全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
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林 业 科 学
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多基线数字近景摄影测量系统测树方法及数据分析!
刘千里% 6 李春友% 6 孟 6 平# 6 柳瑞武% 6 张劲松# 6 高 6 峻#
（%5 河北农业大学园林与旅游学院 6 保定 $7%$$$；6 # 5 中国林业科学研究院林业研究所 6 北京 %$$$8%）
关键词：6 多基线；数字近景摄影测量；数据分析；测树
中图分类号：&79:6 6 6 文献标识码：,6 6 6 文章编号：%$$% ; 7!::（#$%$）$# ; $%"" ; $9
收稿日期：#$$: ; $" ; #<。
基金项目：国家自然科学基金（<$77$!$%），国家林业科技支撑计划（#$$"=,>?<,$9$9）。
!李春友为通讯作者。
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6 6 传统的测树方法是用轮尺、直径卷尺和检径尺
（钩尺）、围尺等测量树的胸径，而对于树木上部直
径的测量就显得无能为力，并且目前对于立木上部
直径的测量都没有很好的方法（孟宪宇，#$$#；吴富
桢，%88#；大隅真一，%8:%）。对于树高，在我国常用
的是布鲁莱斯测高器，用该测高器时先要测出测点
至树木的水平距离，且要等于整数 %$，%9，#$，<$ R，
测量效率较低，并且测量结果受人为因素影响较大，
精度不够高（大隅真一，%8:%）。而对于树冠实际上
不可能直接量测，且树冠轮廓的不规则导致在野外
测定树冠的直径非常困难。目前常用的方法是确定
树冠周边在地上的垂直投影，并对其投影量测直径；
但由于森林环境的限制，很难得到树冠的准确投影，
因此这种方法只能粗略的测量（刘益军等，#$$!）。
若在树木上选定一些能描述其形态结构的特征点，
获取其在三维坐标系中的坐标值，就能方便地获取
测树因子（郭焱等，#$$%；张向华等，#$$!；王秀美
等，#$$%）。&@D/YA3Q 等（%88%）为测定作物冠层的空
间坐标所采用的基于声学原理的三维数字化仪，其
精度为 Z %$ RR。宫鹏等（%888）用加州橡树草原区
%87$ 和 %889 年 % [ %# $$$比例尺航空摄影立体像
对，构建有别于数字地形模型的该模型，数字表面模
型上记录着树冠和其他景观的三维表面坐标。随着
近景摄影测量的不断发展，近年来由武汉朗视软件
有限公司根据张祖勋院士提出的计算机视觉代替人
眼的“短基线、多影像摄影测量”原理，开发了多基
线数字近景摄影测量系统，该系统能将少量全站仪
测量的高精度点位坐标与摄影测量丰富的影像信息
结合起来，建立高精度三维空间点阵数据（张剑清
等，#$$7；张祖勋等，%887；#$$7）。通过应用多基
线数字近景摄影测量系统获取单株树木的三维空间
点阵数据，可以非常方便地获取测树因子（韩光瞬
等，#$$9）。这些测树因子包括树的高度、树的胸
径、树冠的体积和形状等，并利用空间点阵数据实现
树木的三维表达。该方法是一种瞬间获取被测物体
大量物理信息和几何信息的测量手段，作为信息载
体的相片或影像包含被测目标最大的信息，特别适
用于形态结构复杂测量（王志和，#$$9；杨国强，
#$$9；贺跃光等，#$$%；冯仲科等，#$$%），它为林业
工作者提供了测树的有力工具，同时又是一种非接
! 第 " 期 刘千里等：多基线数字近景摄影测量系统测树方法及数据分析
触性量测手段，不伤及测量目标，不干扰被测物自然
状态，保护了生态环境。此外所摄取的照片及资料
便于存档供日后做详细的比较研究。
!" 多基线数字近景摄影测量系统的测量原理
张剑清等（"##$）从摄影测量的基本原理出发，
提出了由 " 幅二维影像所构成的“单基线”立体像
对重建三维空间是一个“病态”问题。如图 %& 所
示，由目标点 ! 进行影像匹配可能获得多解 "%，""，
"’；若采用多基线影像进行匹配，正确的光线只能
交于同一点，就能较好地得到匹配点 "（图 %(）。
在传统单基线摄影测量中，自动匹配和交会难以
兼顾。多基线摄影测量是一种“多目”视觉方法，是
根据张祖勋等（%))$；"##$）、张剑清等（"##$）提出的
计算机视觉代替人眼的“短基线、多影像摄影测量”
