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, 2002; 吴富桢, 1992; 大隅真一, 1981)。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10, 15, 20, 30 m，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, 1981)。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, 2004)。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, 2001; 张向华等, 2004; 王秀美等, 2001)。Sinoquet等(1991)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±10 mm。宫鹏等(1999)用加州橡树草原区1970和1995年1:12 000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, 2007; 张祖勋等, 1997; 2007)。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, 2005)。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, 2005; 杨国强, 2005; 贺跃光等, 2001; 冯仲科等, 2001)，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。

1 多基线数字近景摄影测量系统的测量原理

张剑清等(2007)从摄影测量的基本原理出发，提出了由2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 1a所示, 由目标点a进行影像匹配可能获得多解A₁, A₂, A₃; 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A(图 1b)。

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(1997; 2007)、张剑清等(2007)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2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, 2007)。“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, 2005; 张祖勋等, 2007)。

2 多基线数字近景摄影测量系统测树过程和测树因子获取 2.1 多基线数字近景摄影测量系统测树的步骤

1) 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10个像素为最佳。在所测样木上至少出现4个控制点，分布时应满足被摄区域4个角上都有控制点。2)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NTS-352R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(10，10，10), 然后精确测量样木上控制点的相对三维坐标。3)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1 200万像素)，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EF50 mm f/1.4USM。由于距离较近，宽角采用平行摄影，平行摄影的照片重叠度要达到80%，且每个摄站上只摄取1张影像而且被拍摄对象最好占满整个相幅，最少不能少于1/3，相邻摄站距离为拍摄距离的1/10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 2)。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2个立体像对完全可见才能有完整的影像数据。

2.2 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(lensphoto)需要一部普通单反(定焦)数码相机，原则上4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1:500地形图国标精度要求前提下，其最远测距可超过1 500 m，近距离测量可达0.2 mm，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 3所示几个模块组成。

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。

2.3 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 4。

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 5)。

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Z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。

3 试验数据与分析 3.1 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2008年5月14日在河南省济源大沟河林场组织试验，样地为核桃(Juglans regia)-大豆(Glycine max)的农林复合系统，核桃株距3 m、行距4 m，郁闭度0.3~0.4为中度郁闭，以其中5年生绿波2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40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X值、Y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Z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A点坐标(10，10，10)单位为米, 利用全站仪所测控制点坐标如表 1。

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3次取其平均值作为该点的坐标值。比较结果如表 2。

3.2 分析

通过对该立木上40个测试点的坐标数据分析, 从表 2中发现，27, 29, 30, 38, 40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(t检验)，样本容量n＝35，经计算X, Y, Z坐标观测值检验统计量T为T_x= 2.002 954，T_y=1.959 165，T_z= -0.394 118，对于显著水平α＝0.05，查自由度n-1=34的t分布表得t_α/2(34)=t_0.025(34)=2.032 2, 由于X, Y, Z的|T| < t_0.025(34)=2.032 2，说明2种测量方法对同一立木测量值没有显著变化。

3.3 数据处理

以多基线数字摄影测量值为自变量x，全站仪测量值为自变量y，分别对X, Y, Z值做散点图(图 6)，进行线性回归拟合，得出回归方程。

从图 6的回归方程得到，X值的相关指数R²为0.999 3，Y值的相关指数R²为0.998 9，Z值的相关指数R²为1.000 0，置信度为95%，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。

4 结论与展望

1) 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。2)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。

4.2 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。