[发明专利]一种基于数字图像处理技术的叶面积指数地面测量方法

说明书

本发明公开了一种基于摄影原理、光辐射原理、统计学原理及数字图像处理技术对测量点的叶面积指数进行间接测量。首先根据数字图像传感器成像原理结合统计学原理得到在无光条件下暗电流所产生干扰因子，这里又名辐射校正因子Δ；再通过对不同典型地面进行拍摄进校正处理后得到各种典型地面环境的相对反射系数k_i；，最后通过拍摄测量点冠层下地面与无冠层地面(同时拍摄，即相同天气条件)的数字图像，经过处理后得到测量点光线通过冠层前后(冠层上的相对辐射强度、冠层下地面的相对辐射强度)的相对辐射强度，进而推算出叶面积指数的大小，测量精度稳定性强，处理速度快。

技术领域

本发明属于叶面积指数(Leaf Area Index，简称LAI)技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于数字图像处理技术的叶面积指数地面测量方法。

背景技术

植被是陆表生态系统的重要组成成分，而叶片则是植被与外界进行相互作用的一个重要器官，叶面积指数是定量描述植被进行光合作用、呼吸作用、蒸腾作用的一个重要参数，在环境、气候、生态、农业等领域被广泛应用，其定义为单位地表面积上植被冠层叶面积的一半。

对于叶面积指数的地面测量方法，可分为直接和间接测量。直接测量的方式是直接针对叶片的表面积进行测量，测量结果的可靠性可以保障，当时测量的时间代价和成本代价往往较高。间接测量与直接测量不同，间接测量并不直接关注叶片本身的面积长宽数据，而是通过测量与叶片相关的其他参数来推断出叶片的面积。

间接测量目前有5种方法，分别是点接触发、消光系数法、经验公式法、遥感图像法、光学仪器法。其中光学仪器法包括基于基于图像测量法如CI-100和辐射测量法如LAI2000。

图像测量法即利用摄影成像技术获取植被叶面积指数的原理是通过对植被冠层进行单一角度或者多角度拍照，并采用一种合适的分类方法，根据拍摄角度的不同进行处理后得到单一角度或多角度的间隙率，然后根据间隙率模型来推算叶面积指数。

对于图像测量法，目前被广泛采用的是当观测天顶角为57.5°时候，叶片在这个观测方向的投影函数近似等于0.5而与叶倾角无关，据此通过图像处理得到在该角度方向上的间隙率，进而计算叶面积指数。然而有研究者指出从实际测量结果来看，当叶面积指数大于1.5时，该方法的测量精度明显降低，且更易受到图像分类精度的影响。同时，图像测量放的测量准确度受冠层厚度及冠层种类的影响较大，且测量精度不高。

各种测量方法中，相比之下，辐射测量法更具有一定的理论依据，其难点在于如何准确得到光线透过冠层前后的透过率而不受其他因素的影响如光线强度、晴天阴天等，换句话说，由于受到其他因素影响，无法准确得到光线透过冠层前后的透过率，从而测量的精度也有待于提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光学仪器法的不足，提出一种基于数字图像处理技术的叶面积指数地面测量方法，以高效准确地实现对叶面积指数的测量。

为实现上述发明目的，本发明基于数字图像处理技术的叶面积指数地面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、以固定的相机参数，拍摄数字图像

1.1)、在完全无光的条件下(用不透明物体覆盖相机的镜头)拍摄一张照片P₀；

1.2)、在无冠层且相同天气条件下，对不同的典型地面(如草地、黄土地、黑土地、枯叶地、水泥地等)分别拍摄一张照片P_{space_1},P_{space_2},…,P_{space_M}，其中，M为典型地面的数量；

1.3)、在测量点，对冠层下地面拍摄一张照片P_ref，同时，对无冠层地面拍摄一张照片P_space；

(2)、利用图像处理方法获取辐射校正因子