摄影测树原理与技术方法研究

发布时间：2017-05-27 15:15

  本文关键词：摄影测树原理与技术方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：森林资源调查与监测的目的在于查明和落实国家森林资源的数量和质量,宏观掌握森林资源的发展和变化,并为国家森林资源可持续发展决策提供数据支持,是国家森林资源管理的基础。目前我国采用的传统森林调查方法费事、费力,调查效率低下随着技术的进步,特别是随着摄影测量与遥感技术的发展,越来越多的林业工作者开始使用摄影测量测树的方法来完成森林资源调查,使得森林资源调查技术开始向无接触化、智能化、现代化的方向发展。为了解决常规摄影测树方法中必须依赖物方控制条件,且难以进行样地观测的问题,本文以吉林省黄泥河林业局下辖林场为研究区,围绕“利用摄影测量技术进行单木和样地测量的原理与技术方法”这一较为重要的林业调查问题展开了研究,主要研究包括通过原理、实验和数据分析遥感反演技术、无人机航空摄影测量技术、常规近景摄影测量技术三种不同尺度摄影测树方法的调查能力和局限性,最终提出使用双目相机进行单木观测和样地观测的原理和技术方法,并通过模型和实验分析其误差来源和影响精度的因素。首先,分析介绍了基于卫星遥感影像的蓄积量模型反演计算方法,具体方法为对所选的遥感影像进行几何纠正和辐射纠正,对处理后的影像提取各波段的纹理因子光谱因子,结合地面蓄积量调查数据分析所提取的因子和蓄积量之间的相关性,通过相关性分析选择蓄积量模型的备选因子,并通过统计分析的方法建立蓄积量和备选因子之间的多元线性回归模型。并以吉林省黄泥河地区的资源3号卫星影像为遥感数据源,与地面样地调查数据结合进行了分析,建立了黄泥河地区的森林蓄积量反演模型,并分析了模型的精度。同时提出了遥感反演方法进行森林调查的局限性,即遥感数据源和地面数据的获取的局限性,模型的精度和适用范围的局限性,调查能力的局限性。其次,分析了无人机航空摄影测量测树因子提取以及预估模型建立的方法,即对无人机获取的影像数据进行处理,建立数字表面模型(DSM)和数字正射影像(DOM),从中提取单木树高、冠幅以及林冠的平均冠幅、平均高和样地的郁闭度、密度等,通过提取的因子和实地调查数据建立胸径和蓄积量反演模型,进而完成单木胸径和林分蓄积量的估测。并通过黄泥河地区的无人机飞行数据和地面调查数据,分析了以上因子提取的精度,建立了当地的无人机蓄积量和胸径反演模型,并对模型进行了精度评价。相对于卫星遥感手段,无人机森林调查获取的测树因子种类更多,但是仍然无法完成胸径和蓄积的直接测量。最后,在遥感和无人机调查都只能通过反演方法获取胸径数据的前提下,尝试采用地面摄影测量技术进行单木和样地调查,分析了现有现有常用近景摄影测量方法在森林调查中存在的问题,即其定向解算均需要外界辅助条件,仅能进行单木或者小范围林区的调查。为了解决以上问题,提出使用“自带基线、垂直固定于三脚架上、正直或交向摄影、旋转拍摄”的双目相机来进行单木和样地调查的方法,固定基线可在无需物方控制条件的情况下在辅助坐标系中完成定向,正直或交向摄影可以获取较大的立体像对有效观测区域,竖直放置相机可以减少因为边缘点不为同名点而带来的观测误差,固定于三脚架上和旋转拍摄的手段可以直接获取多组立体像对之间的空间转换关系,达到扩大观测范围的目的。并通过编写软件完成了双目相机的同名点选取、相对定向、坐标运算、胸径提取等内业工作双目相机可以在不需要外界辅助条件的相对坐标系中进行坐标计算,可直接从立体像对中提取单木的胸径、树高、材积、干型等因子；通过安置在三角架上并旋转,即可以在已知旋转角度关系的前提下将观测区域扩大并获取多次拍摄之间的坐标系转换关系,从而完成“圆形像片样地”的拍摄,可从中进行样地调查,获取样地内各目标木胸径、树种、相对位置关系,并可以完成各种形状样地的转换、样地蓄积量的计算、角尺度、密度和株数等因子的计算。