一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法。该方法包括以下步骤：测量样地树木冠层平均高度，采集并统计样地典型树叶冠层基本组分平均大小，设计观测方案并采用半球成像方法收集样地冠顶或冠底半球影像序列，对半球影像二值化，基于冠层平均高度和天顶角参数计算半球影像像素实际大小和有限长度单元长度，从二值化半球影像序列中抽取间隙大小分布及有限长度单元样线，并分别采用间隙大小分布和有限长度平均算法公式计算得到植被冠层聚集指数。本方法可解决传统方法基于半球影像开展植被冠层聚集效应评估时，其像素大小无法转换为实际尺寸的缺陷，从而有效消除冠层基本组分平均大小及有限长度单元尺度等因素给评估带来的误差影响。

A quantitative evaluation method for canopy aggregation effects of Vegetation Based on hemispheric imagery

The present invention relates to a quantitative evaluation method for vegetation canopy aggregation effect based on hemispherical image. The method comprises the following steps: measuring sample trees mean canopy height, acquisition and statistical sample of typical basic components of the average size of canopy leaves, and the design plan of observation methods like hemispherical imaging or crown crown bottom hemisphere image sequence of hemisphere image binarization, image pixel size and the actual calculation of hemisphere of finite length unit of length, mean canopy height and zenith angle parameters based on the extraction of gap size distribution and finite length unit line hemisphere image sequence from two values were used and the gap size distribution and finite length average algorithm formula of vegetation canopy aggregation index. This method can solve the traditional method of image hemisphere carried out to assess the vegetation canopy based on aggregation effect, the pixel size cannot be converted to the actual size of the defect, so as to effectively eliminate the errors in the canopy of basic components of average size and finite length unit scale and other factors to assess the response.

【技术实现步骤摘要】
一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法
本专利技术涉及植被冠层聚集效应定量评估
，具体涉及一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法。
技术介绍
叶面积指数(leafareaindex，LAI)为无量纲，它可定义为单位地表面积上所有绿色植物器官表面积的一半。作为表征植被冠层结构的核心参数之一，LAI控制着植被冠层的多种生物物理和生理过程，如光合、呼吸、蒸腾、碳循环、降水截获和能量交换等。目前LAI已广泛应用于林学、植物学、生态学、农学等领域。植被冠层地面LAI测量方法主要分为直接测量方法和间接测量方法。直接测量方法历史悠久、技术成熟、测量精度较高，但由于需破坏性采样，费时费力，仅适用于小范围测量。与直接测量方法相比，间接测量方法具有经济、高效等特点，因此一般情况下植被冠层地面LAI测量均采用间接测量方法。间接测量方法中又以光学测量方法应用最为广泛，其主要包括LAI-2000、HemiView、TRAC、DHP（DigitalHemispheralPhotography，半球摄影方法）和SunScan等测量手段。大量研究表明，与直接测量方法相比，LAI光学测量方法通常会低估LAI真实值约20%~50%，地面LAI光学测量方法低估主要由植被冠层聚集效应引起，因此开展植被冠层聚集效应定量评估对应地面LAI间接测量方法精度及可靠性至为重要。传统LAI光学测量方法理论模型均为间隙率模型，该模型假设冠层基本组分为混浊介质，即空间分布为随机分布。实际上绝大部分植被冠层的基本组分空间分布均不随机，即冠层基本组分存在聚集效应。