，以用來進(jìn)行資源動態(tài)分析和調(diào)查。調(diào)查人員可以利用相機(jī)等成像設(shè)備對調(diào)查區(qū)域進(jìn)行有計劃的攝影，獲得該地區(qū)森林資源的影像數(shù)據(jù)，這些影像數(shù)據(jù)可以和遙感技術(shù)的測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)而組成立體化的林業(yè)資源影像數(shù)據(jù)。這種調(diào)查方法可以有效的減少在傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查過程之中為了獲取林業(yè)樹木的樹高、樹木數(shù)量等信息而使用的人力物力，提升了檢測的精確度和自動化程度，將立體化視覺技術(shù)應(yīng)用在森林資源的調(diào)查之中可以有效提升調(diào)查工作的準(zhǔn)確度。

1、立體視覺概述

立體視覺是指在對場景的攝影過程之中，攝影人員通過兩個或是兩個以上的攝影視角來觀察同一個場景，從而獲得同一物體現(xiàn)在不同視角下的圖像，之后再通過三角計算的方式阿里確定不同視角之下物體的視差，進(jìn)而對場景之中物體的位置進(jìn)行判斷。在當(dāng)前的社會建設(shè)過程之中，立體視覺技術(shù)主要是用用在遙感圖像分析、醫(yī)學(xué)圖像處理、身份驗(yàn)證等領(lǐng)域，且取得了相當(dāng)好的時間效果。林業(yè)管理部門為了提升森林資源調(diào)查過程之中的效率，降低工作內(nèi)的支出，也開始將立體視覺技術(shù)應(yīng)用到了林業(yè)調(diào)查之中，技術(shù)人員可以根據(jù)對調(diào)查區(qū)域不同視角的攝影圖像來判斷區(qū)域內(nèi)的樹木分布以及樹木的數(shù)量變化情況，對于森林資源調(diào)查工作的進(jìn)行質(zhì)量有提高作用。

2、立體視覺在森林資源調(diào)查之中的應(yīng)用價值

立體視覺技術(shù)在使用過程之中主要是通過模仿人類視覺的方式來對被測量地區(qū)的森林資源的立體信息進(jìn)行采集，在實(shí)際使用過程之中其主要的特點(diǎn)是測量之中工作量較低，可以獲得的森林資源的信息量大。我國當(dāng)前為了推進(jìn)林業(yè)資源的保護(hù)和建設(shè)工作，一般會定期進(jìn)行針對地區(qū)的森林資源調(diào)查和動態(tài)變化分析，將立體視覺技術(shù)引入森林資源調(diào)查領(lǐng)域可以有效提升調(diào)查工作的進(jìn)行效率，使得獲取的資源信息更為直觀且易于理解。

二、以立體視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的森林資源調(diào)查系統(tǒng)的組成

以立體視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的森林資源調(diào)查系統(tǒng)主要是將立體視覺技術(shù)應(yīng)用到了森林資源的調(diào)查之中。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，技術(shù)人員一般將立體視覺系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件系統(tǒng)主要是指攝影部分，這一部分的設(shè)備在調(diào)查過程之中會從多個視角使用光學(xué)攝影機(jī)或是用于林業(yè)資源調(diào)查的其他種類攝像機(jī)來拍攝調(diào)查區(qū)域內(nèi)部的林業(yè)資源，獲取在不同的拍攝視角之下的林木資源圖像，并將所得的圖像上傳至調(diào)查系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析中心之中。對于數(shù)據(jù)和圖像的分析過程主要是由調(diào)查系統(tǒng)的軟件部分來完成，在完成不同的視角之下的森林資源的攝影之后，軟件梓潼會使用立體匹配技術(shù)來完成樹木和立體像的對應(yīng)匹配，完成匹配之后會通過三維重建來獲取樹木的實(shí)際信息，進(jìn)而計算該地區(qū)的林業(yè)調(diào)查因子數(shù)據(jù)。林業(yè)立體視覺測量系統(tǒng)一般包括圖像獲取、攝像機(jī)的標(biāo)定、特征提取、立體匹配、三維重建以及林分調(diào)查因子等六大部分，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1、圖像獲取