并通过模型和实验分析了双目相机森林观测的误差来源和精度,即双目相机获取的结果精度除了与同名点的选取方式有关,还与双目相机的基线长度B和拍摄距离L相关,基线长度越长,拍摄距离越短,其结果精度越高,并通过实验获取了文中所用的双目相机基线长度与摄影距离之间需要满足的关系,即L≤10B。双目相机的野外测量实验表明,使用双目相机测量单木胸径、树高和材积的平均相对误差分别为1.8%、3.6%、6.1%,在黄泥河林业局下辖的威虎河林场建立的圆形像片样地中,计算所得的蓄积量的平均相对误差为5.5%,最大相对误差为8.2%,使用双目相机建立像片样地有效的缩短了森林调查的外业工作时间,提高了调查效率,并且使调查结果能够以照片的形式长期保存,可反复利用,为森林监测调查的自动化、无人化、智能化提供了技术与方法支持。
【关键词】：森林调查 遥感反演 摄影测树 双目相机 单木因子测量 相片样地
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP751
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-13
• 1 引言13-21
• 1.1 选题的目的和意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 国内外卫星遥感技术的发展15-16
• 1.2.2 国内外无人机摄影测量技术的发展16-18
• 1.2.3 国内外近景摄影测量技术的发展18-19
• 1.2.4 双目视觉技术的发展19-20
• 1.3 本章小结20-21
• 2 研究内容、数据获取及预处理21-34
• 2.1 主要研究内容21-23
• 2.1.1 研究内容21
• 2.1.2 技术路线图21-22
• 2.1.3 主要创新点22-23
• 2.2 研究区概况23-26
• 2.2.1 研究区示意图23
• 2.2.2 自然地理条件23
• 2.2.3 森林资源情况23-24
• 2.2.4 气候情况24
• 2.2.5 地貌情况24-25
• 2.2.6 植物情况25
• 2.2.7 社会经济情况25-26
• 2.3 数据获取及预处理软件26-32
• 2.3.1 双目相机数据获取及预处理26-27
• 2.3.2 无人机影像数据获取及预处理27-31
• 2.3.3 遥感影像数据获取及预处理31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 3. 卫星遥感蓄积量反演模型建立34-44
• 3.1 常用的遥感数据源34-35
• 3.1.1 Landsat系列34
• 3.1.2 SPOT系列34
• 3.1.3 QuickBird系列34-35
• 3.1.4 资源3号(ZY-3)系列35
• 3.2 遥感数据的预处理35-36
• 3.2.1 几何校正35-36
• 3.2.2 辐射校正36
• 3.3 遥感因子提取36-39
• 3.3.1 像元光谱因子提取36
• 3.3.2 植被指数因子提取36-38
• 3.3.2.1 基于波段线性组合的简单植被指数37
• 3.3.2.2 用于消除影响因子的植被指数37
• 3.3.2.3 针对高光谱遥感和热红外遥感的植被指数37-38
• 3.3.3 纹理因子提取38-39
• 3.4 蓄积量估算方法39-40
• 3.4.1 反演因子确定39-40
• 3.4.2 蓄积量反演模型40
• 3.5 黄泥河林业局蓄积量反演模型40-42
• 3.6 本章小结42-44
• 4. 无人机摄影测量测树因子提取及预估模型建立44-62
• 4.1 数据预处理44-47
• 4.1.1 无人机测区大小44-45
• 4.1.2 空中三角测量45
• 4.1.3 IMU/DGPS辅助航空摄影测量45-46
• 4.1.4 DOM的生成和制作46-47
• 4.2 树冠的提取和测量47-50
• 4.2.1 林木树冠纹理特征提取49
• 4.2.2 单木树冠确定49
