基于手机图像分析的叶片及立木测量算法研究

论文摘要

林木信息的采集是森林资源调查和林业可视化的基础,是一项复杂、繁重的任务。“数字林业”和“精准林业”对林木信息的采集方法提出了更高的要求。传统的林木测量方法需要人工读取和记录测量数据,耗费大量人力和财力,而且自动化程度低,精度不高。近年来出现的许多辅助测量工具,但一般价格昂贵,携带不方便,并且有时会在调查过程中对森林破坏严重。当前,手机摄像头性能达到相当高的程度。将手机的摄像头作为树木图像采集的设备,利用嵌入到手机中的相应程序,可实时测量出诸如植物叶面积,立木的树高、树径、材积等,并可将测量出的数据、GIS信息等,利用手机的无线通信和计算机网络,上传数据中心,也可与数据中心进行数据交换,为森林资源调查提供新的方法和途径。本文以嵌入手机的图像分析技术为基础,对叶面积测量和立木测量的方法,进行了一些基础性的研究工作,主要工作和贡献如下：1、提出了基于彩色通道相似性的叶面积测量方法。它运算速度快,并能很好地克服阴影对叶面积的影响,达到了很高的精度。该方法利用彩色叶片的R、G、B三个颜色通道的相似性对叶片区域进行分割,再根据叶片区域像素数和参考矩形的像素数计算叶面积。2、改进了一种自然背景下基于MRF的立木图像的分割算法。本文充分利用智能手机多点触控技术等强大的交互功能确定三分图,划分出确切的前景,背景和未知区域,极大地减少了运算量。3、改进了一种基于两幅图像进行相机自标定的方法。本文通过拍照前在树干上设置两个标记,并在相隔一定角度的不同地点分别对树干拍照,然后在两张图像中检测设置的标记,根据第一张照片中的两标记的欧氏距离,对第二张照片进行缩放处理,使两幅照片中两标记的欧氏距离相同,模拟两次拍摄的地点在以拍摄目标为圆心的圆周上,实现相机内参数的标定。4、提出了基于图像分析技术计算立木树高、树径和材积的具体方法。立木直径测量方法可测量胸径和树干任意高处的树径。立木直径测量方法能够进行胸径测量和树干任意高的树径测景。本文中利用分段求积法实现立木材积的测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1. 基于手机的近景测量
• 1.1.2. 课题的提出
• 1.2 研究目标
• 1.3 研究意义
• 1.4 基于手机的立木测量的国内外研究现状
• 1.4.1. 基于图像分析的叶面积测量
• 1.4.2. 基于图像分析的立木测量
• 1.4.3. 手机嵌入式程序在林业上的应用
• 1.5 本文的主要工作和创新点
• 1.6 本文的组织结构
• 1.7 本章小结
• 2. 基于手机测量相关技术介绍
• 2.1 引言
• 2.2 摄像头成像模型
• 2.2.1. 摄像头成像原理
• 2.2.2. 坐标系及其关系
• 2.3 对极几何理论基础
• 2.3.1. 对极几何
• 2.3.2. 本质矩阵
• 2.3.3. 基础矩阵
• 2.3.4. 摄像头标定
• 2.4 手机摄像头特性
• 2.4.1. 常见的图像噪声
• 2.4.2. 常用图像去噪方法
• 2.4.3. 镜头畸变
• 2.5 图像分割
• 2.6 图像特征点提取及其匹配
• 2.6.1. SIFT特征点提取
• 2.6.2. 图像配准
• 2.7 图像仿射变换
• 2.8 基于图像的三维重建
• 2.9 本章小结
• 3. 基于图像分析的叶面积测量算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于图像分析的叶面积测量流程
• 3.3 图像采集
• 3.4 图像预处理
• 3.4.1. 局部平滑法
• 3.4.2. 中值滤波法
• 3.5 参考矩形检测
• 3.5.1. 常用边缘检测方法
• 3.5.2. 双向扫描法检测参考矩形
• 3.6 基于彩色通道相似性的叶片图像分割
• 3.6.1. 传统的图像分割方法
• 3.6.2. 彩色通道相似性的叶片图像分割
• 3.7 叶面积的计算
• 3.8 实验结果及分析
• 3.8.1. 错分率
• 3.8.2. 结果与分析
• 3.9 本章小结
• 4. 基于图像分析的立木测量算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 立木图像采集
• 4.3 树木图像的分割
• 4.3.1. 自然抠图算法原理
• 4.3.2. 基于MRF的抠图方法
• 4.3.3. 改进的树干图像分割方法
• 4.4 图像特征点提取及其匹配
• 4.4.1. SURF算法原理
• 4.4.2. SURF算法的改进
• 4.5 基础矩阵的估计及求精
• 4.5.1. 权因子的定义
• 4.5.2. 加权平移归一化处理
• 4.6 摄像头的标定
• 4.6.1. Kruppa方程原理
• 4.6.2. 相机内参数的线性标定
• 4.6.3. 相机外参数计算
• 4.7 像素点三维重建
• 4.8 树高的测量
• 4.9 立木直径测量
• 4.10 立木材积计算
• 4.10.1. 立木材积计算原理
• 4.10.2. 材积计算步骤
• 4.10.3. 实验与分析
• 4.11 结论与讨论
• 4.12 本章小结
• 5. 基于手机叶面积和立木测量原型系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 手机开发平台
• 5.2.1. 常用手机开发平台
• 5.2.2. 开发平台和工具的选取
• 5.2.3. 手机开发平台的搭建
• 5.3 手机测量原型设计
• 5.3.1. 叶面积测量模块设计
• 5.3.2. 立木树高及材积测量模块设计
• 5.3.3. 用户身份认证
• 5.3.4. 数据同步
• 5.4 制作系统的安装程序
• 5.4.1. 常用的安装文件格式
• 5.4.2. cab安装文件的制作
• 5.5 本章小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作和创新点
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