[发明专利]一种三维激光点云提取植被冠层间隙率的方法

说明书

本发明属于激光雷达遥感技术领域，具体为一种三维激光点云提取植被冠层间隙率的方法。本发明通过地面三维激光雷达扫描系统，获取植被样方冠三维点云数据，不受观测时光照条件、相机和人为设置阈值的影响；然后通过点云数据转换坐标系统，将点云数据投影到球面和半球面区域划分，最终计算冠层间隙率。将点云数据投影到半球面表面求间隙率其结果的相关性得到保障，避免了采用体元模型表征树冠结构存在的失真、计算量大、算法耗时的问题。并且该方法能够快速、准确的提取植被冠层间隙率。

技术领域

本发明属于激光雷达遥感技术领域，涉及一种利用地面三维激光扫描仪获取的点云数据来计算森林冠层间隙率的方法，具体为一种三维激光点云提取植被冠层间隙率的方法。

背景技术

在植被与外界环境进行交互的过程中，冠层是最直接和最活跃的部分。植被冠层对生态系统的能量交换，大气循环，物种多样性，气候调节等具有非常重要的影响。在冠层研究的相关领域，关于冠层结构特征参数的研究是非常普遍的。冠层结构特征参数不仅有助于理解植被的整个生态过程，而且是许多生态模型的重要输入参数。冠层间隙率(GapFraction，P)影响着植被拦截光和冠层辐射传输过程，是非常重要的冠层结构特征参数。

冠层间隙率是指光子在冠层中由一点沿着一定方向到达另一点而未被冠层拦截的概率。冠层间隙率表征冠层中光的透射能力，又称为孔隙率。对于不同的冠层结构，间隙率的值在0到1的范围内发生变化。当某一特定的天顶角方向的冠层很浓密并且不存在天空元素时，此时光线全部被遮挡，间隙率的值为0。当某一特定的天顶角方向全部为天空元素时，间隙率的值则为1。冠层越浓密，间隙率的值越小；冠层越稀疏，间隙率的值越大。冠层间隙率是植被分析过程中一个重要的监测指标，可用来监测物候影响及演变，还可用于监测干旱、洪灾、空气和土壤污染及瘟疫等灾害的灾后恢复情况。基于冠层间隙率，结合比尔定律(Beer’sLaw)、Miller原理，可进行植被叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)反演，该方法是进行叶面积指数反演研究的主要理论依据。

基于数字半球摄影技术获取的数字半球图像提取间隙率是一种常用的研究方法。数字半球图像中的间隙率可以通过计算某个特定分区的像元比例得到，意味着间隙率为该分区的天空像元个数与总像元个数的比值。在这类研究中，选取合适的阈值对图像进行分类是极其关键的步骤。通过设置阈值可以将彩色的冠层半球图像分成冠层元素和天空两部分，即生成一个二值图像。Frazer等人(2001)通过对间隙率的研究表明，对图像进行分类最简单的方式是用户通过视觉定义阈值，小于或者等于这个阈值的代表一类，大于这个阈值的代表另一类。Hale等人(2002)指出通过视觉定义阈值对图像分类得到的结果因人而异，因为一个用户所设定的图像阈值不可能与另一个用户所设定的图像阈值完全相同。Jonckheere等人(2005)通过人工设置阈值对数字半球图像分类提取了冠层间隙率，结果也表明间隙率的值对图像阈值有很强的依赖性。此外，Chen(1991)指出在获取数字半球图像时，不同的光照条件也会导致不同的研究结果。合适的曝光对间隙率的精确提取非常重要。因此，在拍摄图像时，需要找出使天空和冠层元素对比度达到最高的相机曝光方法。基于数字半球摄影技术，利用数字半球图像进行间隙率反演的一些研究表明，从数字半球图像中提取的间隙率受光照、相机等条件的影响。该类方法经典、简单，可以作为验证其他研究方法有效性的重要手段。