[发明专利]一种基于半球图像法测量叶面积指数的方法

说明书

本发明公开了一种基于半球图像法测量叶面积指数的方法，先通过鱼眼摄像头拍摄植被冠层图像并进行预处理，再确定出植被冠层图像的有效成像区域的几何中心和圆形有效成像区域的半径，从而对鱼眼镜头进行投影方程标定；然后采集待测点的植被冠层图像并处理，再根据投影方程提取出多个角度的冠层孔隙度，进而反演出叶面积指数。

技术领域

本发明属于生态学研究技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于半球图像法测量叶面积指数的方法。

背景技术

叶面积指数是一个无量纲量，可认为叶面积与地面积之间的比值。它反映了叶片的数量和分布情况，是研究冠层中光线穿透情况，冠层生产力，冠层下土壤水分蒸发、蒸腾损失总量，冠层截留，及土壤温度的基础因子。

目前叶面积指数的测量方法有直接测量法和间接测量法。直接测量法通常来说包括收集样本和叶面积测量两个步骤，虽然精确度高，但是具有很强的破坏性和工作量大的缺点，仅限于小冠层测量，对于树林、森林大冠层基本上是不可能的。间接测量法通过光线传播模型能相对简单地测量出光线的穿透情况，并基于Lambert-Beer定律对叶面积指数做出精确的估计。间接测量方法主要有斜点样方法、基于辐射测定法和孔隙度反演法，具有快速、简单等优势。其中斜点样方的问题是需要大量的专用探针且操作相当繁琐，因而不适应冠层较大的植物的参数获取；基于辐射测定法常常需要借助激光雷达(根据搭载平台分为地基、车载、机载、星载等类型)获取目标对象的空间信息，处理数据复杂，成本高昂。而孔隙度反演法的代表方法——半球图像法，通过鱼眼镜头获取接近180°冠层图像信息，经过图像处理获取冠层孔隙度，进而反演出叶面积指数。自Even等将其用于植被的冠层的辐射监测以来，半球图像法以其超大视角范围和获取鱼眼图像设备价廉的优势得到了广泛的研究和应用。近年来，随着数码相机和数字图像处理技术的完善和进步，半球图像法的功能也日益完善，目前已成为各领域的重要研究方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于半球图像法测量叶面积指数的方法，在受时空约束条件下，快速、准确测量出叶面积指数。

为实现上述发明目的，本发明一种基于半球图像法测量叶面积指数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、图像采集及预处理；

采用鱼眼摄像头拍摄植被冠层图像，然后对植被冠层图像先进行灰度化处理，再使用固定阈值法进行二值化处理，最后进行先膨胀后腐蚀的处理，从而得到轮廓清晰的二值化图像；

(2)、确定植被冠层图像的有效成像区域的几何中心O₁(u₀,v₀)和圆形有效成像区域的半径R；

(2.1)、在二值化图像中，以左上角第一个像素点作为像素坐标系的原点O，建立像素坐标系xOy；

(2.2)、设置有效数据集，初始化为空；

(2.3)、从左往右逐行逐列扫描二值化图像，当扫描到某一像素点(x,y)的像素值为255时，进一步判断像素点(x+1,y)的像素值是否也为255，如果这两个像素点的像素值都为255，则将像素点(x,y)识别为轮廓边界点，并记录像素点(x,y)坐标保存至有效数据集，否则继续扫描，直到最后一个像素点扫描结束；

从右往左逐行逐列扫描二值化图像，当扫描到某一点(x,y)的像素值为255时，进一步判断像素点(x-1,y)的像素值是否也为255，如果这两个像素点的像素值都为255，则将像素点(x,y)识别为轮廓边界点，并记录像素点(x,y)坐标保存至有效数据集，否则继续扫描，直到最后一个像素点扫描结束；

(2.4)、在像素坐标系xOy中，构建圆方程x²+y²＝Ax+By+C；