基于單張影像的樹木量測模塊設(shè)計模板

1、基于單張影像的樹木量測模塊設(shè)計安晨玥1 安軍2 （1.陜西師范大學(xué) 陜西西安 710054 2.煤航（香港）有限公司 中國香港 999077 ）摘 要：本文通過對現(xiàn)有樹木測量方法的調(diào)查，創(chuàng)新性的提出了一個生物學(xué)假設(shè)，利用現(xiàn)有資料中的樹木調(diào)查照片，提出了一種簡單易行的基于生物學(xué)假設(shè)和像素一致性的單張影像樹木量測方法，該方法目前已經(jīng)在實際作業(yè)中開始進行實驗性應(yīng)用。關(guān)鍵詞：樹木測量 生物學(xué)假設(shè) 像素一致性 1 引言樹木測量與評估是一項大型工程實施前必須進行的工作，以確定工程范圍內(nèi)樹木的數(shù)量、種類、生長狀況等信息，從而制定相應(yīng)的工程計劃，評估工程對于樹木的影響，制定相應(yīng)的樹木保護方案。筆者在參與煤航（

2、香港）有限公司與武漢東之友道信息技術(shù)有限公司聯(lián)合進行樹木測量系統(tǒng)的開發(fā)工作中，提出了“樹木生長一般是圍繞根部進行，樹木可以歪斜，但是進行投影后，根部一般都處于投影的中心面上！”的生物學(xué)假設(shè)，配合標(biāo)牌尺寸、像素一致性等隱含條件挖掘，可以使核心算法的難度大幅降低，效率大幅提升，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，經(jīng)成果對比測試，獲得了較好的效果。2 現(xiàn)有樹木測量方法介紹常規(guī)的樹木測量與評估主要針對樹木的位置、胸徑、樹高、樹冠、品種等展開，在某些特殊的項目中，還需要進行樹木生長狀況、可移植性等更加專業(yè)的評估工作。其中樹木測量主要包含：樹木位置測量、樹木調(diào)查和樹種評估三個工序（其樹木量測流程圖見圖1）。樹木位置一般

3、由樹木測量組采用專業(yè)的測量儀器如全站儀進行量測，樹木評估一般由樹木評估組根據(jù)樹木調(diào)查組拍攝的照片，由專門的園藝師進行辨識，均是比較成熟可靠的。唯獨樹木調(diào)查組，對于樹高、樹冠的測量一般采用目估法，存在較大的誤差。對于胸徑的測量采用鋼尺丈量法，量測直徑或者周長，但是樹木測量中，樹木胸徑的量測位置要求在根部向上1.3米處量取，當(dāng)樹木在1.3米以下就出現(xiàn)分叉等復(fù)雜情況時，很容易由于現(xiàn)場人員的判斷失誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)重大錯誤，非常不利于質(zhì)量控制的開展。樹木調(diào)查組（2人）樹木測量組（3人）樹木評估組（2人）樹木拍照、樹種評估樹木位置坐標(biāo)量測樹木標(biāo)牌懸掛、胸徑、樹高、樹冠量測圖1 現(xiàn)有樹木測量流程圖為了解決現(xiàn)

4、有方法存在的缺陷，必須首先對于現(xiàn)有樹木量測的作業(yè)流程及作業(yè)成果有詳細的了解。在現(xiàn)有的組織流程中，一般由樹木調(diào)查組首先進行標(biāo)牌的懸掛和相關(guān)數(shù)據(jù)的量測工作，而后樹木測量組和樹木評估組各自獨立進行工作，以樹木標(biāo)牌作為數(shù)據(jù)合并的基礎(chǔ)。樹木測量組一般配置3人，采用全站儀通過導(dǎo)線測量的方式獲取樹木的位置信息；樹木調(diào)查組一般配置2人，完成樹木標(biāo)牌的懸掛，并采用鋼尺及目估法獲取胸徑、樹高、樹冠等樹木信息；樹木評估組一般配置2人，其中1人負責(zé)樹木影像的獲取，另外1人負責(zé)樹種的評估。獲得的過程資料有：導(dǎo)線原始記錄、野外量測記錄、樹木像片。提交的成果包括相關(guān)的工作報告、原始記錄、樹木成果表（如圖2）、樹木影像表（如