• 4.2.3 树冠轮廓确定49-50
• 4.2.4 树冠因子提取50
• 4.3 郁闭度、密度的计算50
• 4.4 树高的提取50-51
• 4.5 单木及林分模型的建立51-54
• 4.5.1 胸径-树高模型51-52
• 4.5.2 冠幅-胸径模型52-53
• 4.5.3 冠幅、树高-胸径模型53
• 4.5.4 无人机航空蓄积量反演模型53-54
• 4.6 结果及验证54-61
• 4.6.1 树高对比数据54-55
• 4.6.2 冠幅对比数据55
• 4.6.3 模型反演结果55-61
• 4.6.3.1 胸径-树高建模结果55-57
• 4.6.3.2 胸径-冠幅建模结果57-58
• 4.6.3.3 胸径-冠幅、树高模型58-59
• 4.6.3.4 航空蓄积量模型结果59-61
• 4.7 本章小结61-62
• 5. 双目相机测树原理与技术方法研究62-124
• 5.1 近景摄影测量基本理论62-73
• 5.1.1 摄影测量中常用的坐标系62-63
• 5.1.2 摄影测量影像的内外方位元素63-65
• 5.1.3 坐标系的旋转和平移65-67
• 5.1.4 共线方程及共面方程67-69
• 5.1.5 相机的畸变参数和相机检校69-72
• 5.1.6 相对定向72-73
• 5.2 双目相机测树原理及其软件实现73-90
• 5.2.1 现有的近景摄影测量森林调查方法73-74
• 5.2.2 双目相机的设置思路74-80
• 5.2.3 坐标提取与胸径计算80-84
• 5.2.3.1 基于点投影系数的立体像对前方交会80-81
• 5.2.3.2 基于共线方程的立体像对前方交会81
• 5.2.3.3 胸径计算及精度验证81-84
• 5.2.4 双目相机的旋转84-88
• 5.2.4.1 绕X轴的旋转85-87
• 5.2.4.2 绕Y轴的旋转87-88
• 5.2.5 双目相机测树软件实现88-90
• 5.3 双目相机的摄影距离、基线与精度的关系研究90-108
• 5.3.1 目标树与双目相机位置的关系研究90-95
• 5.3.2 基线长度、摄影距离与测量精度的关系95-102
• 5.3.2.1 正直摄影的精度估算95-100
• 5.3.2.2 交向摄影的精度估算100-102
• 5.3.3 实验及结果102-108
• 5.3.3.1 实验准备103
• 5.3.3.2 实验方法103-104
• 5.3.3.3 实验结果104-108
• 5.4 双目相机的测树应用108-123
• 5.4.1 单木调查108-114
• 5.4.1.1 树高测量108-109
• 5.4.1.2 干型提取109-110
• 5.4.1.3 立木材积测量110-112
• 5.4.1.4 实验结果112-114
• 5.4.2 像片样地114-118
• 5.4.2.1 圆形像片样地的建立114-115
• 5.4.2.2 圆形像片样地的内业处理115
• 5.4.2.3 树心坐标获取及转换115-116
• 5.4.2.4 像片样地的大小和遮挡木116-117
• 5.4.2.5 像片样地的成果和蓄积量计算117-118
• 5.4.2.6 像片样地的工作量118
• 5.4.3 黄泥河林业局的像片样地结果118-121
• 5.4.4 其他形状的像片样地121-123
• 5.4.4.1 方形样地121
• 5.4.4.2 不规则多边形样地121-122
• 5.4.4.3 圆形样地群122-123
• 5.5 本章小结123-124
• 6. 结论与讨论124-127
• 6.1 结论124-126
• 6.2 讨论126-127
• 参考文献127-135
• 个人简介135-136
• 导师简介136-138
• 获得成果目录138-139
• 致谢13

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