基于单张影像的树木量测模块设计模板

1、基于单张影像的树木量测模块设计安晨玥1 安军2 （1.陕西师范大学 陕西西安 710054 2.煤航（香港）有限公司 中国香港 999077 ）摘 要：本文通过对现有树木测量方法的调查，创新性的提出了一个生物学假设，利用现有资料中的树木调查照片，提出了一种简单易行的基于生物学假设和像素一致性的单张影像树木量测方法，该方法目前已经在实际作业中开始进行实验性应用。关键词：树木测量 生物学假设 像素一致性 1 引言树木测量与评估是一项大型工程实施前必须进行的工作，以确定工程范围内树木的数量、种类、生长状况等信息，从而制定相应的工程计划，评估工程对于树木的影响，制定相应的树木保护方案。笔者在参与煤航（

2、香港）有限公司与武汉东之友道信息技术有限公司联合进行树木测量系统的开发工作中，提出了“树木生长一般是围绕根部进行，树木可以歪斜，但是进行投影后，根部一般都处于投影的中心面上！”的生物学假设，配合标牌尺寸、像素一致性等隐含条件挖掘，可以使核心算法的难度大幅降低，效率大幅提升，降低了系统开发的难度，经成果对比测试，获得了较好的效果。2 现有树木测量方法介绍常规的树木测量与评估主要针对树木的位置、胸径、树高、树冠、品种等展开，在某些特殊的项目中，还需要进行树木生长状况、可移植性等更加专业的评估工作。其中树木测量主要包含：树木位置测量、树木调查和树种评估三个工序（其树木量测流程图见图1）。树木位置一般

3、由树木测量组采用专业的测量仪器如全站仪进行量测，树木评估一般由树木评估组根据树木调查组拍摄的照片，由专门的园艺师进行辨识，均是比较成熟可靠的。唯独树木调查组，对于树高、树冠的测量一般采用目估法，存在较大的误差。对于胸径的测量采用钢尺丈量法，量测直径或者周长，但是树木测量中，树木胸径的量测位置要求在根部向上1.3米处量取，当树木在1.3米以下就出现分叉等复杂情况时，很容易由于现场人员的判断失误，导致数据出现重大错误，非常不利于质量控制的开展。树木调查组（2人）树木测量组（3人）树木评估组（2人）树木拍照、树种评估树木位置坐标量测树木标牌悬挂、胸径、树高、树冠量测图1 现有树木测量流程图为了解决现

4、有方法存在的缺陷，必须首先对于现有树木量测的作业流程及作业成果有详细的了解。在现有的组织流程中，一般由树木调查组首先进行标牌的悬挂和相关数据的量测工作，而后树木测量组和树木评估组各自独立进行工作，以树木标牌作为数据合并的基础。树木测量组一般配置3人，采用全站仪通过导线测量的方式获取树木的位置信息；树木调查组一般配置2人，完成树木标牌的悬挂，并采用钢尺及目估法获取胸径、树高、树冠等树木信息；树木评估组一般配置2人，其中1人负责树木影像的获取，另外1人负责树种的评估。获得的过程资料有：导线原始记录、野外量测记录、树木像片。提交的成果包括相关的工作报告、原始记录、树木成果表（如图2）、树木影像表（如

5、图3）。图2 树木成果表（资料来源：煤航（香港）有限公司）图3 树木影像表（资料来源：煤航（香港）有限公司） 3 基于单张像片量测的树木测量方法 如果可以有一种方法可以利用树木评估组拍摄的像片进行树木胸径、树高、树冠的量测，那么在提高数据准确度的同时，还能够获取直接的质量控制证据。将费时费力的野外胸径、树高、树冠的量测，转化到室内进行，将树木标牌悬挂和树木拍照同步进行，将在降低室外工作量的同时，解决现有方案中质量控制的不足，大幅提升工作效率与成果、报告的质量。由于野外拍摄的树木照片都是单张像片，因此必须研究一种基于单张影像的树木量测方法，并且完善成为树木量测系统，才能将这样的构想变为现实。经过

6、项目组科技工作者的共同努力，顺利完成了单张像片的树木量测模块开发，从而形成新的基于单张像片量测的树木测量流程图（如图4），树木评估组与树木测量组之间的成果通过树木标牌进行合并和链接。树木评估组（2人）树木测量组（3人）树木标牌悬挂、树木拍照；室内树木胸径、树高、树冠量测、树种评估树木位置坐标量测图4 基于单张像片量测的树木测量流程图3.1 单张像片树木量测原理 由于拍摄的单张像片是中心投影，根据投影变换的原理，虽然像片上每个像素的大小是一定的，但是每一个像素对应实地物体的大小，却是随着物体距投影中心的远近和方位而不同。由于树木生长的不规则性，如果需要准确量测树冠的大小，除了需要有单张像片的量测