5、圖3）。圖2 樹木成果表（資料來源：煤航（香港）有限公司）圖3 樹木影像表（資料來源：煤航（香港）有限公司） 3 基于單張像片量測的樹木測量方法 如果可以有一種方法可以利用樹木評估組拍攝的像片進行樹木胸徑、樹高、樹冠的量測，那么在提高數(shù)據(jù)準確度的同時，還能夠獲取直接的質(zhì)量控制證據(jù)。將費時費力的野外胸徑、樹高、樹冠的量測，轉(zhuǎn)化到室內(nèi)進行，將樹木標(biāo)牌懸掛和樹木拍照同步進行，將在降低室外工作量的同時，解決現(xiàn)有方案中質(zhì)量控制的不足，大幅提升工作效率與成果、報告的質(zhì)量。由于野外拍攝的樹木照片都是單張像片，因此必須研究一種基于單張影像的樹木量測方法，并且完善成為樹木量測系統(tǒng)，才能將這樣的構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實。經(jīng)過

6、項目組科技工作者的共同努力，順利完成了單張像片的樹木量測模塊開發(fā)，從而形成新的基于單張像片量測的樹木測量流程圖（如圖4），樹木評估組與樹木測量組之間的成果通過樹木標(biāo)牌進行合并和鏈接。樹木評估組（2人）樹木測量組（3人）樹木標(biāo)牌懸掛、樹木拍照；室內(nèi)樹木胸徑、樹高、樹冠量測、樹種評估樹木位置坐標(biāo)量測圖4 基于單張像片量測的樹木測量流程圖3.1 單張像片樹木量測原理 由于拍攝的單張像片是中心投影，根據(jù)投影變換的原理，雖然像片上每個像素的大小是一定的，但是每一個像素對應(yīng)實地物體的大小，卻是隨著物體距投影中心的遠近和方位而不同。由于樹木生長的不規(guī)則性，如果需要準確量測樹冠的大小，除了需要有單張像片的量測

7、算法外，還需要有多張不同角度的像片進行量測，這個也是項目組科技工作者面臨的一項重要挑戰(zhàn)。隨著“樹木的生長一般是圍繞根部進行，樹木可以歪斜，但是進行投影后，根部一般都處于投影的中心面上！”的生物學(xué)假設(shè)的提出，在一張單張像片上，樹冠的大小與懸掛在樹干上的樹木標(biāo)牌，其投影面的差距一般只有：樹木胸徑的1/2（樹木半徑）+樹木標(biāo)牌距根部的投影距離。 由于每個公司的樹木標(biāo)牌雖然大小不一，制作方法不同，但是一個公司的標(biāo)牌大小是統(tǒng)一的（也可以在生產(chǎn)流程中規(guī)定進行統(tǒng)一）。同時，由于數(shù)碼像片在存儲時采用的是矩陣結(jié)構(gòu)，因此一張數(shù)碼像片上每一個像素大小是一樣的（像素一致性）。因此，拍攝兩張包含樹木標(biāo)牌的不同角度的照片

8、，通過圖像識別，提取出這個物體，并且根據(jù)這個物體在數(shù)碼像片中像素存儲的情況，可以計算出一個像素在這個物體所在平面對應(yīng)的實地大小。利用投影變換和相似三角形原理，求解出被測物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用迭代趨近的方法，就能夠非常準確的獲得樹木的樹冠、胸徑、樹高等樹木生長信息數(shù)據(jù)。 經(jīng)過項目公司野外大量野外測量數(shù)據(jù)的驗證，上述方法的精度穩(wěn)定，完全滿足樹木測量規(guī)范的要求，生物學(xué)假設(shè)成立，核心算法高效可靠。 3.2 基于單張影像的樹木量測系統(tǒng)簡介核心算法驗證完成后，結(jié)合新的基于單張影像的樹木量測生產(chǎn)技術(shù)流程，經(jīng)過項目組科技人員的開發(fā)，形成了基于單張影像的樹木量測系統(tǒng)，配合樹木標(biāo)牌與樹木測量組的樹木位置信息自動融合

9、，形成了樹木成果表和樹木影像表的自動編制，極大的提升了工作的效率。系統(tǒng)的基本功能模塊如下： ü 影像導(dǎo)入模塊：用于導(dǎo)入樹木評估組拍攝的樹木影像；ü 樹木標(biāo)牌識別模塊：自動識別懸掛的樹木標(biāo)牌，并提供人工勾選功能，在自動識別失敗或不正確時予以使用；ü 胸徑量測模塊：自動識別樹木根部，并根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，在樹木根部向上1.3米 顯示一根標(biāo)識線，同時可視化的顯示自動量測的樹木胸徑位置。如果由于像片質(zhì)量的問題，自動識別的胸徑位置不正確，可以可視化人工編輯，直至正確為止；ü 樹高量測模塊：自動可視化顯示樹木根部和頂部的點及連線，提供可視化編輯功能；ü 樹冠測量

