一种基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法

1.本发明涉及三维重建领域，特别提供一种基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法。


背景技术：

2.森林是巨大的碳库，每年吸收大量的二氧化碳并固定于植物体内，定量地计算森林碳汇能力对“双碳”目标的实现具有重要作用。然而目前的碳汇计量方法存在测量精度低、测量效率慢等问题，很难满足现阶段森林碳汇计算分析的需求。
3.直接收获法通过将样区内的林木全部伐倒后直接测定其生物量，是目前最可靠的植物碳量和生物计量方法，但这会对植物样本产生破坏，并且需要耗费大量人力物力；气体交换法则通过测试树木绿量和植物叶光合能力便可计算净碳量和生物量，这可以减少砍伐量，但会降低其测量精度，同时它更适合匀质区域的植物碳通量的研究。因而，需要设计一种非接触且能够快速准确测量单株乔木碳汇的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述存在的问题，提供一种基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法，该方法能够快速通过结构光扫描仪采集的图像提取乔木的表型参数，并利用相对生长模型计算其生物量，进一步计算出其碳汇量，定量评估单株乔木在林业碳汇中的作用，为碳汇造林，实现碳达峰、碳中和提供辅助的技术手段。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法，包括：
7.(1)采用专门的仪器设备采集单株乔木的图像信息；
8.(2)使用结构光三维重建方法从乔木图像中提取其表型参数；
9.(3)根据乔木的表型参数，利用相对生长模型计算其生物量；
10.(4)根据乔木的生物量，计算其实际碳汇总量。
11.优先地，采用专门的仪器设备采集单株乔木的数字图像具体为：使用双目结构光扫描仪采集乔木的条纹图像，图像个数在10到20张。
12.优先地，使用结构光三维重建方法从乔木图像中提取其表型参数具体为：利用三角测量原理从采集到的乔木条纹图像中恢复其深度信息，重建其三维轮廓及位置；对轮廓提取胸径和树高。
13.优先地，恢复乔木的深度信息的具体步骤为：
14.利用三角测量原理恢复乔木的深度信息：
15.s1x
1t
x
1-s2x
1t
rx2＝x
1t
t
16.s1(rx2)
t
x
1-s2(rx2)
t
rx2＝(rx2)
t
t，
17.其中x1、x2为从两张图象中匹配的像素点的归一化坐标，s1、s2是这两个像素点的深度，r、t分别为相机在这两幅图象之间运动的旋转矩阵和平移向量；
18.联立上述公式进行求解可以得到像素点的深度信息。
19.优先地，利用得到点的深度信息重建乔木的三维点云轮廓，对轮廓进行切片处理，利用霍夫变换圆形检测算法计算胸径，根据连续生长法提取树高。
20.优先地，根据连续生长法提取树高的具体步骤为：
21.将距离每个提取胸径圆心坐标2.5倍半径范围内的点云划分为一个圆柱体区域；
22.在这个圆柱体内沿着z轴方向将其划分为一个个高度为5cm的圆柱体区域；
23.自下而上进行连续性检验，在每一个圆柱体区域内进行点云的z值排序，若z值方向在高度为5cm的体素内有10个以上的点，那么将该z值作为该圆柱体的最高点；
24.循环此算法进行求解，直到不再满足最高点5cm范围内有10个以上点这一条件，那么最终的z值即为该树的最高点。
25.优先地，根据乔木的表型参数，利用相对生长模型计算其生物量具体为：根据相对生长模型计算其地上生物量，依据地下生物量与地上生物量比值得到乔木的总生物量。
26.优先地，根据乔木的表型参数计算其总生物量的具体步骤为：
27.根据胸径和树高，利用相对生长模型计算其地上生物量：
28.w1＝a(d2h)b29.其中，d、h分别表示乔木的胸径和树高，w1表示乔木的地上生物量，a、b为方程中的估计参数；
30.利用乔木的地上生物量来计算其地下生物量：
31.w2＝w1×
rsr
32.其中rsr为乔木的根茎比，w2为乔木的地下生物量；
33.乔木的总生物量为地上生物量w1与地下生物量w2之和。
34.优先地，根据乔木的生物量，计算其实际碳汇总量具体为：用该树种的生物量碳含量将全株生物量转换为碳储量，周期内乔木碳储量的变化量即为碳汇量。
35.优先地，根据乔木的生物量计算其碳汇的具体步骤为：
36.根据全树的含碳系数计算乔木此时的碳储量：
37.c＝w
×
cf
38.其中，w为乔木的总生物量，cf为乔木的含碳系数，c为乔木此时的碳储量；
39.根据乔木不同时刻的碳储量的变化，可以计算其碳汇。
40.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明利用基于结构光三维重建的方法快速准确地计算出单株乔木的碳汇，提高了林业碳汇计算的精度和效率，为碳汇造林，实现碳达峰、碳中和提供辅助的技术手段。
附图说明
41.图1为本发明方法一实施例的基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法的流程图。
42.图2为本发明方法中三角测量原理的示意图
具体实施方式
43.实施例
44.请参阅附图1所示，本实施例提供了一种基于结构光三维重建的单株乔木碳汇的计算方法，包括：
45.(1)采用专门的仪器设备采集单株乔木的图像信息；
46.利用计算机编程产生正弦条纹，将该正弦条纹通过投影设备投影至被测乔木表面，利用ccd相机拍摄其条纹图像10到20张。
47.(2)使用结构光三维重建方法从乔木数字图像中提取其表型参数；
48.利用三角测量原理恢复乔木的深度信息：
49.s1x
1t
x
1-s2x
1t
rx2＝x
1t
t
50.s1(rx2)
t
x
1-s2(rx2)
t
rx2＝(rx2)
t
t，
51.其中x1、x2为从两张图象中匹配的一对像素点的归一化坐标，s1、s2为这对像素点的深度，r、t分别为相机在这两幅图象之间运动的旋转矩阵和平移向量。联立上述公式进行求解可以得到像素点的深度信息。利用深度信息，重建物体的三维点云轮廓；对轮廓进行切片处理，利用霍夫变换圆形检测算法计算胸径；根据提取到的胸径圆心坐标，参照单木建模的连续生长法进行树高的量测。
52.(3)根据乔木的表型参数，利用相对生长模型计算其地上生物量：
53.w1＝a(d2h)b54.其中，d、h分别表示乔木的胸径和树高，w1表示乔木的地上生物量，a、b为方程中的估计参数；
55.依据地上生物量计算乔木的地下生物量：
56.w2＝w1×
rsr
57.其中rsr为乔木的根茎比，w2为乔木的地下生物量乔木的总生物量为地上生物量w1与地下生物量w2之和。
58.(4)根据乔木的生物量，计算其实际碳汇总量。
59.根据全树的含碳系数计算乔木此时的碳储量：
60.c＝w
×
cf
61.其中，w为乔木的总生物量，cf为乔木的含碳系数，c为乔木此时的碳储量，根据乔木不同时刻的碳储量的变化，可以计算其碳汇。
62.本发明未尽事宜为公知技术。
63.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。