基于單張影像的樹木量測(cè)模塊設(shè)計(jì)模板

1、基于單張影像的樹木量測(cè)模塊設(shè)計(jì)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(guó)香港 999077 ）摘 要：本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有樹木測(cè)量方法的調(diào)查，創(chuàng)新性的提出了一個(gè)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(jiǎn)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(cè)方法，該方法目前已經(jīng)在實(shí)際作業(yè)中開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用。關(guān)鍵詞：樹木測(cè)量 生物學(xué)假設(shè) 像素一致性 1 引言樹木測(cè)量與評(píng)估是一項(xiàng)大型工程實(shí)施前必須進(jìn)行的工作，以確定工程范圍內(nèi)樹木的數(shù)量、種類、生長(zhǎng)狀況等信息，從而制定相應(yīng)的工程計(jì)劃，評(píng)估工程對(duì)于樹木的影響，制定相應(yīng)的樹木保護(hù)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(jìn)行樹木測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)工作中，提出了“樹木生長(zhǎng)一般是圍繞根部進(jìn)行，樹木可以歪斜，但是進(jìn)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(duì)比測(cè)試，獲得了較好的效果。2 現(xiàn)有樹木測(cè)量方法介紹常規(guī)的樹木測(cè)量與評(píng)估主要針對(duì)樹木的位置、胸徑、樹高、樹冠、品種等展開，在某些特殊的項(xiàng)目中，還需要進(jìn)行樹木生長(zhǎng)狀況、可移植性等更加專業(yè)的評(píng)估工作。其中樹木測(cè)量主要包含：樹木位置測(cè)量、樹木調(diào)查和樹種評(píng)估三個(gè)工序（其樹木量測(cè)流程圖見圖1）。樹木位置一般

3、由樹木測(cè)量組采用專業(yè)的測(cè)量?jī)x器如全站儀進(jìn)行量測(cè)，樹木評(píng)估一般由樹木評(píng)估組根據(jù)樹木調(diào)查組拍攝的照片，由專門的園藝師進(jìn)行辨識(shí)，均是比較成熟可靠的。唯獨(dú)樹木調(diào)查組，對(duì)于樹高、樹冠的測(cè)量一般采用目估法，存在較大的誤差。對(duì)于胸徑的測(cè)量采用鋼尺丈量法，量測(cè)直徑或者周長(zhǎng)，但是樹木測(cè)量中，樹木胸徑的量測(cè)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(shí)，很容易由于現(xiàn)場(chǎng)人員的判斷失誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)重大錯(cuò)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(cè)量組（3人）樹木評(píng)估組（2人）樹木拍照、樹種評(píng)估樹木位置坐標(biāo)量測(cè)樹木標(biāo)牌懸掛、胸徑、樹高、樹冠量測(cè)圖1 現(xiàn)有樹木測(cè)量流程圖為了解決現(xiàn)

4、有方法存在的缺陷，必須首先對(duì)于現(xiàn)有樹木量測(cè)的作業(yè)流程及作業(yè)成果有詳細(xì)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(jìn)行標(biāo)牌的懸掛和相關(guān)數(shù)據(jù)的量測(cè)工作，而后樹木測(cè)量組和樹木評(píng)估組各自獨(dú)立進(jìn)行工作，以樹木標(biāo)牌作為數(shù)據(jù)合并的基礎(chǔ)。樹木測(cè)量組一般配置3人，采用全站儀通過(guò)導(dǎo)線測(cè)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(píng)估組一般配置2人，其中1人負(fù)責(zé)樹木影像的獲取，另外1人負(fù)責(zé)樹種的評(píng)估。獲得的過(guò)程資料有：導(dǎo)線原始記錄、野外量測(cè)記錄、樹木像片。提交的成果包括相關(guān)的工作報(bào)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(lái)源：煤航（香港）有限公司）圖3 樹木影像表（資料來(lái)源：煤航（香港）有限公司） 3 基于單張像片量測(cè)的樹木測(cè)量方法 如果可以有一種方法可以利用樹木評(píng)估組拍攝的像片進(jìn)行樹木胸徑、樹高、樹冠的量測(cè)，那么在提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的同時(shí)，還能夠獲取直接的質(zhì)量控制證據(jù)。將費(fèi)時(shí)費(fèi)力的野外胸徑、樹高、樹冠的量測(cè)，轉(zhuǎn)化到室內(nèi)進(jìn)行，將樹木標(biāo)牌懸掛和樹木拍照同步進(jìn)行，將在降低室外工作量的同時(shí)，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(bào)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(cè)方法，并且完善成為樹木量測(cè)系統(tǒng)，才能將這樣的構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。經(jīng)過(guò)

6、項(xiàng)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(cè)模塊開發(fā)，從而形成新的基于單張像片量測(cè)的樹木測(cè)量流程圖（如圖4），樹木評(píng)估組與樹木測(cè)量組之間的成果通過(guò)樹木標(biāo)牌進(jìn)行合并和鏈接。樹木評(píng)估組（2人）樹木測(cè)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(cè)、樹種評(píng)估樹木位置坐標(biāo)量測(cè)圖4 基于單張像片量測(cè)的樹木測(cè)量流程圖3.1 單張像片樹木量測(cè)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(gè)像素的大小是一定的，但是每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)實(shí)地物體的大小，卻是隨著物體距投影中心的遠(yuǎn)近和方位而不同。由于樹木生長(zhǎng)的不規(guī)則性，如果需要準(zhǔn)確量測(cè)樹冠的大小，除了需要有單張像片的量測(cè)

