[发明专利]利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法

摘要

用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，属于森林生态学技术领域。通过石蜡包埋、切片、扫描，获取森林凋落物纵剖面图像。根据扫描图像dpi分辨率，计算图像宽高尺寸。以图像4角为坐标点，在Arcgis9.3中构建以毫米为单位的测量坐标系，通过确定图像有效数据区域，剔除图像数据无效部分。利用ErdasImagine9.2的纹理分析和ISODATA分类工具提取凋落物、孔隙信息并转存为矢量图层。用Arcgis9.3的CreateFishnet工具构建分层格网，以此分割孔隙图层，分层统计获取孔隙度，并用PolarPlotsandCircularStatistics模块计算每层孔隙图斑的分布方向。为进一步研究凋落物的分解、物质循环、土壤微生物、涵养水源、保持水土特性以及种子萌发等研究提供技术支撑。

主权项

利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，其特征在于：该方法使用聚丙烯酸乙酯对森林凋落物原始自然结构进行固定，切断周边凋落物进行所选凋落物样方的采集，然后对采集凋落物样方进行石蜡固化提高硬度，经石蜡固化的凋落物样方剖面切割、刨光，再将剖面部分的石蜡溶化后，对剖面进行扫描，获取凋落物扫描图像；依据凋落物扫描图像dpi分辨率确定扫描图像4个角的坐标，利用Arcgis9.3构建图像测量坐标系，结果保存为Erdas Imagine格式；利用Erdas Imagine9.2的纹理分析和ISODATA分类提取凋落物和孔隙信息，结果保存为矢量图层；利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，以此剪切凋落物和孔隙图层，分层测算孔隙孔隙度；以Arcgis9.3的Polar Plots and Circular Statistics模块计算各个分层孔隙图斑的分布方向，步骤如下 ：（1）获取凋落物扫描图像：在野外选定凋落物样方，以聚丙烯酸乙酯将样方灌透，晾干后用石蜡对样方进行包埋，冷却后用钢锯沿纵切面切割为1cm厚方块，用锋利刀片削平方块的一面；把样方块光滑面向下浸入1‑2mm深度二甲苯中，融去样本块1‑2mm厚的石蜡；将方块融去石蜡的一面向下放置在扫描仪上获取分辨率1200dpi的JPG格式扫描图像；（2）扫描图像预处理：用Photoshop CS5软件将扫描图像旋转，使凋落物上表面保持水平，再进行颜色校正、去除杂色处理；（3）构建图像测量坐标系：依据1200dpi的扫描分辨率计算出每个像素的尺寸，再按照整个图像的高、宽像素数，得出图像的高和宽的尺寸，单位为毫米；选取图像4个角的点为坐标点，确定坐标点的坐标值以毫米为单位，以图像左下角作为坐标原点，利用Arcgis9.3的Georeferencing校正模块，以Affine方法进行图像校正，结果保存为Erdas Imagine的IMG格式，结果图像具有以毫米为单位的平面坐标系统；（4）确定图像有效数据区域：在Arcgis9.3中根据凋落物的分布情况，建立一个包括凋落物所在区域的矢量图层，利用Arcgis9.3的Subset模块对图像进行剪切，剔除矢量图层的图像上凋落物中土壤部分，结果保存为有效数据的图像；利用Arcgis9.3中的量尺工具测量森林凋落物层的厚度；（5）通过纹理分析去除石蜡背景：有效数据区内图像包含3类信息：①凋落物信息、②石蜡信息、③孔隙；其中石蜡部分色调均匀单一，利用Erdas Imagine9.2的Texture纹理分析模块对扫描图像进行纹理分析，去除石蜡信息，并把石蜡背景归为孔隙类别，将纹理分析后的纹理信息作为图像分类处理中的一个特征或波段，整合到图像分类过程中，结果生成新的凋落物图像；（6）提取孔隙信息：利用Erdas Imagine9.2软件，以ISODATA方法对图像进行分类，提取凋落物及其孔隙信息，采取逐步递进的分类方式，初次提取出凋落物、孔隙、边界模糊区域三类，再把若干个边界模糊区域分别归并为凋落物类或孔隙类，结果保存为分类图像；利用Arcgis9.3把分类图像转换为包含凋落物和孔隙两类Polygon图斑的分类矢量图层；（7）构建分层格网：以分类矢量图层为底图，利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，将凋落物分类图层从上至下按照10mm间隔分层；（8）计算凋落物孔隙度：在Arcgis9.3中，用10mm分层矢量图层剪切分类图层，然后计算各个凋落物和孔隙图斑的面积，再分层统计每一个10mm分层内凋落物和孔隙两类图斑的总面积，孔隙面积与总面积之比就是该分层的孔隙度，自上而下计算出所有分层的孔隙度；（9）统计孔隙的最大值、最小值和平均值：根据孔隙图斑的面积，统计出每一个分层内孔隙的最大值、最小值、平均值和标准差；（10）计算凋落物孔隙的方向：在Arcgis9.3中，首先把分类矢量图层内所有的孔隙Polygon图斑转换为Polyline，再利用Polar Plots and Circular Statistics模块的Shapes to Segments工具把Polyline图层转换为Segments图层，然后采用Polar Plots and Circular Statistics模块的Polar Plots工具计算每条线段的方位角，并绘制所有线段的空间分布方向图。