小论文4556+刘金成+测绘103+赵立中.docx

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小论文4556+刘金成+测绘103+赵立中

森林盗伐数字摄影测量统计方法

摘要:

信息技术的飞速发展为森林资源调查扩大了视野，特别是近景摄影测量技术的进步和计算机影像处理软件的广泛应用，为利用现代信息技术解决林木材积测定，改进林分相关调查的方法与技术，构建了一个现代化、信息化、快捷化的应用技术方法。

本研究主要是以普通数码相机或3D数码相机为信息采集手段，采用现代近景摄影测量技术，通过计算机相关软件进行图像处理，提取立木测树因子数据信息，利用已有的国家一、二元材积模型库中测树模型来进行立木胸径、树高以及材积的预测，从而得出相关树种、树高、地径、胸径以及树材价值等信息的估计。

为森林资源调查和林分评估甚至森林盗伐的定罪量刑等提供了一种新的数字化、自动化、精准化的测量方法。

Inrecentyears,duetotherapiddevelopmentofinformationtechnology,fortheinvestigationofforestresourcestoexpandthehorizons,especiallyextensiveapplicationdevelopmentofcloserangephotogrammetryandcomputerimageprocessingsoftware,astheuseofmoderninformationtechnologytosolvethetimberdeterminationmethodandtechnology,improveforestrelatedinvestigations,tobuildamodern,information-based,fastertheapplicationmethod.Thisstudyisbasedonordinarydigitalcamera（or3Ddigitalcamera）collectionmethodforinformation,usingmoderndigitalcloserangephotogrammetry,imageprocessingbycomputersoftware,standingtreemeasurementfactorsextractedfromthedatainformation,tothetreediameteratbreastheight,treeheightandvolumepredictionusingtreemeasurementmodelthestatetwoyuanvolumemodelinthelibrary,estimatesofrelatedspecies,treeheight,DBHandtreediameter,materialvalueinformation.Fortheinvestigationofforestresourcesandforestassessmentandforestfellingofconvictionandsentencingprovidesadigitization,automation,anewaccuratemeasuringmethod.

【关键词】近景摄影测量；地径；树高；胸径；材积；盗伐林木；森林调查；

1引言

森林生态系统是陆地生态系统的主体，是联系环境保护与自然发展的桥梁，在改善生态环境、维护生态平衡、实现可持续发展中具有不可替代的作用。

尤其是现在很多乱砍乱伐、误砍误伐的现象严重，保护森林生态系统，研究森林盗伐现状显得越来越重要。

从现行的法律文件来看，森林盗伐材积的大小以及盗伐木材的价值是森林案件定罪处罚的主要依据。

而盗伐林木材积的测算方法又有很多，不同测算方法得出的材积值又是不同的，这就为森林盗伐案件的定罪量刑造成了一定困难。

所以我们有必要研究一种较为普遍适用的、唯一的、准确的盗伐森林材积测量统计系统，这就能为森林资源调查提供更为适用的思路，使森林盗伐案件的处理更为科学和合理。

信息技术的发展，极大地推动了现代科技在森林资源调查中广泛应用与发展，这就为现代森林资源调查方法与技术的应用提供了一种全新的思路。

在传统的思想下，面对被误砍误伐、滥砍滥伐的树木，甚至当现场仅留有砍伐后的树根、树坑时，测量人员对此往往束手无策，更别说是对树木的材积进行测定了；即使是要测量，也只是用轮尺、围尺或直尺对树桩等进行简单的测量，且效率极低，更别提建立相应模型了，往往得不出实际性应用。

为改变人们传统的测量思想，突破以前落后的森林调查方法与技术，建立一种现代化、数字化、快捷化、实用化的森林调查技术与方法。

针对传统森林调查弊端，本研究应用最新数字化手段，以3D相机正直摄影为手段，采用近景摄影测量技术和计算机图像处理技术，从盗伐树木的树桩上获取树木数据信息（地径），建立盗伐树木地径—胸径模型，然后利用已知相关测树模型来对树高、材积、树材价值信息等进行预测分析，改变了传统测量方法的量测、读数、记录、录入、处理过程，更精确、快捷的完成对盗伐树木以及森林资源的分析研究。

通过国家库中相应已知模型对采集数据信息进行分析处理，得出所需信息，并以此为基础，对所得数据进行分析，建立更适合盗伐森林研究的模型系统，为盗伐森林体系的研究应用提供一个实用性平台。