冠层内部两个尺度（冠层基本组分和冠层基本组分内部）均存在聚集效应，因而可分为冠层基本组分聚集效应和冠层基本组分内部聚集效应，同时冠层聚集指数又可分为冠层基本组分聚集指数（Ωe）和木质组分聚集指数（Ωw）。鉴于森林冠层三维结构的高度复杂性和异质性，目前可用来定量评估冠层基本组分聚集效应的有效手段和方法不多，主要包括TRAC、DHP、MVI、MCI等测量方法。TRAC、DHP方法可用于冠层基本组分聚集效应定量评估，MCI方法可同时应用于森林冠层多天顶角、多方位角方向冠层基本组分和木质组分聚集指数测量。与DHP方法相比，MCI采用框幅相机拍摄冠层多光谱影像，利用MCI冠层影像可直接测量冠层间隙和冠层要素的实际大小，因而MCI较DHP方法更适合于开展冠层基本组分和木质组分聚集指数测量。DHP方法与其它方法，如TRAC相比，具有测量效率高、单次可测量多个天顶角方向冠层基本组分聚集指数等优点，TRAC测量方法单次仅可测量太阳入射天顶角方向植被冠层冠层基本组分聚集指数，同时其测量需具备严格的天气条件；DHP影像除可用于植被冠层聚集指数计算外，其还可用于植被冠层多天顶角方向间隙率及LAI计算；DHP影像作为对植被冠层结构信息的永久记录，其表达形式更为生动、形象，更有利于半球影像利用及信息提取。目前常见的冠层聚集效应定量评估算法不多，主要有4种：间隙大小分布算法（gap-sizedistributionalgorithm）、有限长度平均算法（logarithmicgapaveragingalgorithm）、联合法（thecombinationoflogarithmicgapaveragingandgapsizedistributionalgorithm）和偏析系数理论算法（Pielousegregationcoefficientalgorithm）。间隙大小分布算法由Miller等提出，后经陈镜明等进一步发展并应用于TRAC测量方法。间隙大小分布算法认为在同一间隙率条件下，不同的冠层聚集效应对应不同的间隙大小分布，因而间隙大小分布可用于定量描述冠层要素的聚集效应。Leblanc等之后将间隙大小分布算法拓展于半球影像开展森林冠层基本组分聚集指数测量，但由于半球影像其像素大小代表一定大小的立体角度值，因此间隙大小分布算法应用于森林冠层聚集指数测量时开展了适应性修改，同时采用了循环迭代的方法间接反演冠层基本组分大小参数。Lang等基于统计学提出了有限长度平均算法，其认为在有限长度样线上对冠层间隙取对数平均可消除冠层聚集效应，有限长度为叶片平均单元大小的10倍。有限长度平均算法假设有限长度单元内部冠层组分随机分布，因此Leblanc等将间隙大小分布算法引入用于评估有限长度单元内部冠层组分聚集效应。半球影像其像素大小代表一定的角度值，当将间隙大小分布算法应用于半球影像开展冠层聚集效应评估时，迭代法反演的冠层基本组分大小结果常比样地实测值大2-3倍，同时由于间隙大小分布算法其理论间隙大小单位常为m，因此上述两个因素均给间隙大小分布算法测量精度带来了较大的影响。有限长度平均算法认为在有限长度样线上对冠层间隙率取对数平均可消除冠层聚集效应，有限单元长度为叶片平均单元大小的10倍，而当将有限长度平均法应用于半球影像时，由于半球影像像素大小单位为角度，因此无法解算以像素为单位的合理的有限长度单元大小，研究发现，不同的有限长度单位大小其植被冠层聚集指数测量结果差异显著。而以冠层平均高度作为先验知识用于植被冠层聚集指数测量，并克服目前相关算法存在的缺陷及不足，目前国内外公开文献还没有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法，该方法有利于提高评估的精度和可靠性。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法，当该方法采用间隙大小分布算法进行聚集效应定量评估时，包括以下步骤：步骤A1：测量样地内所有单株树木树高，计算样地冠层平均高度h，采集样地内典型树叶或针叶簇，并统计其冠层基本组分平均大小Wp；步骤A2：采用半球成像观测系统拍摄样地冠顶或冠底半球影像；步骤A3：对步骤A2获得的半球影像进行二值化处理，二值化后的半球影像仅有“黑”、“白”两种像素，分别代表冠层基本组分及天空；步骤A4：依次从步骤A3获得的二值化半球影像序列中抽取环形样线，其样线宽度为1个像素，环形样线在半球影像上对应的天顶角与植被冠层聚集指数测量的天顶角一致，将从样地各观测点半球影像序列上抽取的样线合并为一条完整的样线，统计单个半球影像上环形样线像素总数Npixel；步骤A5：将步骤A1获得的冠层平均高度h代入式（1）计算半球影像像素实际尺寸大小Dpixel：(1)式中θ为环形样线所在天顶角，Npixel为环形样线像素总数，h为冠层平均高度；步骤A6：将步骤A4抽取的以像素个数为单位的间隙大小分布乘以步骤A5获得的像素实际尺寸大小Dpixel，统计各间隙大小类型累积间隙率，并按间隙大小升序排列，形成第一测量间隙大小分布曲线Fm1；步骤A7：计算所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1对应的冠层要素随机分布条件下的第一间隙大小随机分布曲线Fr1；步骤A8：当所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或第一测量间隙大小分布曲线Fm1部分位于第一间隙大小随机分布曲线Fr1之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1即为最终的曲线Fmr并转至步骤A12；步骤A9：移除所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1中最大的一个间隙大小类型，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法，其特征在于，当该方法采用间隙大小分布算法进行聚集效应定量评估时，包括以下步骤：步骤A1：测量样地内所有单株树木树高，计算样地冠层平均高度h，采集样地内典型树叶或针叶簇，并统计其冠层基本组分平均大小W