在立體視覺調(diào)查研究過程之中，用作圖像獲取方式的技術(shù)是多樣的，鑒于調(diào)查區(qū)域在調(diào)查時間和環(huán)境上的不同，技術(shù)人員會選擇不同的圖像獲取方式，以便于取得最佳的調(diào)查結(jié)果。在圖像獲取方式的選擇過程之中，可以用于考慮的因素包括被調(diào)查區(qū)域的森林資源的面積、圖像拍攝時間、環(huán)境光照情況以及攝像機(jī)的實(shí)際參數(shù)。在圖像獲取的過程之中，由于場景的復(fù)雜程度對于物體成像的影響，在實(shí)際測量時技術(shù)人員需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境對攝像機(jī)的位置以及攝像方式進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)查工作的進(jìn)行過程之中，工程人員首先需要獲取待調(diào)查區(qū)域的人造物體的圖像，將其進(jìn)行記錄。在實(shí)際測量之中，技術(shù)人員也可以使用全站儀等儀器來測定森林的林分調(diào)查因子，并以此來對調(diào)查結(jié)果的精確程度進(jìn)行檢驗(yàn)。

2、攝像機(jī)標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定的目的是根據(jù)已知的若干匹配點(diǎn)由對當(dāng)?shù)厣仲Y源分布計算來確定攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系.攝像機(jī)標(biāo)定需要確定內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。一般在調(diào)查過程之中，工程人員會采用基于度量誤差模型的攝像機(jī)標(biāo)定方案，即首先由最小二乘法計算投影矩陣，然后從投影矩陣中分解出參數(shù)作為進(jìn)一步計算的初始值，最后考慮投影矩陣中的約束條件及圖像坐標(biāo)的誤差結(jié)構(gòu)，由度量誤差模型優(yōu)化參數(shù)。

3、特征提取

在應(yīng)用立體視覺技術(shù)進(jìn)行森林資源調(diào)查時，特征提取過程就是從立體像對中提取匹配基元的過程.由于實(shí)際拍攝的圖像中不可避免地存在光度學(xué)和幾何學(xué)的畸變，所以選擇匹配基元時要考慮基元的穩(wěn)定性和敏感性.針對森林資源調(diào)查中的具體問題，主要特征為點(diǎn)特征和邊緣特征.點(diǎn)特征主要指明顯點(diǎn)，如角點(diǎn)、樹皮紋理線的交點(diǎn)、樹枝的稍部等.提取點(diǎn)特征的算子常用的有Moravec算子、Forstner算子、形態(tài)學(xué)確定拐點(diǎn)方法.我國在森林資源調(diào)查之中一般采用Forstner算子.邊緣特征主要指的是樹干的邊緣.同時還能檢測出邊緣的方向，這非常有利于立體匹配。

4、立體匹配

立體匹配是尋求同一空間景物在不同視點(diǎn)下投景圖像的對應(yīng)點(diǎn)間的一一對應(yīng)關(guān)系.與普通的圖像模板匹配不同，立體匹配是在兩幅存在視點(diǎn)差異、幾何、灰度畸變和噪聲干擾的圖像間進(jìn)行的，這無疑是十分困難的.根據(jù)林業(yè)環(huán)境下圖像的特點(diǎn)，我國提出了外極線約束和邊緣約束下的人機(jī)交互式的相關(guān)匹配策略。

三、結(jié)語

本文給出了立體視覺技術(shù)應(yīng)用于森林資源調(diào)查的算法、步驟，同時以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，初步驗(yàn)證了立體視覺技術(shù)測定樹木胸徑和樹木點(diǎn)位所能達(dá)到的精度水平.結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，立體視覺技術(shù)測定的樹木胸徑和點(diǎn)位圖基本能夠滿足森林資源調(diào)查的精度要求，同時大大減輕了森林調(diào)查的外業(yè)勞動強(qiáng)度以及調(diào)查過程中人對環(huán)境的破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王天珍.計算機(jī)視覺研究進(jìn)展.武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，20（1）：23—27

[2] 應(yīng)義斌，傅賓忠，蔣亦元，等.機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化中的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 1999，15（3）：199—203