这为预防、打击森林盗伐现象的发生，甚至对滥砍滥伐的犯罪行为的定罪量刑提供了较为准确的依据。

2摄影测量基础理论

2.1直接线性变换解算模型（DLT）

直接线性变换理论推导图示

由共线方程推导后的直接线性变换（DLT）解法的数学模型如下：

式中，（x，y）为目标点像方空间坐标，（X，Y，Z）为目标点物方空间坐标，Li为系数（i=1,2，···，11）。

由直接线性变换解法的数学模型的推导中，我们可知系数Li是相机内外方位元素以及dβ和ds的函数，具体关系为：

该算法的基本原理是：

在直接线性变换解算之前，我们假定物方坐标（X，Y，Z）与像方坐标（x，y）之间存在一定的函数关系，且其函数中包含若干未知参数，此时需要我们根据一组已知的物方像方坐标（X，Y，Z，x，y），联立求解假定模型中的未知参数，从而得出（X，Y，Z）与（x，y）的函数关系，此为标定；在标定完后，我们根据求得的物方像方映射关系模型，由已知的某一像方坐标（x，y）代入，即可求出对应物方坐标（X，Y，Z），此为重构。

有该算法的基本原理我们可知，此方法是通过求解未知线性方程的未知参数来建立模型，从而求得相机模型的参数的，无需由相机内外方位元素的起始近似值来解算，因此该方法特别适用于下面我们要介绍的非量测相机所拍摄影像的处理。

2.2二维直接线性变换模型

在实际应用中，当被测物体是二维目标时，此时Z将成为常数，即上面所求的三维空间坐标的解算模型中的L3Z+L4，L7Z+L8，L11Z+1三个多项式也将成为常数，也就说此时二维直接线性变换模型可化简为：

式中：

令

；

；

；

；

；

；

；

。

3盗伐材积统计方法

3.1树种的预测

在树木材积测定之前，我们首先要做的就是对盗伐树木的树种进行相应确定。

具体确定原则可参考以下几点：

（1）根据盗伐后留有的树桩，利用自己以往的经验和知识来确定盗伐树种类型；

（2）观察对比被盗伐树木周围的树木类型，以此来确定被盗伐树木的树种类型；

（3）研究全国各种树种类型分布规律，根据当地环境类型进行树种的相应预测。

3.2地径数字摄影测量方法

3.2.1普通相机后退式摄影测量法

用检校后的普通数码相机对盗伐后的树桩（树坑）进行正直摄影（注意：

要保证相机为定焦f0；

保持相机拍摄时的正直性），首先在任意高度h0处的S点拍摄一张相片，然后在其正直方向上移动确定距离δh，此点记为Sº，在此位置再拍摄一张相片。

此时得到垂直方向上同一地径的两张照片。

将拍摄的两张照片分别导入Photoshop软件中，分别对相中地径的长度进行量测，注意此时将Photoshop中的单位设置改为厘米，得出两张照片中地径在照片中的长度a、aº。

接下来由在垂直方向上同一地径的两张照片，根据相似三角形原理推导出a、aº、后退距离δh与所测地径的关系式，即可由某一确定的后退距离δh很容易求出地径D0的大小。

（推导原理如下图所示）

上式中令

，

非量测后退式摄影测量法量测地径是我们推荐的测量地径的方法，因为此法有如下几点优点：

（1）对拍摄相机要求不高，普通数码相机即可；

（2）不用量取很多数据，用最少的量就能推出结果，简化了计算过程；（3）方便了操作过程，不用纸笔记录，方便了数据保存与后期调用；（4）减弱了不良天气条件对测量结果的影响，削减了测量条件限制；（5）改变了传统的测量方式，提高了盗伐材积测量的准确度和科学性。

3.2.2普通3D相机拍摄立体像对法

首先用普通3D相机在盗伐后的树桩（树坑）正上方任意位置处对其进行正直拍摄（注意：

要保证相机为定焦f0；

保持相机拍摄时的正直性），即可得到所测地径的3D相片。

然后用stphmkre4.22chs软件将拍摄的地径的3D相片拆成左右两张单片，即可得到所测地径的立体像对。

最后再利用PhotoShop软件对两张单片进行处理，求得所测地径的值D0。

3.3地径-胸径模型的建立

首先，熟悉被盗伐树木周围的情况，至少选择30棵以上与被盗伐树木相同的树种进行单木的地径、胸径的测量，并按径阶分别将其记录于每木调查表中，即可测得一组地径D0和胸径D1.3，数据保留一位小数。

图地径-胸径模型示意图

其次，对比分析这组地径D0和胸径D1.3数据，观察其特点，并尝试建立地径—胸径的模型。

选取经典数学关系模型

和

，以此来建立地径—胸径的数学关系模型。

在评判模型是否最佳时，评价指标有很多，但我们习惯将决定系数（R2）、估计值的标准差（SEE）、总相对误差（TRE）、平均系统误差（MSE）、平均预估误差（MPE）和平均百分标准误差（MPSE）等6项指标作为基本评价指标：

决定系数（R2）：

估计值的标准差（SEE）:

总相对误差（TRE）:

平均系统误差（MSE）:

平均预估误差（MPE）

平均百分标准误差（MPSE）

式中：

—实际观测值；

—模型预估值；

—样本平均值；n—样本单元数；p—参数个数；tα—置信水平α时的t值。

在这6项评价指标中，R2和SEE是回归模型的最常用指标，反映了模型的拟合优度；TRE和MSE是反映拟合效果的重要指标，二者都应该控制在一定范围内（如±3%或±5%），趋于0时效果最好；MPE是反映平均生物量估计值的精度指标；MPSE是反映单株生物量估计值的精度指标。