原理，采用短基线获取大重叠度的序列影像，在短基
线序列影像中，相邻的 " 幅影像摄影基线短、交会角
小，可用于自动匹配，而首尾的影像摄影基线长、交会
角大，并且有多个观测值，交会时可以提高精度。由
多基线摄影测量方法获取的序列影像既有利于影像
的自动匹配，同时也可以提高交会精度，克服了单基
线的缺陷。该系统将少量全站仪测量的高精度点位
坐标与摄影测量丰富的影像信息结合起来，建立高精
度的数字化模型（张祖勋等，"##$）。“短基线、多影像
摄影测量”的主要特点是：首先按要求拍摄大量具有
较短基线和不同交会角的序列影像，然后通过少量物
方控制点的空间坐标及其对应的像点坐标建立空间
关系，从而解算出相机参数和影像外方位元素，进而
计算出由先进匹配算法获取的大量同名点的空间坐
标（杨国强，"##*；张祖勋等，"##$）。
图 %! 单基线立体影像与多基线立体影像
+,-. %! /,0-12 (&321,02 342526 ,7&-23 &08
7914,:(&321,023 342526 ,7&-23
#" 多基线数字近景摄影测量系统测树过程和测树
因子获取
"; %! 多基线数字近景摄影测量系统测树的步骤 !
%）控制点布设 ! 为了使拍摄的照片可供量测，并且
可提供高的量测精度，根据样木的位置、大小形态和
需要获取的重点测树因子需要在样木上均匀布设控
制点。标定控制点的控制牌的大小应在所获得的影
像上占 %# 个像素为最佳。在所测样木上至少出现
< 个控制点，分布时应满足被摄区域 < 个角上都有
控制点。"）利用全站仪精确测量控制点坐标 ! 该
系统利用的全站仪为南方测绘仪器公司生产的型号
为 =>/:’*"? 免棱镜全站仪，该型号的全站仪可以
不架设棱镜，系统会自动发出一束红外线照射到被
测物体上然后反射回来完成测量过程，这就要求所
制作的控制牌光滑且反射性强，而且要求天气晴朗、
被测样木清晰可见，这样才能保证测量精度。选择
合适的测站架设好全站仪，可以假设该测站坐标为
（%#，%#，%#），然后精确测量样木上控制点的相对三
维坐标。’）树木影像采集 ! 该步骤是本系统测树
过程最关键的一步，照片质量好坏直接影响系统处
理数据的精度，因此，相机要用高分辨率的（不低于
% "##万像素），在对样木进行拍摄之前要对现场进
行考察，选择合适的拍摄距离和拍摄地点，根据拍摄
样木的大小、拍摄距离选择合适的相机镜头，一般在
林业 测 量 上 选 择 标 准 定 焦 镜 头 @+*# 77 A B
%; 摄影的照片重叠度要达到 E#F，且每个摄站上只摄
取 % 张影像而且被拍摄对象最好占满整个相幅，最
少不能少于 % B ’，相邻摄站距离为拍摄距离的% B %#
左右为宜，拍摄时相机镜头焦距打到无穷远，选择手
动变焦，光圈快门可以使用自动（以拍摄的照片清
晰为前提）（图 "）。取像及摄站顺序应遵守从左向
右顺序。由于树木位于农林复合系统当中，拍照时
有部分遮挡，根据系统要求必须至少有 " 个立体像
对完全可见才能有完整的影像数据。
图 "! 平行拍摄示意
+,-. "! /GH27&4,G 8,&-5&7 6A I&5&1121 IH646-5&IHJ
"; "! 多基线数字近景摄影测量系统介绍及数据处
理! 多基线数字近景摄影测量系统（ 1203IH646）需要
一部普通单反（定焦）数码相机，原则上 < 个控制点
就可以很快完成一个区域（对象）的精确测量和建
模，其面积可从零点几平米到数万平米。在满足成
%K *## 地形图国标精度要求前提下，其最远测距可
超过% *## 7，近距离测量可达 #; " 77，三维重建将
有自动纹理的功能。多基线数字近景摄影测量系统
由图 ’ 所示几个模块组成。
$L%
林 业 科 学 !" 卷 #
图 $# 系统主界面
%&’( $# )*+,-./0, 1. 232+,4
# # 通过该系统以上几个模块功能处理数据可以得
到基于三维空间坐标的各种产品，包括各类数据、图
形、图 像、数 字 表 面 模 型 以 及 三 维 动 态 序 列
影像等。 # #
56 $# 测树因子的获取 # 多基线数字近景摄影测量
系统软件数据处理流程如图 !。
图 !# 数据处理流程
%&’( !# 7/+/ 8-10,22&*’ .91:
# # 通过以上流程对数据进行处理可以得到样木的
三维空间点阵数据（图 ;）。
图 ;# 三维空间点云
%&’( ;# <=-,,>?&4,*2&1*/9 28/0, 81&*+2 091@?