10、模塊：自動可視化顯示樹冠邊界點及連線，提供可視化編輯功能；ü 成果輸出模塊：自動完成與樹木測量組數(shù)據(jù)的融合，輸出標(biāo)準格式的樹木影像表和數(shù)據(jù)成果表；系統(tǒng)提供了大量可視化編輯功能，通過圖像識別技術(shù)的充分應(yīng)用，極大提升了室內(nèi)工作的效率以及成果的質(zhì)量。4 系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析需求是創(chuàng)新之本，評估一個研發(fā)的經(jīng)濟效益，必須首先評估其市場容量與市場前景。作為一個企業(yè)的科技研發(fā)，如果研發(fā)的技術(shù)沒有市場的需求，沒有市場的容量，那么這樣的創(chuàng)新是無源之水，沒有可持續(xù)性，也不可能為企業(yè)帶來真正的經(jīng)濟效益。樹木測量，在香港已經(jīng)是一個工程開展前必須進行的常規(guī)工作，根據(jù)統(tǒng)計，前期規(guī)劃、可行性研究、設(shè)計等工程前期工作，

11、在一個工程的造價占比約1%，其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量服務(wù)在工程前期工作中的占比約為10%，查閱”香港特別行政區(qū)政府20162017年度政府財政預(yù)算案，20162017年度基本工程開支預(yù)算790億港幣，據(jù)此測算，工程前期工作的市場容量約為7.9億港幣，對應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測量服務(wù)的市場容量約為7900萬港幣。根據(jù)香港基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)的龍頭企業(yè)煤航（香港）有限公司近三年收入的分析，樹木測量與地形測量的業(yè)務(wù)收入比例約1：1，據(jù)此推算，樹木測量行業(yè)的年度市場容量約為3950萬港幣，對比已經(jīng)高度成熟、競爭激烈的地形測量業(yè)務(wù)，樹木測量業(yè)務(wù)是公司未來發(fā)展的重點方向。國內(nèi)樹木測量市場，目前剛剛起步，僅僅嘗試應(yīng)用于名貴古樹保護之

12、中，距離達到工程常規(guī)工作尚有差距，隨著國家環(huán)境保護力度的加強，以及人們環(huán)境意識的提升，樹木保護和樹木測量將會越來越得到更多的重視，并逐步體現(xiàn)在工程的前期工作當(dāng)中，樹木測量具有較大的發(fā)展前景和爆發(fā)式增長的潛力，市場容量較大，市場前景良好，樹木量測系統(tǒng)的研發(fā)對公司具有極高的戰(zhàn)略價值和經(jīng)濟效益。通過“基于單張像片的樹木量測系統(tǒng)”的工作流程圖（圖4）與現(xiàn)有的樹木量測工作流程圖（圖1）對比，可以清晰的發(fā)現(xiàn)，在同一個工程中，室外作業(yè)人員的數(shù)量由7人縮減為5人，直接降低作業(yè)成本28.6%。同時，由于樹木量測系統(tǒng)中大量使用了基于圖像識別技術(shù)的自動可視化編輯技術(shù)，在提升數(shù)據(jù)報告質(zhì)量的同時，根據(jù)公司內(nèi)部測試及實驗應(yīng)用的統(tǒng)計分析，室內(nèi)數(shù)據(jù)報告整理的效率提升約45%，不考慮由于數(shù)據(jù)報告質(zhì)量及服務(wù)提升給公司市場營銷工作帶來的品牌、工期、價格等無形收益，成本綜合效益提升約35%，使得公司在現(xiàn)有樹木測量市場的競爭中具備了較大的競爭優(yōu)勢，樹木量測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益非常明顯。5 結(jié)束語研發(fā)完成的基于單張影像的樹木量測系統(tǒng)，已經(jīng)在香港的房屋、工程、規(guī)劃等領(lǐng)域的樹木測量工作中開始了實驗性應(yīng)用，并取得了非常良好的經(jīng)濟和社會效益。一個被大家忽略的生物學(xué)知識，使得整個系統(tǒng)的算