除此之外，拟合好的模型还要求参数稳定、残差分布随机等。

3.4盗伐材积预测

利用上一步骤建立的地径—胸径模型求出的胸径D1.3，根据国家库中有关树种胸径—树高一元模型

，求出相应的树高H。

然后利用国家库中有关树种的材积二元模型

，将求得的胸径D1.3和树高H代入，即可求得相应树种的材积V，即

。

每棵树材积加和即为盗伐区总的盗伐材积。

4应用与分析

森林盗伐材积数字摄影测量方法材积统计方法框图如图所示，首先选取同一树种盗伐树木附近20余棵，分别量取地径、胸径，然后建立胸径-地径模型，根据胸径-树高模型推算树高H，最后根据国家二元材积模型预测材积。

为了更好的进行胸径-地径模型的拟合，在VisualStadio2010集成开发环境、.NETFramwork4.0框架下使用c#语言编写了地径-胸径模型拟合软件，并可以计算相应的检验参数，软件界面如下图所示：

图地径-胸径模型拟合软件界面

选取北京鹫峰实验林场的25棵速生杨作为试验样本，量取每株树木的胸径、地径、树高，并将国家二元材积模型所解算出的材积作为真值将这种材积统计信息系统应用于此，用这种材积测算方法对待分析区的盗伐材积进行预测。

根据地径-胸径的散点图，选取2种常用的拟合地径-胸径的数学模型，分别为：

其中，均方差（RMSE）:

0.745312778725407

残差平方和（SSE）:

13.8872784532847

相关系数（R）:

0.989459487955743

相关系数之平方（R^2）:

0.97903007830564

决定系数（DC）:

0.97903007830564

卡方系数（Chi-Square）:

0.378777068318164

F统计（F-Statistic）:

1073.80905514237

其中，均方差（RMSE）:

0.745503064782143

残差平方和（SSE）:

13.8943704899892

相关系数（R）:

0.989455303824895

相关系数之平方（R^2）:

0.979021798267215

决定系数（DC）:

0.979019369263199

卡方系数（Chi-Square）:

0.37926040127572

F统计（F-Statistic）:

1073.37614763018

通过分析上面两种常用的模型拟合情况，我们选择地径-胸径模型

利用国家胸径-树高模型及国家二元材积模型计算预测数高H和材积V，如下表所示，通过与作为真值的实际测量的胸径、树高带入国家二元材积表所得到的材积进行比较，分析结果误差小于5%，结果表明，我们这种森林盗伐木数字摄影材积统计法具有较高的精度，能够准确地反映盗伐试验区的盗伐木材积量。

编号

树种

实测地径

预测胸径

预测树高H

预测材积V

1

速生杨

27.00

22.0714

21.82975

0.398675

2

速生杨

26.25

22.43563

21.48283

0.372524

3

速生杨

28.30

23.9191

22.288

0.435211

4

速生杨

31.00

28.4622

23.63313

0.556532

5

速生杨

18.60

16.4421

17.48347

0.151451

6

速生杨

26.10

22.30847

21.41311

0.367421

7

速生杨

19.30

16.54411

18.13597

0.178606

8

速生杨

15.70

13.87716

16.36025

0.111501

9

速生杨

14.30

12.33561

15.58072

0.088385

10

速生杨

19.50

18.91365

18.23561

0.183025

11

速生杨

17.90

15.85733

17.43294

0.149473

12

速生杨

13.20

11.37314

15.00201

0.073449

13

速生杨

11.90

10.27113

14.31039

0.057898

14

速生杨

24.10

21.81307

20.47293

0.303369

15

速生杨

16.80

14.42486

16.87377

0.128746

16

速生杨

16.70

13.91624

16.56625

0.118219

17

速生杨

31.10

26.54697

23.6772

0.560885

18

速生杨

15.60

13.80762

16.25696

0.108231

19

速生杨

14.70

11.24469

15.78968

0.094234

20

速生杨

14.70

12.54469

15.78968

0.094234

21

速生杨

12.40

11.1559

14.36388

0.059016

22

速生杨

24.90

21.9283

20.42541

0.300359

23

速生杨

22.50

19.25675

19.70658

0.257349

24

速生杨

25.80

22.05416

21.27334

0.357341

25

速生杨

23.75

21.31638

20.30637

0.292912

5总结

本研究通过摄影测量的方法获取最基础的测树因子数据，利用地径-胸径、胸径-树高、胸径树高二元材积的模型关系最终求得森林盗伐的材积量，通过实践可以看出，本方法操作简便，实用性较强，经度符合林业测量要求，希望能够在接下来的研究中继续提高材积模型的预测精度，尤其是继续提高地径-胸径模型的计算准确度，为预防、打击森林盗伐现象的发生，甚至对滥砍滥伐的犯罪行为的定罪量刑提供更为准确的科学依据。

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