專利名稱：視頻超站儀及森林計測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是集數(shù)碼CCD(Charge-Coupled Device)面陣相機、GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))、電子全站儀(Electronic Total Station)于一體的一個新型設(shè)備，用于快速三維近景目標信息采集，能夠自動、快速、實時地解算和儲存待測目標區(qū)域的空間三維座標。以該設(shè)備為核心，配以數(shù)字圖像三維信息提取和三維目標模型生成軟件，共同構(gòu)成具有定位、精密點位測量、近景目標成像、自動或半自動三維測量、三維模型生成的近景目標快速成像三維測量系統(tǒng)。尤其對于森林資源監(jiān)測中樹干解析測量，包括胸徑、任意樹高直徑、樹高、冠層結(jié)構(gòu)等。
二、技術(shù)背景從國內(nèi)外應(yīng)用情況來看，在城市地面測量及各類工程測量中，一般采用點采集方式(全站儀、GPS接收機等)，這種方式雖然具有靈活、精度高的特點，但采集速度慢、效率低，不便生成三維模型；近景攝影測量雖然克服了單點采集模式的缺點，但需在物方粘貼測量標志，通過物方控制解算攝站的外方位元素，且對于無法接觸目標和危險物不可量測。
CCD(Charge-Coupled Device)面陣相機、GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))、電子全站儀(Electronic Total Station)各單項技術(shù)都已經(jīng)成熟，關(guān)于它們各自的功能也已經(jīng)眾所周知，然后，目前還沒有一種儀器能夠?qū)⑷N儀器集成到一起，解決具體、實用的問題。
在攝影測量領(lǐng)域，照相機拍攝的照片早已經(jīng)被用于空間三維座標的解算以及各種地面模型的構(gòu)建，但依賴于解算參數(shù)(內(nèi)方位元素和外方位元素)的獲取方法卻一直是個問題，特別是對近景攝影測量而言。另一方面，數(shù)碼CCD面陣相機在面市，以及計算機技術(shù)的發(fā)展，使目標三維信息提取采用數(shù)字近景攝影測量技術(shù)與方法成為必須，相應(yīng)的空間座標解算也變得趨向于自動化、實時化，本發(fā)明為這種應(yīng)用提供了一種具體、實用的方法。
在測樹學(xué)領(lǐng)域，立木的測量一直是一個難于解決的問題，傳統(tǒng)的方法是采用樹干解析進行，即伐倒樹，分段取圓木，對圓盤上各生長年輪進行測量，構(gòu)造樹干解析曲線，進而解算各單株木的指標(樹高、材積、形數(shù)及生長量)；另外就是用生長錐鉆入樹干，取樹皮至髓心的鉆條，在上面測量各年輪的生長量，這種方法不用伐樹，但誤差較大。這些方法都不能很好的對單株木的生長情況作很好的監(jiān)測，本發(fā)明能很好的解決這一問題。
三、發(fā)明的內(nèi)容為了森林資源的合理經(jīng)營與可持續(xù)發(fā)展，合理安排采伐與森林更新，管理部門需要進行森林資源調(diào)查，以查清森林資源及其結(jié)構(gòu)與地理分布，評定森林的質(zhì)量、生長動態(tài)與經(jīng)濟指標。視頻超站儀測樹技術(shù)利用全站儀的測距測角功能、GPS的實時定位功能及利用數(shù)碼相機獲得樣本樹的左右攝影站影像，配合掌上電腦可以快速測定樣本樹的胸徑、任意處直徑，從而準確計算樣本樹的品質(zhì)及材積，為林業(yè)管理部門提供準確的經(jīng)濟規(guī)劃依據(jù)、決策依據(jù)。
具體

發(fā)明內(nèi)容
包括1)視頻超站儀；2)視頻超站儀測量軟件；3)視頻超站儀的測樹方法。
