一种森林地上生物量的测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种快速获得森林地上生物量的系统及方法，本发明专利技术利用高分辨率的无人机系统获得精确地森林树冠影像，通过分析森林树冠影像获得林木的树冠面积，实地测量林木的胸径，建立胸径‑树冠面积回归方程和地上生物量‑树冠面积回归方程，通过胸径‑树冠面积回归方程获得待预测森林中林木的胸径，通过地上生物量‑树冠面积回归方程获得待预测森林中林木的地上生物量，进而获得待预测森林的整体地上生物量。本发明专利技术提供的方法快速有效，结果精确，并且成本较低，有利于推广无人机技术在林业调查上的广泛使用。

A measuring system and method for measuring the aboveground biomass of a forest

The invention discloses a system for fast forest biomass and method, the invention uses UAV system with high resolution to obtain accurately the forest canopy images obtained forest canopy area through the analysis of the forest canopy images, field measurements of tree diameter, DBH crown area establish regression equation and biomass crown area regression equation by regression equation obtained DBH crown area to predict the DBH trees in the forest, the aboveground biomass canopy area obtained predicted biomass forest on the forest in the regression equation, and then get to be predicted overall forest biomass. The method provided by the invention is fast, effective, accurate and low in cost, which is beneficial to popularize the extensive use of unmanned aerial vehicle technology in forestry investigation.

【技术实现步骤摘要】
一种森林地上生物量的测量系统及测量方法
本专利技术涉及植被生态学研究领域，尤其涉及一种森林地上生物量的测量系统及测量方法。
技术介绍
生物量是指一个有机体或群落在一定时间内积累的有机质总量。森林生物量(forestbiomass)包括林木的生物量(根、茎、叶、花果、种子和凋落物等的总重量)和林下植被层的生物量。通常以单位面积或单位时间积累的干物质量或能量来表示。森林群落的生物量是森林生态系统生产力的最好的指标，是森林生态系统结构优劣和功能高低的最直接的表现，是森林生态系统环境质量的综合体现。森林通过吸收大气中的碳来增加生物量，而树干生物量通常占地上生物量的70％以上(Zengetal.2012)，所以估算树干生物量对森林碳储量的计算至关重要。在现有技术中，植物的地上生物量一般是通过样地调查或卫星遥感估算。样地调查是通过破坏性地取样测得植物地上生物量，或者是测量一个或多个变量，如胸径和树高，然后将树伐倒，切割各部分，分别称其重量，通过建立相关生物量方程得出(NiklasKJ(1994)，Plantallometry.thescalingofformandprocess，UniversityofChicagoPress.Chicago)。在样地上测量林木参数，包括测量林木的胸径和树高，看起来可靠，但是对样地尺度进行调查工作量大，极耗时费力，操作过程损失造成的误差也很大，对大型树木十分困难，而且对森林群落造成的破坏很大。即使获得精确的测定结果，由于群落空间异质性的关系，以一个样地测定的数据代表整个群落或小流域的生物量，也存在很大的不确定性。随着遥感技术的出现和快速发展，多元化的遥感数据适应于各种尺度上森林生物量估算，但是通过遥感数据无法提取准确的树冠轮廓，因此卫星遥感在单木水平上的应用还存在困难。为了提高森林地上生物量的监测和评估水平，有必要建立针对单木地上生物量的测量方法。另外，激光雷达在森林调查上的应用日渐突出，主要表现在对森林单木特征的直接测量，如高度。但是，由于树冠一般呈圆形而没有比较明显的顶端，让激光雷达难以识别。相比遥感，激光雷达设备及其数据的预处理费用远远超过研究者的预算范围，限制了激光雷达在森林调查中的广泛应用。因此，在森林调查中迫切需要低成本的，能够准确获取森林基本信息的方法。传统的生物量调查方法需要进行详细的样地调查，耗费大量的人力物力，并且有些地区由于地形险恶、交通不便等原因人力所不及，无法完成调查。如何进一步提高大尺度生物量的估算精度，是当前生态学研究的热点和难点之一。由于上述原因，本专利技术人对现有的获得森林地上生物量的方法进行了深入研究，以便设计出一种快速精确，操作性强，成本较低的森林地上生物量测量系统和测量方法，该测量系统和测量方法不仅能评估森林整体的地上生物量，还能评估单木的地上生物量和胸径，有助于森林调查和管理。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，设计出一种森林地上生物量的测量系统和测量方法，该方法操作简单，成本较低，结果精确。具体来说，本专利技术的目的在于提供以下方面：第一方面，一种森林地上生物量的测量系统，其特征在于，该系统包括树冠影像获取子系统01和数据处理子系统02；所述树冠影像获取子系统01用于获取目标位置上的森林树冠影像，和/或数据处理子系统02用于处理所述森林树冠影像，进而获得每棵林木的地上生物量和林地的整体地上生物量。第二方面，根据第一方面所述的测量系统，其特征在于，树冠影像获取子系统01包括飞行平台011、地面控制平台012和影像获取平台013，其中，所述飞行平台011是飞行器，优选包括飞行控制模块0111、全球定位模块0112、数据传输模块0113、驱动模块0114、电源模块0115和拍摄模块0116，更优选地，飞行平台011为无人机系统，地面控制平台012用于控制飞行平台01，影像获取平台013用于获取目标位置上的森林树冠影像。第三方面，根据第一方面所述的测量系统，其特征在于，数据处理子系统02包括影像拼接模块021和轮廓勾勒模块022，影像拼接模块021用于对树冠影像获取子系统01获得的树冠影像做拼接处理，将多幅影像拼成一幅完整的影像，轮廓勾勒模块022用于勾勒每棵林木的树冠轮廓，进而获得每棵林木的树冠面积，并且统计林木的数量。第四方面，根据第一方面所述的测量系统，其特征在于，数据处理子系统02还包括数据处理模块023，该数据处理模块023用于获得每棵林木的地上生物量和森林的整体地上生物量，其中，单棵林木的地上生物量通过树冠面积获得，林地的整体地上生物量通过每棵林木的生物量相加获得。第五方面、根据第四方面所述的测量系统，其特征在于，数据处理模块023通过下式(2)获得单棵林木的地上生物量，其中，a2、b2为数据回归相关系数，C代表单棵林木的树冠面积，E(A)代表单棵林木的地上生物量。第六方面、根据第三方面所述的测量系统，其特征在于，轮廓勾勒模块022通过树冠影像的颜色特征、亮度特征和树冠纹理特征勾勒单棵林木的树冠轮廓。第七方面、一种森林地上生物量的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)：测量第一森林样地上每棵林木的胸径，并通过飞行器获得第一森林样地上每棵林木的树冠面积；步骤2)：通过统计，获得第一森林样地上林木的胸径-树冠面积回归方程，并根据地上生物量-胸径关系式，得到地上生物量-树冠面积回归方程；步骤3)：通过飞行器获得待预测第二森林样地上每株林木的树冠面积，其中待预测第二森林样地中的林木种类与第一森林样地中林木种类相同；步骤4)：根据步骤2)得到的地上生物量-树冠面积回归方程，获得待预测第二森林样地上每棵林木的地上生物量，进而获得第二森林样地的整体地上生物量。第八方面、根据第七方面所述的方法，其特征在于，在步骤1)和4)中，获得每棵林木树冠面积通过包括下子步骤的过程进行：子步骤1.1)：设定飞行器的参数，包括飞行路径、飞行高度和拍摄间隔；子步骤1.2)：利用所述飞行器获得多幅森林样地的树冠影像；子步骤1.3)：对所述多幅森林树冠影像进行拼接和勾勒处理，获得森林样地上每棵林木的树冠面积。第九方面，根据第八方面所述的方法，其特征在于，所述拼接是将多幅森林样地的树冠影像拼接在一起获得一幅完整的影像，所述勾勒是指在所述完整的影像上勾勒树冠轮廓获得每棵林木的树冠面积，优选地，通过所述完整的影像的颜色特征、亮度特征和树冠纹理特征，在所述完整的影像上勾勒单棵林木的树冠轮廓。第十方面，根据第七至第九方面之一所述方法，其特征在于，步骤2)中，第一森林样地上林木的胸径-树冠面积回归方程如下式(1)所示：其中，a1、b1为数据回归得到的相关系数，C代表通过飞行器获得的单棵林木的树冠面积，E(D)代表实地测量的单棵林木的胸径；地上生物量-胸径关系式如式(4)所示：其中，a3、b3为数据回归相关系数，D为单株林木的胸径，E(A)代表单棵林木的地上生物量；地上生物量-树冠面积回归方程如式(2)所示：其中，a2、b2为数据回归相关系数，C代表单株林木的树冠面积，E(A)代表单棵林木的地上生物量。本专利技术所具有的有益效果包括：(1)快速有效，操作性强，适用范围广；(2)可以实现无破坏性估计，对于估计群落或景观尺度生物量则可以达到较高的精度；(3)不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种森林地上生物量的测量系统，其特征在于，该系统包括树冠影像获取子系统(01)和数据处理子系统(02)；所述树冠影像获取子系统(01)用于获取目标位置上的森林树冠影像，数据处理子系统(02)用于处理所述森林树冠影像，进而获得每棵林木的地上生物量和林地的整体地上生物量。

