一种快速测定草林植被盖度的数字式可视化方法技术

本发明专利技术属于植被群落盖度计算方法与数字成像和计算机技术相结合的数字化精细草业和林业技术领域，适用于草地植被高度小于１ｍ，盖度在５％－９９％；森林植被高度在５ｍ以上，郁闭度大于０．５的范围；结合先进的数字成像和计算机图像处理技术，利用自上而下的决策树分类手段，以实地拍摄的数码照片作为输入项，根据草、林植被的颜色属性差异构造红绿蓝三原色的颜色判别决策树，并在Ｍａｔｌａｂ７．０平台上将数码照片的导入、地物判别、盖度计算、划分结果显示、对照等功能模块集成，构建用户界面友好、人机交互便捷的可视化界面，图形和求得数值。该方法能够批量处理常规图片格式，如ｊｐｇ、ｔｉｆ、ｔｉｆｆ和ｂｍｐ，获得的草林植被盖度数据，观测精度可达９５％以上，并可应用于植被动态监测、资源调查和全球变化植被监测等相关领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于植被群落盖度计算方法与数字成像和计算机技术相结合的数字化精细草业和林业
；具体涉及一种快速测定草林植被群落盖度的数字式可视化化方法。适用于数码相机拍摄角度垂直于地平线，草地植被高度小于lm， 盖度在5%-99%;森林植被高度大于5m，郁闭度在0.5以上的范围植被盖度测定。 本专利技术也适用于其他植被动态监测、资源调査和全球变化植被遥感监测等相关领 域。二
技术介绍
植被是重要的自然资源，是陆地生态系统的主要组分，其根系深入土壤，枝 叶接触空气，特有的蒸腾和光合作用使土壤、大气、水分等自然地理要素相互联 系、相互作用，实现了陆地生态系统的物质能量交换和生物化学循环。植被的类 型、数量和质量变化深刻影响陆地生态系统；相反，陆地生态系统的任何变化必 然在植被类型、数量或质量方面有所响应。植被盖度作为植被的直观量化指标， 很大程度上反映了植被的基本情况，是研究水文、气象、生态等方面区域或全球 性问题的基础数据，在各类相关理论和模型中普遍使用，因此建立快速、精准的 植被盖度测算方法对植被及相关领域的研究具有十分重要的意义(秦伟，2006)。植被盖度是观测区域内植被垂直投影面积占地表面积的百分比，是刻画陆地 表面植被数量的一个重要参数，也是指示生态系统变化的重要指标。植被盖度是 许多气候模型和生态模型中的一个基本输入变量，其测量准确与否对土壤侵蚀和 植被变化的预报精度影响很大(顾祝军，2005)。在森林群落中，盖度不仅可以 反映下木层及草本层的光照情况，在某种程度上也反映了森林群落所处的演替阶 段，在森林群落的研究中具有重要意义。在实际的群落的群落学调査研究中，森 林盖度主要依赖于研究者的主观估计。虽然在一定程度上森林植被的盖度估计值 可以反映森林群落的数量特征，却由于不同研究者主观因素的掺入难以整合不同 研究者获得的植被盖度数据。此外，研究者通常假定对研究样地的森林植被盖度 是均一的，没有考虑到植被盖度在空间上的差异(高邦权，2006)。而草地植被 盖度获取的途径主要包括目测法、采样法、仪器法和遥感测量法。目测法简单易行，过去许多历史资料中的植被盖度均是使用该法获得的，但是目测法主观随意 性大，精度与目测者的经验密切相关，误差可达10%以上， 一般不宜用于植被覆 盖动态变化的模拟分析计算(章文波，2001);采样法是对选定的地块，按照一 定的方法等距不连续采样，其中出现植被的样数占总样数的比值即为植被盖度， 相对与目测法，该法更加科学，测量结果较为准确，但费时费力；仪器法主要有 以下几种空间定量计法(SQS)和移动光量法(TQS)均为利用传感其测量光 通过植被层的状况来计算植被盖度，需要专门的传感器装置，对设备要求较高， 野外操作不便(Thslrn， 1979)。而仪器法中的近景摄影测量法对地表植被进行客 观，准确地测量，且操作简单、高效经济，为经验模型和遥感测量提供可靠的基 础和检验数据；遥感测量法是利用遥感技术提取研究区的植被光谱信息，再将其 与植被盖度建立相关关系，进而获得植被盖度的方法，主要适用于大的时间和空 间尺度范围。近年来，数码相机在植被盖度研究中的应用越来越受到人们的重视，逐渐被 人们所认可的一种新方法。高邦权等在Matlab 6.5的计算环境下对野外调査获得 的JPEG格式的数码照片图像进行了分析，为获得森林群落乔木层盖度的数值提 供准确可靠的计算方法；宋雪峰等用数码相机测定内蒙古锡林郭勒盟西南端草地 盖度总体判断精度到达94.7%;池宏康等利用近距离遥感(采用照相机近距离拍 摄草地植被的影像)测定草地植被盖度相对误差在l。/。范围内，而目视方法相对 误差范围为2.29%-52.67%;张云霞等在草地植被的多尺度遥感与实地测量的报 道中，对各种草地植被测量方法进行了对比，认为数码相机结合高光谱以及多尺 度遥感数据是未来草地植被盖度测量发展的趋势。因此，数码相机近景测量法与 其它地表实测方法相比误差降低，尤其当测量区域的植被盖度较低时，数码相机 的优势更明显。