【技术特征摘要】
1.一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法，其特征在于，当该方法采用间隙大小分布算法进行聚集效应定量评估时，包括以下步骤：步骤A1：测量样地内所有单株树木树高，计算样地冠层平均高度h，采集样地内典型树叶或针叶簇，并统计其冠层基本组分平均大小Wp；步骤A2：采用半球成像观测系统拍摄样地冠顶或冠底半球影像；步骤A3：对步骤A2获得的半球影像进行二值化处理，二值化后的半球影像仅有“黑”、“白”两种像素，分别代表冠层基本组分及天空；步骤A4：依次从步骤A3获得的二值化半球影像序列中抽取环形样线，其样线宽度为1个像素，环形样线在半球影像上对应的天顶角与植被冠层聚集指数测量的天顶角一致，将从样地各观测点半球影像序列上抽取的样线合并为一条完整的样线，统计单个半球影像上环形样线像素总数Npixel；步骤A5：将步骤A1获得的冠层平均高度h代入式(1)计算半球影像像素实际尺寸大小Dpixel：Dpixel＝2π(h·tanθ)/Npixel(1)式中θ为环形样线所在天顶角，Npixel为环形样线像素总数，h为冠层平均高度；步骤A6：将步骤A4抽取的以像素个数为单位的间隙大小分布乘以步骤A5获得的像素实际尺寸大小Dpixel，统计各间隙大小类型累积间隙率，并按间隙大小升序排列，形成第一测量间隙大小分布曲线Fm1；步骤A7：计算所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1对应的冠层要素随机分布条件下的第一间隙大小随机分布曲线Fr1；步骤A8：当所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或第一测量间隙大小分布曲线Fm1部分位于第一间隙大小随机分布曲线Fr1之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1即为最终的曲线Fmr并转至步骤A12；步骤A9：移除所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1中最大的一个间隙大小类型，形成第二测量间隙大小分布曲线Fm2，并计算所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2对应的冠层要素随机分布条件下的第二间隙大小随机分布曲线Fr2；当所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或由第二测量间隙大小分布曲线Fm2计算得到的-ln[Fm2(0)]与由第一测量间隙大小分布曲线Fm1计算得到的-ln[Fm1(0)]之差的绝对值小于等于第二默认参数，或第二测量间隙大小分布曲线Fm2部分位于第二间隙大小随机分布曲线Fr2之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2即为最终的曲线Fmr并转至步骤A12，Fm1(0)为间隙大小为0时所述第一测量间隙大小分布曲线Fm1的纵坐标值；步骤A10：进行间隙大小移除循环：移除所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2中最大的一个间隙大小类型，形成第三测量间隙大小分布曲线Fm3，并计算所述第三测量间隙大小分布曲线Fm3对应的冠层要素随机分布条件下的第三间隙大小随机分布曲线Fr3；步骤A11：当所述第三测量间隙大小分布曲线Fm3的间隙大小类型数量大于第一默认参数，且由第二测量间隙大小分布曲线Fm2计算得到的-ln[Fm2(0)]与由第三测量间隙大小分布曲线Fm3计算得到的-ln[Fm3(0)]之差的绝对值大于第二默认参数，且第三测量间隙大小分布曲线Fm3全部位于第三间隙大小随机分布曲线Fr3之上时，将所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2数值清空，并将所述第三测量间隙大小分布曲线Fm3的值赋给所述第二测量间隙大小分布曲线Fm2，同时返回步骤A10继续循环，否则循环终止，所述第三测量间隙大小分布曲线Fm3即为最终的曲线Fmr；步骤A12：以步骤A6得到的第一间测量隙大小分布曲线Fm1，以及步骤A8或步骤A9或步骤A10、A11得到的曲线Fmr之一为基础，基于间隙大小分布算法公式计算得到植被冠层聚集指数。2.根据权利要求1所述的一种基于半球影像的植被冠层聚集效应定量评估方法，其特征在于：所述步骤A4中，环形样线抽取方法为：由一起点像素点开始，采用坐标增量的方法确定环形样线下一个像素点，以保证环形样线上相邻像素点间其图像坐标间距最小，依次循环，直至返回起点像素点。3.根据权利要求1所述的一种基于半球影像的植被...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹杰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35