本項發(fā)明具有以下優(yōu)點利用PDA作為視頻超站儀的控制器、存儲器、處理器，有利于GPS、數(shù)碼CCD面陣相機、全站儀的有效集成，并且充分發(fā)揮其獨自的功能，實現(xiàn)自動、實時、快速測量，使應(yīng)用該儀器更實用、應(yīng)用面更寬。利用視頻超站儀測量樣本樹的胸徑，樹干任意高度的直徑、樹冠體積和表面積具有快速、準確、方便等特點。任意高度直徑測量精度可達毫米級，材積測量精度可優(yōu)于1％，而樹冠體積及表面積的精度主要受模型、數(shù)碼相機分辨率、鏡頭質(zhì)量、焦距測定的準確性等許多因素決定，經(jīng)試驗表明，精度可達到5％的要求。
四

圖1為視頻超站儀外觀構(gòu)造示意圖，其中①為GPS天線，用于接收衛(wèi)星信號、定位；②為全站儀，用于測距、測角；③為電纜，用于控制指令和數(shù)據(jù)傳輸；④為掌上電腦PDA，用于控制儀器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理；⑤為數(shù)碼相機，用于攝影測量面積、體積。
圖2為視頻超站儀功能組合圖。
圖3為任意樹高處直徑測量示意圖。
圖4為樹高測量示意圖。
五具體實施例方式1)視頻超站儀集CCD(Charge-Coupled Device)面陣數(shù)碼相機、GPS(Global PositionSystem，全球定位系統(tǒng))、電子全站儀(Electronic Total Station)于一體，相機安裝在望遠鏡上側(cè)與望遠鏡固定在一起，相機主光軸方向與望遠鏡平等，像平面過全站儀橫軸；GPS天線以可折裝的方式置于全站儀的提把上，與全站儀同軸。
2)視頻超站儀測量軟件以PDA為工具，以Win CE為操作平臺，集成GPS數(shù)據(jù)采集、坐標解算、存儲；全站儀對物方控制點的測量過程控制、自動記錄、座標解算、存儲；數(shù)碼相機的自動拍攝、圖像存儲及空間三維空間座標的解算等于一體，實現(xiàn)自動、快速、實時解算待測目標區(qū)域的空間三維座標。
3)各視頻超站儀部件以Win CE為平臺，進行數(shù)據(jù)的記錄、存儲、交換、解算。在視頻超站儀中，數(shù)碼相機起獲取待測目標區(qū)域的攝影圖像的功能，然后通過數(shù)據(jù)傳輸線進入PDA；GPS用于獲取測站點三維座標，與全站儀獲取的前方待拍區(qū)域各控制點相應(yīng)參數(shù)一起，在PDA中解算各控制點三維座標，為數(shù)碼相機拍攝的數(shù)字圖像提供相應(yīng)的內(nèi)方位元素和外方位元素；在PDA中實現(xiàn)實時、自動、快速解算目標區(qū)域的三維座標。
4)超站儀數(shù)字近景攝影測量工作模式設(shè)置二站以獲取立體像對，對于面陣數(shù)碼相機而言，像片中心是中心像素。像主點偏移量X0，Y0及鏡頭焦距f需通過檢測獲得；外方位元素三個轉(zhuǎn)角為α+α0、ω0、κ+κ0，其中α0、ω0、κ0由超站儀檢測時獲取的常數(shù)，α、κ由全站儀的水平角讀數(shù)及垂直角計算求得；攝站間的基線長度及攝站高差由全站儀配全棱鏡測量獲取；數(shù)字像對經(jīng)半自動立體匹配后進行所需點位的三維坐標依據(jù)解析空間前方交會原理進行求解；樣本樹的高度各直徑可在立體模型中直接量取；5)全站儀測樹。樹的胸徑及樹高的測量時，選擇能看到樹頂及樹底部的地面架設(shè)全站儀，在儀器一側(cè)與儀器大致同高處放置激光發(fā)射片或棱鏡，用全站儀測量平距D，測量樹底的天頂距V1及樹頂?shù)奶祉椌郪2，并測量該高度儀器對樹干的張角θ。按公式(1)計算任意樹高處直徑，公式(2)計算樹高。
實時、精準測量活立木的材積時，測量樹底部的半徑r0，在樹的樹干上分段測量多個位置的半徑r1，相應(yīng)位置的垂直角為αi，按(3)式計算各樹高處斷面積和高差hi，再由(4)式計算由求材積d=2·D·sin(θ/2)---(1)]]>H＝I+DsinV1[tg(90-V2)-tg(90-V1)] (2)Si=π·(d2)2---(3)]]>V=13Σi=1n(Si-1+Si+Si-1Si)·hi---(4)]]>(4)式中S0＝Sn＝0，(i＝1，2，…，n)
權(quán)利要求