利用系统建立的样木三维点云，在立体编辑模
块下可建立样木的立体模型，配合立体显示器和立
体眼镜在立体模型上用鼠标点击树梢和树基，运用
求取距离的功能菜单得到样木树高。同理，用同样
的方法得到样木的胸径和冠幅。通过建立样木的三
维立体模型，在树冠三维模型的表面沿 ! 轴方向每
隔一段距离划分有限个圆台体，树梢处以圆锥体计
算，用圆台体来近似逼近样木树冠的表面积、体积和
容积。
!" 试验数据与分析
$6 A# 试验数据 # 为了验证用多基线数字近景摄影
测量系统可以做到对树木的精准测量，于 5BBC 年 ;
月 A! 日在河南省济源大沟河林场组织试验，样地为
核桃（ "#$%&’( )*$+&）D 大豆（,%-.+’* /&0）的农林复
合系统，核桃株距 $ 4、行距 ! 4，郁闭度 B6 $ E B6 !
为中度郁闭，以其中 ; 年生绿波 5 号核桃为例，对其
进行了精准摄影量测，在该植物体上选择能表现该
植物体三维形态的 !B 个点作为测试点，布设测试点
的顺序为从下到上、从左到右、从枝基部到枝顶端，
按照从小号到大号的原则依次布设。因为摄影测量
所测量的 1 值、2 值的精度直接决定植物胸径、冠幅
等测树因子的精度，所测的 ! 值精度直接决定树
高、枝下高等测树因子的精度，所以考察该系统测量
C"A
! 第 " 期 刘千里等：多基线数字近景摄影测量系统测树方法及数据分析
植物体上测试点三维坐标值来说明该系统可以做到
树木的精确测量。假设测站 ! 点坐标（#$，#$，#$）
单位为米，利用全站仪所测控制点坐标如表 #。
为了消除摄影测量时人眼所产生的误差，本试
验采用对测试点测量 % 次取其平均值作为该点的坐
标值。比较结果如表 "。
%& "! 分析 ! 通过对该立木上 ’$ 个测试点的坐标数
据分析，从表 " 中发现，"(，")，%$，%*，’$ 号点坐标
差值较大，为树冠侧枝上的测试点，受外界风力影响
较大，为错点删除。以多基线数字摄影测量坐标值
表 !" 控制点三维坐标
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点名
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表 6" 立木控制点的多基线数字近景摄影测量数据和全站仪测量数据比较
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210/)*($.8) 5’0308($--)3(9 $.+ 303$1 /3$3,0.
点号
+,-./ 6,7
多基线数字近景摄影测量
89:/-;<0=2:-.2 >-?-/0: @:,=2;A0.?2 BC,/,?A0112/AD
全站仪测量
E,/0: =/0/-,.
