[发明专利]一种基于点云半球切片估算森林叶面积指数的方法

摘要

本发明提供了一种方法：利用地面激光点云数据基于点云半球切片估算森林叶面积指数，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。其步骤为：获取植被冠层的三维激光点云数据的及预处理；基于局域集合特征方法将点云数据自动分为三类：光合作用冠层部分(如叶和花)、非光合作用冠层部分(如干和枝)和裸地；利用径向半球点云切片算法研究光合冠层部分与非光合冠层部分在三维空间的空间分布形式，计算角度孔隙率；计算消光系数；提取有效叶面积指数；根据激光点云逐点分类结果，评估木质部分对森林角度孔隙率和有效叶面积指数计算的贡献值。结果表明：利用地面激光点云数据，在不同密度的森林中，木质部分对有效叶面积指数贡献率为19％‑54％；该发明计算出的有效叶面积指数与鱼眼相机计算出的有效叶面积指数相关性达到74.27％。本发明丰富了利用地面激光点云数据提取森林冠层三维结构和生物物理参数的应用。

主权项

1.一种基于点云半球切片估算森林叶面积指数的方法，其主要包括以下步骤：(1)获取森林样方植被冠层的地面三维激光点云数据；(2)逐点分类：根据森林激光点云的几何空间分布模式，用以下公式表示局域点集的协方差矩阵Ccov＝E{(A‑B)T(A‑B)}                (1)其中，A代表原始局域点集的N×3维矩阵；B代表中心矩阵；T是矩阵转换操作；E是数学期望值；通过支撑域内已知点协方差矩阵的有序特征值和特征向量得到该局域点集的显著性特征值；将特征向量升序排列，三类点云的特征值用以下表达式表示：①λ0＞＞λ1≈λ2代表具有线性特征的非光合冠层部分；②λ0≈λ1≈λ2代表具有随机分布特征的光合作用冠层部分；③λ0≈λ1＞＞λ2代表无关联特征的裸地部分；给定局域点集的显著性特征S用公式(2)表示：S＝(λ2，λ0‑λ1，λ1‑λ2)              (2)对三类点集的每一类手动选取15‑20个训练样本集并且计算它们相应的显著性特征值；然后利用期望最大化算法和高斯混合模型，基于地面激光点云中每个点的不同显著性特征值对其进行逐点分类；符合高斯密度函数的地面激光点云数据点xj的条件概率模型中的未知参数通过期望最大化算法得到；因此，将每个点的显著性特征值输入高斯混合模型中得到某类点的条件概率模型；地面激光点云中的每个点用其最高的条件概率来标记，由此产生的初始分类进一步通过后处理滤波方法进一步优化；(3)利用径向半球点云切片算法，研究地面激光点云密度空间分布，提取角度孔隙率；该算法中，地面激光点云数据的中心点首次被作为新的坐标原点O(X＝0，Y＝0，Z＝0)来计算，矩形框的外切球决定有同样圆心的环形球面的最大半径；通过径向或角度方法将森林冠层三维研究区域划分开；通过径向方法，点云区域被分为有相同圆心的不同的环形半球区域，环形半球区域的数量由相邻球面之间的半径间隔和切球的最大半径决定，环形半球区域由两个不同半径的球面来界定；方位角的范围是0°到360°，倾角的范围是0°到90°，通过角度方法，利用公式(3)将球面分为不同立体角的表面区域，表面区域的数量由整个球面和立体角的大小决定；式中，θ_i是天顶角，是方位角，dθ_i，和dΩ_i分别代表倾角、方位角和立体角的微分；通过径向和角度方法，径向半球点云切片算法将三维球形区域分为不同大小的“体元”；(4)计算角度孔隙率：通过角度方法将给定的感兴趣三维区域分为不同的梯形体元，其中空体元与所有体元的比值即为角度孔隙率；(5)计算消光系数：消光系数由入射太阳光方向和叶片方向分布函数共同决定，入射太阳光方向由激光束模拟，叶片方向分布函数由椭球模型表示；利用最小二乘法计算局域点集中每个点的法矢量，在支撑域图形上绘制黎曼图，根据该图的最小生成树产生一个种子法矢量，从而确定所有法矢量的方向；对于针叶林，由于地面激光系统很难捕获针叶信息并绘制出较好的三维冠层结构，因此在光的截取过程中每一单独树枝被看做一个大叶片；假设叶片方位角随机分布，预先设定椭球长半轴与短半轴的比例，用椭球模型表示叶片角度分布，用椭球阴影面积占椭球总面积的比例计算消光系数；(6)计算有效叶面积指数：根据贝尔定律估算光穿过媒介时的衰减，单个半球区域的有效叶面积指数通过公式(4)计算Le＝cos(θ)·ln(P(θ))/‑G(θ)             (4)θ是天顶角；Le是有效叶面积指数；P(θ)和‑G(θ)/cos(θ)分别是入射太阳光天顶角为θ时的角度孔隙率和消光系数；ln(P(θ))/‑G(θ)是垂直太阳入射方向的有效叶面积指数；根据RHPCS算法，通过公式(5)计算整个森林冠层有效叶面积指数：式中，通过把森林点云数据按倾角分为不同三维环形半球区域，并假设每个区域的中心天顶角(θi)为太阳入射天顶角，Lei(θi)是入射太阳光天顶角为θi时的第ith个三维环形半球区域的有效叶面积指数；P(θi)是第ith个三维环形半球区域的角度孔隙率；G(θi)是第ith个三维环形半球区域的消光系数。(7)评估木质部分对有效叶面积指数的影响：逐点分类后，从原始地面激光森林点云数据中剔除非光合冠层部分的点云数据；为了便于比较基于地面激光系统的有效叶面积指数与基于鱼眼相机的有效叶面积指数，排除低于扫描仪高度的冠层部分；通过创建两个数据集：含有与不含有光合作用部分，定量描述木质部分对基于地面激光系统的三个不同森林点云密度有效叶面积指数的影响；通过比较剔除非光合部分点云数据计算出的叶面积指数与含有非光合部分点云数据计算出的叶面积指数之间的差别，便可计算出木质部分对基于地面激光系统的有效叶面积指数的贡献值；