1)視頻超站儀集CCD(Charge-Coupled Device)面陣數(shù)碼相機、GPS(Global PositionSystem，全球定位系統(tǒng))、電子全站儀(Electronic Total Station)于一體，相機安裝在望遠鏡上側(cè)與望遠鏡固定在一起，相機主光軸方向與望遠鏡平等，像平面過全站儀橫軸；GPS天線以可折裝的方式置于全站儀的提把上，與全站儀同軸。
2)視頻超站儀測量軟件以PDA為工具，以Win CE為操作平臺，集成GPS數(shù)據(jù)采集、坐標解算、存儲；全站儀對物方控制點的測量過程控制、自動記錄、座標解算、存儲；數(shù)碼相機的自動拍攝、圖像存儲及空間三維空間座標的解算等于一體，實現(xiàn)自動、快速、實時解算待測目標區(qū)域的空間三維座標。
3)各視頻超站儀部件以Win CE為平臺，進行數(shù)據(jù)的記錄、存儲、交換、解算。在視頻超站儀中，數(shù)碼相機起獲取待測目標區(qū)域的攝影圖像的功能，然后通過數(shù)據(jù)傳輸線進入PDA；GPS用于獲取測站點三維座標，與全站儀獲取的前方待拍區(qū)域各控制點相應(yīng)參數(shù)一起，在PDA中解算各控制點三維座標，為數(shù)碼相機拍攝的數(shù)字圖像提供相應(yīng)的內(nèi)方位元素和外方位元素；在PDA中實現(xiàn)實時、自動、快速解算目標區(qū)域的三維座標。
4)超站儀數(shù)字近景攝影測量工作模式設(shè)置二站以獲取立體像對，對于面陣數(shù)碼相機而言，像片中心是中心像素。像主點偏移量X0，Y0及鏡頭焦距f需通過檢測獲得；外方位元素三個轉(zhuǎn)角為α+α0、ω0、κ+κ0，其中α0、ω0、κ0由超站儀檢測時獲取的常數(shù)，α、κ由全站儀的水平角讀數(shù)及垂直角計算求得；攝站間的基線長度及攝站高差由全站儀配全棱鏡測量獲??；數(shù)字像對經(jīng)半自動立體匹配后進行所需點位的三維坐標依據(jù)解析空間前方交會原理進行求解；樣本樹的高度各直徑可在立體模型中直接量?。?br> 5)全站儀測樹。樹的胸徑及樹高的測量時，選擇能看到樹頂及樹底部的地面架設(shè)全站儀，在儀器一側(cè)與儀器大致同高處放置激光發(fā)射片或棱鏡，用全站儀測量平距D，測量樹底的天頂距V1及樹頂?shù)奶祉斁郪2，并測量該高度儀器對樹干的張角θ。按公式(1)計算任意樹高處直徑，公式(2)計算樹高。實時、精準測量活立木的材積時，測量樹底部的直徑d0，在樹的樹干上分段測量多個位置的直徑di，相應(yīng)位置的天頂距為Vi，按(1)、(2)、(3)式計算各樹高處斷面積和高差hi，再由(4)式計算由求材積d＝2·D·sin(θ/2)(1)H＝I+DsinV1[tg(90-V2)-tg(90-V1)] (2)Si=π·(d2)2---(3)]]>V=13Σi=1n(Si-1+Si+Si-1Si)·hi---(4)]]>(4)式中S0＝Sn＝0，(i＝1，2，...，n)
全文摘要
本發(fā)明公開了視頻超站儀的一種設(shè)計理念、集成的視頻超站儀以及用于森林計測的一種方法。該儀器是以基于WinCE的掌上電腦PDA為核心，集成數(shù)碼CCD(Charge－Coupled Device)面陣相機、GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))、電子全站儀(Electronic Total Station)于一體，解決待測目標區(qū)域的空間三維坐標的自動、實時、快速地測量、解算并存儲的問題。應(yīng)用視頻超站儀對森林資源監(jiān)測中立木進行觀測，包括胸徑、任意樹高直徑、樹高、冠層結(jié)構(gòu)等，能夠快速、精準地解決活立木測量，是一種動態(tài)監(jiān)測林木生長情況最好的方法。
文檔編號G01B21/00GK1670474SQ200410006258
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者馮仲科, 馬超, 趙保衛(wèi), 朱景平, 蔣理興, 林宗堅, 余新曉, 景海濤, 譚偉 申請人:北京林業(yè)大學(xué), 南方測繪儀器集團公司