差值
F-GG2A2.@2
" 3 1 # 3 1 $ 3 1 " 3 1 # 3 1 $ 3 1 " 3 1 # 3 1 $ 3 1
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)5#
林 业 科 学 !" 卷 #
与全站仪坐标测量值为配对数据，进行配对数据的
显著性检验（ ! 检验），样本容量 " $ %&，经计算 #，$，
% 坐标观测值检验统计量 & 为 &’ $ ’( ))’ *&!，&( $
+( *&* +"&，&) $ , )( %*! ++-，对于显著水平 ! $
)( )&，查自由度 " , + $ %! 的 ! 分布表得 !! . ’（%!）$
!)( )’&（%!）$ ’( )%’ ’，由于 #，$，% 的 / & / 0 !)( )’&（%!）
$ ’( )%’ ’，说明 ’ 种测量方法对同一立木测量值没
有显著变化。
%( %# 数据处理# 以多基线数字摄影测量值为自变量
’，全站仪测量值为自变量 (，分别对 #，$，% 值做散
点图（图 "），进行线性回归拟合，得出回归方程。
图 "# 立木三维坐标 #，$，% 值散点
1234 -# 567889:2;8<=2>>7:2C #，$，% =A?BB878:
D@>B >C =B?<:2<3 B788
从图 " 的回归方程得到，# 值的相关指数 *’ 为
)( *** %，$ 值的相关指数 *’ 为)( **- *，% 值的相关
指数 *’ 为+( ))) )，置信度为 *&E，说明多基线数字
近景摄影测量值与全站仪测量值紧密相关，可以满
足林业上的测树要求。
!" 结论与展望
!( +# 结论 # +）用数字近景摄影测量系统测树不仅
能够满足林业上测树的要求，而且能够获取较多的
# # # #
测树因子。用该系统测树不仅能够获得树高、胸径
等测树因子，还可以获得用传统的方法难以获取的
树冠表面积、形状、分枝角度等测树因子。’）该方
法可提供基于三维空间坐标的各种产品，包括各类
数据、图形、图像、数字表面模型以及三维动态序列
影像等，大大拓展了测树的空间。
!( ’# 展望 # 用多基线近景摄影测量系统可以对同
一株样木进行多角度拍摄测量，获得多幅点云图和
海量数据然后将几个测站数据拼接起来整体平差，
建立起样木的三维模型，实现三维可视化表达。如
何通过样木的三维模型建立小班林分的三维模型，
从而实现林分的三维可视化表达，将是以后研究的
重点。
参 考 文 献
大隅真一 ( +*-+4 森林计测学 4 于璞和，译 4 北京：中国林业出版社 4
冯仲科，殷嘉俭，贾建华，等 4 ’))+4 数字近景摄影测量用于森林固
定样地测树的研究 4 北京林业大学学报，’%（&）：+& , +-4
宫 # 鹏，梅雪良，张祖勋 4 +***4 利用数字摄影测量探测橡树草原
变化 4 遥感学报，%（!）：’-& , ’-*4
郭 # 焱，李保国 4 ’))+4 虚拟植物的研究进展 4 科学通报，!"（!）：
’F% , ’-)4
韩光瞬，冯仲科，刘永霞，等 4 ’))&4 三维激光扫描系统测树原理及
精度分析 4 北京林业大学学报，’F（增刊 ’）：+-F , +*)4
贺跃光，王秀美，曾卓乔 4 ’))+4 数字化近景摄影测量系统及其应
用 4 矿冶工程，’+（!）：+ , %4
刘益军，张子树 4 ’))!4 数码相机用于经济林生态测量的探讨 4 经
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孟宪宇 4 ’))’4 测树学 4 北京：中国林业出版社 4
王秀美，曾卓乔 4 ’))+4 数字摄影测量技术在森林调查中的应用研
究 4 林业资源管理，（+）：%+ , %&4
王志和 4 ’))&4 近景树木的三维可视化重建 4 武汉大学硕士学位
论文 4
吴富桢 4 +**’4 测树学 4 北京：中国林业出版社 4
杨国强 4 ’))&4 数字近景摄影测量系统研究 4 西安科技大学硕士学
位论文 4
张剑清，胡安文 4 ’))F4 多基线摄影测量前方交会方法及精度分析 4
武汉大学学报：信息科学版，%’（+)）：-!F , -&)4
张向华，陆载涵，宋小春 4 ’))!4 图像测量技术在森林调查中的应
用 4 湖北工学院学报，+*（+）：%" , %-4
张祖勋，杨生春，张剑清，等 4 ’))F4 多基线 , 数字近景摄影测量 4
地理空间信息，&（+）：+ , !4
张祖勋，张剑清 4 +**F4 数字摄影测量学 4 武汉：武汉大学出版社 4
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（责任编辑 # 石红青）
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