7、算法外，還需要有多張不同角度的像片進(jìn)行量測(cè)，這個(gè)也是項(xiàng)目組科技工作者面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。隨著“樹木的生長(zhǎng)一般是圍繞根部進(jìn)行，樹木可以歪斜，但是進(jìn)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(gè)公司的樹木標(biāo)牌雖然大小不一，制作方法不同，但是一個(gè)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(jìn)行統(tǒng)一）。同時(shí)，由于數(shù)碼像片在存儲(chǔ)時(shí)采用的是矩陣結(jié)構(gòu)，因此一張數(shù)碼像片上每一個(gè)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(guò)圖像識(shí)別，提取出這個(gè)物體，并且根據(jù)這個(gè)物體在數(shù)碼像片中像素存儲(chǔ)的情況，可以計(jì)算出一個(gè)像素在這個(gè)物體所在平面對(duì)應(yīng)的實(shí)地大小。利用投影變換和相似三角形原理，求解出被測(cè)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(zhǔn)確的獲得樹木的樹冠、胸徑、樹高等樹木生長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)。 經(jīng)過(guò)項(xiàng)目公司野外大量野外測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，上述方法的精度穩(wěn)定，完全滿足樹木測(cè)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(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介核心算法驗(yàn)證完成后，結(jié)合新的基于單張影像的樹木量測(cè)生產(chǎn)技術(shù)流程，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組科技人員的開發(fā)，形成了基于單張影像的樹木量測(cè)系統(tǒng)，配合樹木標(biāo)牌與樹木測(cè)量組的樹木位置信息自動(dòng)融合

9、，形成了樹木成果表和樹木影像表的自動(dòng)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(píng)估組拍攝的樹木影像；ü 樹木標(biāo)牌識(shí)別模塊：自動(dòng)識(shí)別懸掛的樹木標(biāo)牌，并提供人工勾選功能，在自動(dòng)識(shí)別失敗或不正確時(shí)予以使用；ü 胸徑量測(cè)模塊：自動(dòng)識(shí)別樹木根部，并根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在樹木根部向上1.3米 顯示一根標(biāo)識(shí)線，同時(shí)可視化的顯示自動(dòng)量測(cè)的樹木胸徑位置。如果由于像片質(zhì)量的問(wèn)題，自動(dòng)識(shí)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(cè)模塊：自動(dòng)可視化顯示樹木根部和頂部的點(diǎn)及連線，提供可視化編輯功能；ü 樹冠測(cè)量

10、模塊：自動(dòng)可視化顯示樹冠邊界點(diǎn)及連線，提供可視化編輯功能；ü 成果輸出模塊：自動(dòng)完成與樹木測(cè)量組數(shù)據(jù)的融合，輸出標(biāo)準(zhǔn)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(guò)圖像識(shí)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(jì)效益分析需求是創(chuàng)新之本，評(píng)估一個(gè)研發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，必須首先評(píng)估其市場(chǎng)容量與市場(chǎng)前景。作為一個(gè)企業(yè)的科技研發(fā)，如果研發(fā)的技術(shù)沒有市場(chǎng)的需求，沒有市場(chǎng)的容量，那么這樣的創(chuàng)新是無(wú)源之水，沒有可持續(xù)性，也不可能為企業(yè)帶來(lái)真正的經(jīng)濟(jì)效益。樹木測(cè)量，在香港已經(jīng)是一個(gè)工程開展前必須進(jìn)行的常規(guī)工作，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，前期規(guī)劃、可行性研究、設(shè)計(jì)等工程前期工作，

11、在一個(gè)工程的造價(jià)占比約1%，其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)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(cái)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(cè)算，工程前期工作的市場(chǎng)容量約為7.9億港幣，對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量服務(wù)的市場(chǎng)容量約為7900萬(wàn)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(cè)量與地形測(cè)量的業(yè)務(wù)收入比例約1：1，據(jù)此推算，樹木測(cè)量行業(yè)的年度市場(chǎng)容量約為3950萬(wàn)港幣，對(duì)比已經(jīng)高度成熟、競(jìng)爭(zhēng)激烈的地形測(cè)量業(yè)務(wù)，樹木測(cè)量業(yè)務(wù)是公司未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)樹木測(cè)量市場(chǎng)，目前剛剛起步，僅僅嘗試應(yīng)用于名貴古樹保護(hù)之

12、中，距離達(dá)到工程常規(guī)工作尚有差距，隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，以及人們環(huán)境意識(shí)的提升，樹木保護(hù)和樹木測(cè)量將會(huì)越來(lái)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(cè)量具有較大的發(fā)展前景和爆發(fā)式增長(zhǎng)的潛力，市場(chǎng)容量較大，市場(chǎng)前景良好，樹木量測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)公司具有極高的戰(zhàn)略價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)“基于單張像片的樹木量測(cè)系統(tǒng)”的工作流程圖（圖4）與現(xiàn)有的樹木量測(cè)工作流程圖（圖1）對(duì)比，可以清晰的發(fā)現(xiàn)，在同一個(gè)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(shí)，由于樹木量測(cè)系統(tǒng)中大量使用了基于圖像識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)可視化編輯技術(shù)，在提升數(shù)據(jù)報(bào)告質(zhì)量的同時(shí)，根據(jù)公司內(nèi)部測(cè)試及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析，室內(nèi)數(shù)據(jù)報(bào)告整理的效率提升約45%，不考慮由于數(shù)據(jù)報(bào)告質(zhì)量及服務(wù)提升給公司市場(chǎng)營(yíng)銷工作帶來(lái)的品牌、工期、價(jià)格等無(wú)形收益，成本綜合效益提升約35%，使得公司在現(xiàn)有樹木測(cè)量市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中具備了較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，樹木量測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。5 結(jié)束語(yǔ)研發(fā)完成的基于單張影像的樹木量測(cè)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(cè)量工作中開始了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，并取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。一個(gè)被大家忽略的生物學(xué)知識(shí)，使得整個(gè)系統(tǒng)的算