【技术特征摘要】
1.一种森林地上生物量的测量系统，其特征在于，该系统包括树冠影像获取子系统(01)和数据处理子系统(02)；所述树冠影像获取子系统(01)用于获取目标位置上的森林树冠影像，数据处理子系统(02)用于处理所述森林树冠影像，进而获得每棵林木的地上生物量和林地的整体地上生物量。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，树冠影像获取子系统(01)包括飞行平台(011)、地面控制平台(012)和影像获取平台(013)，其中，所述飞行平台(011)是飞行器，优选包括飞行控制模块(0111)、全球定位模块(0112)、数据传输模块(0113)、驱动模块(0114)、电源模块(0115)和拍摄模块(0116)，更优选地，飞行平台(011)为无人机系统，地面控制平台(012)用于控制飞行平台(011)，影像获取平台(013)用于获取目标位置上的森林树冠影像。3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，数据处理子系统(02)包括影像拼接模块(021)和轮廓勾勒模块(022)，影像拼接模块(021)用于对树冠影像获取子系统(01)获得的树冠影像做拼接处理，将多幅影像拼成一幅完整的影像，轮廓勾勒模块(022)用于勾勒每棵林木的树冠轮廓，进而获得每棵林木的树冠面积，并且统计林木的数量。4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，数据处理子系统(02)还包括数据处理模块(023)，该数据处理模块(023)用于获得每棵林木的地上生物量和森林的整体地上生物量，其中，单棵林木的地上生物量通过其树冠面积获得，林地的整体地上生物量通过每棵林木的地上生物量相加获得。5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，数据处理模块(023)通过下式(2)获得单棵林木的地上生物量，其中，a2、b2为数据回归相关系数，C代表单棵林木的树冠面积，E(A)代表单棵林木的地上生物量。6.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，轮廓勾勒模块(022)通过树冠影像的颜色特征、亮度特征和树冠纹理特征勾勒单棵林木的树冠轮廓。7.一种森林地上生物量的测量方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉波，李俊清，王智，王卷乐，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11