同时，利用数码相机的近红外信息可以很容易地辨别出土壤和植 被(顾祝军，2005)。传统的地面统计测算将不再是获取植被盖度的主流方法， 仅作为遥感等现代测量的辅助、校检方法。利用数码成像的近景测量将成为今后 样本实测数据的主要来源，是今后地面统计测量的发展趋势。经国家专利网 (www.sipo.gov.com)检索，未见有关快速测定草林两种植被群落盖度的数字式可 视化的报道；同时查阅相关文献后，见有关于利用数码相机对森林或者草地盖度 进行计算的报道，但均是单种植被群落盖度的计算，而本专利技术集中了两种不同植被(草地和森林)按照决策树的计算方法获得数字化盖度，同时建立了界面友好的测定植被盖度的可视化界面和图形，在所查相关文献中也未见有利用决策树的方法同时具备测定草地和森林植被盖度以及在同一可视化界面条件下获得不同植被数字式盖度数据的报道，即本专利技术即可得到具体观测植被盖度的数据，也可得到观测植物分布状况的图形。三
技术实现思路
常规人工方法估测草林盖度不仅过程繁琐、周期长、费用高以及工作量大， 而且不能准确定量测定。本专利技术需要解决的问题是提出了一种快速测定草林两种 植被群落盖度的数字式可视化方法。本专利技术通过选择植被盖度高、中和低不同类型以及不同高度的草地和森林进 行反复研究，得到其适用范围为草地植被高度小于lm，盖度在5%-99%;森林 植被高度大于5m，郁闭度在0.5以上。通过本方法计算其盖度，关键技术如下1. 构造自上而下的颜色决策树分类体系决策树是用二叉树形图来表示处理逻辑的一种工具，可以直观、清晰地表达 加工的逻辑要求。特别适合于判断因素比较少、逻辑组合关系不复杂的情况。它 提供了一种展示类似在什么条件下会得到什么值这类规则的方法，在对地物种类 进行判别的过程中，利用RGB三原色的组合原则分别构造了草地和森林的RGB 颜色决策树。RGB是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通 道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、 绿、蓝三个通道的颜色，它使用RGB模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一 个0 255范围内的强度值。在RGB模式下，每种RGB成分都可使用从O(黑色) 到255 (白色)的值。根据上述原理和标准，我们对不同草地和森林植被类型进行分析，归纳出常 见的植被类型及其RGB颜色分量规律，并据此构造草地和森林植被颜色决策树 分类体系，详见附图1和附图2。2. 数字化及可视化技术该程序在Matlab7.0平台下编写完成，通过调用图形句柄系统的子系统GUI 来实现用户图形界面的显示、操作，并通过多个多维矩阵和二值矩阵间的运算和操作完成植被盖度的计算，其关键流程详见附图3。其主要数字化处理技术包括以下四个部分2.1图像载入将jpg、 tiff、 tif和bmp通用格式图像按照Mf^^3的多维矩阵格式导入，并 将显示大小固定在指定坐标轴上，这样不论图像大小，只显示图像略縮图，且无变形。其处理流程如下2丄1读入图像矩阵将用户指定的数码照片读入计算机内存，以多维矩阵M*N*3的形式保存真 彩色图像信息，RGB三原色的取值为0-255的无符号整型。 2丄2显示图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速测定草林植被盖度的数字式可视化方法，其特征是由以下两部分构成：　（１）归纳草地和森林两种植被在数码照片中红色、绿色和蓝色颜色分量规律，构造自上而下的植被颜色决策树分类体系：　①数码相机所拍摄的照片是由植被端元和非植被端元 的红、绿和蓝三基色信息加权而成，植被和非植被的权重确定颜色分量规律；　②不同植被和非植被颜色构成是由红、绿和蓝按照不同比例大小组成，以此来确定植被区和非植被区；　③草地植被和森林植被两种计算模式集成于一体，使用两套计算方法分别计 算两种植被的盖度；　（２）依据所述方法构建的测定草林两种植被群落盖度的可视化方法：　①集数码照片的可视化处理流程于一体，即导入、处理、对照，且界面友好、操作简便，适用于非专业人员；　②数码照片格式包括ｊｐｇ、ｔｉｆｆ、ｔｉ ｆ和ｂｍｐ通用格式，并将其按多维矩阵方式导入；　③根据几何投影成像规律，采用内切圆计算方式，消减了几何变形，提高了计算精度；　④构造了植被和非植被的二值图像，并提供显示和对照；　⑤提供用户供ＶＢ、ＶＣ二次开发的ｄｌｌ文件， 提供用户受保护的．Ｐ文件，防止代码篡改和泄漏。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李建龙，钱育蓉，杨峰，杨齐，干晓宇，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]