7、算法外，还需要有多张不同角度的像片进行量测，这个也是项目组科技工作者面临的一项重要挑战。随着“树木的生长一般是围绕根部进行，树木可以歪斜，但是进行投影后，根部一般都处于投影的中心面上！”的生物学假设的提出，在一张单张像片上，树冠的大小与悬挂在树干上的树木标牌，其投影面的差距一般只有：树木胸径的1/2（树木半径）+树木标牌距根部的投影距离。 由于每个公司的树木标牌虽然大小不一，制作方法不同，但是一个公司的标牌大小是统一的（也可以在生产流程中规定进行统一）。同时，由于数码像片在存储时采用的是矩阵结构，因此一张数码像片上每一个像素大小是一样的（像素一致性）。因此，拍摄两张包含树木标牌的不同角度的照片

8、，通过图像识别，提取出这个物体，并且根据这个物体在数码像片中像素存储的情况，可以计算出一个像素在这个物体所在平面对应的实地大小。利用投影变换和相似三角形原理，求解出被测物体的相关数据，采用迭代趋近的方法，就能够非常准确的获得树木的树冠、胸径、树高等树木生长信息数据。 经过项目公司野外大量野外测量数据的验证，上述方法的精度稳定，完全满足树木测量规范的要求，生物学假设成立，核心算法高效可靠。 3.2 基于单张影像的树木量测系统简介核心算法验证完成后，结合新的基于单张影像的树木量测生产技术流程，经过项目组科技人员的开发，形成了基于单张影像的树木量测系统，配合树木标牌与树木测量组的树木位置信息自动融合

9、，形成了树木成果表和树木影像表的自动编制，极大的提升了工作的效率。系统的基本功能模块如下： ü 影像导入模块：用于导入树木评估组拍摄的树木影像；ü 树木标牌识别模块：自动识别悬挂的树木标牌，并提供人工勾选功能，在自动识别失败或不正确时予以使用；ü 胸径量测模块：自动识别树木根部，并根据设计数据，在树木根部向上1.3米 显示一根标识线，同时可视化的显示自动量测的树木胸径位置。如果由于像片质量的问题，自动识别的胸径位置不正确，可以可视化人工编辑，直至正确为止；ü 树高量测模块：自动可视化显示树木根部和顶部的点及连线，提供可视化编辑功能；ü 树冠测量

10、模块：自动可视化显示树冠边界点及连线，提供可视化编辑功能；ü 成果输出模块：自动完成与树木测量组数据的融合，输出标准格式的树木影像表和数据成果表；系统提供了大量可视化编辑功能，通过图像识别技术的充分应用，极大提升了室内工作的效率以及成果的质量。4 系统经济效益分析需求是创新之本，评估一个研发的经济效益，必须首先评估其市场容量与市场前景。作为一个企业的科技研发，如果研发的技术没有市场的需求，没有市场的容量，那么这样的创新是无源之水，没有可持续性，也不可能为企业带来真正的经济效益。树木测量，在香港已经是一个工程开展前必须进行的常规工作，根据统计，前期规划、可行性研究、设计等工程前期工作，

11、在一个工程的造价占比约1%，其中，基础数据测量服务在工程前期工作中的占比约为10%，查阅”香港特别行政区政府20162017年度政府财政预算案，20162017年度基本工程开支预算790亿港币，据此测算，工程前期工作的市场容量约为7.9亿港币，对应基础数据测量服务的市场容量约为7900万港币。根据香港基础数据服务的龙头企业煤航（香港）有限公司近三年收入的分析，树木测量与地形测量的业务收入比例约1：1，据此推算，树木测量行业的年度市场容量约为3950万港币，对比已经高度成熟、竞争激烈的地形测量业务，树木测量业务是公司未来发展的重点方向。国内树木测量市场，目前刚刚起步，仅仅尝试应用于名贵古树保护之

12、中，距离达到工程常规工作尚有差距，随着国家环境保护力度的加强，以及人们环境意识的提升，树木保护和树木测量将会越来越得到更多的重视，并逐步体现在工程的前期工作当中，树木测量具有较大的发展前景和爆发式增长的潜力，市场容量较大，市场前景良好，树木量测系统的研发对公司具有极高的战略价值和经济效益。通过“基于单张像片的树木量测系统”的工作流程图（图4）与现有的树木量测工作流程图（图1）对比，可以清晰的发现，在同一个工程中，室外作业人员的数量由7人缩减为5人，直接降低作业成本28.6%。同时，由于树木量测系统中大量使用了基于图像识别技术的自动可视化编辑技术，在提升数据报告质量的同时，根据公司内部测试及实验应用的统计分析，室内数据报告整理的效率提升约45%，不考虑由于数据报告质量及服务提升给公司市场营销工作带来的品牌、工期、价格等无形收益，成本综合效益提升约35%，使得公司在现有树木测量市场的竞争中具备了较大的竞争优势，树木量测系统的经济效益非常明显。5 结束语研发完成的基于单张影像的树木量测系统，已经在香港的房屋、工程、规划等领域的树木测量工作中开始了实验性应用，并取得了非常良好的经济和社会效益。一个被大家忽略的生物学知识，使得整个系统的算