[發明專利]一種基于半球影像的植被冠層聚集效應定量評估方法

有效

• 申請號: 201410114445.2
• 申請日: 2014-03-26
• 公開（公告）號: CN103871065B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 鄒杰
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06F19/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及植被冠層聚集效應定量評估技術領域，具體涉及一種基于半球影像的植被冠層聚集效應定量評估方法。

背景技術

葉面積指數?(leaf?area?index，LAI)?為無量綱，它可定義為單位地表面積上所有綠色植物器官表面積的一半。作為表征植被冠層結構的核心參數之一，LAI控制著植被冠層的多種生物物理和生理過程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環、降水截獲和能量交換等。目前LAI已廣泛應用于林學、植物學、生態學、農學等領域。植被冠層地面LAI測量方法主要分為直接測量方法和間接測量方法。直接測量方法歷史悠久、技術成熟、測量精度較高，但由于需破壞性采樣，費時費力，僅適用于小范圍測量。與直接測量方法相比，間接測量方法具有經濟、高效等特點，因此一般情況下植被冠層地面LAI測量均采用間接測量方法。間接測量方法中又以光學測量方法應用最為廣泛，其主要包括LAI-2000、HemiView、TRAC、DHP（Digital?Hemispheral?Photography，半球攝影方法）和SunScan等測量手段。大量研究表明，與直接測量方法相比，LAI光學測量方法通常會低估LAI真實值約20%~50%，地面LAI光學測量方法低估主要由植被冠層聚集效應引起，因此開展植被冠層聚集效應定量評估對應地面LAI間接測量方法精度及可靠性至為重要。

傳統LAI光學測量方法理論模型均為間隙率模型，該模型假設冠層基本組分為混濁介質，即空間分布為隨機分布。實際上絕大部分植被冠層的基本組分空間分布均不隨機，即冠層基本組分存在聚集效應。冠層內部兩個尺度（冠層基本組分和冠層基本組分內部）均存在聚集效應，因而可分為冠層基本組分聚集效應和冠層基本組分內部聚集效應，同時冠層聚集指數又可分為冠層基本組分聚集指數（Ω_e）和木質組分聚集指數（Ω_w）。鑒于森林冠層三維結構的高度復雜性和異質性，目前可用來定量評估冠層基本組分聚集效應的有效手段和方法不多，主要包括TRAC、DHP、MVI、MCI等測量方法。TRAC、DHP方法可用于冠層基本組分聚集效應定量評估，MCI方法可同時應用于森林冠層多天頂角、多方位角方向冠層基本組分和木質組分聚集指數測量。與DHP方法相比，MCI采用框幅相機拍攝冠層多光譜影像，利用MCI冠層影像可直接測量冠層間隙和冠層要素的實際大小，因而MCI較DHP方法更適合于開展冠層基本組分和木質組分聚集指數測量。DHP方法與其它方法，如TRAC相比，具有測量效率高、單次可測量多個天頂角方向冠層基本組分聚集指數等優點，TRAC測量方法單次僅可測量太陽入射天頂角方向植被冠層冠層基本組分聚集指數，同時其測量需具備嚴格的天氣條件；DHP影像除可用于植被冠層聚集指數計算外，其還可用于植被冠層多天頂角方向間隙率及LAI計算；DHP影像作為對植被冠層結構信息的永久記錄，其表達形式更為生動、形象，更有利于半球影像利用及信息提取。目前常見的冠層聚集效應定量評估算法不多，主要有4種：間隙大小分布算法（gap-size?distribution?algorithm）、有限長度平均算法（logarithmic?gap?averaging?algorithm）、聯合法（the?combination?of?logarithmic?gap?averaging?and?gap?size?distribution?algorithm）和偏析系數理論算法（Pielou?segregation?coefficient?algorithm）。間隙大小分布算法由Miller等提出，后經陳鏡明等進一步發展并應用于TRAC測量方法。間隙大小分布算法認為在同一間隙率條件下，不同的冠層聚集效應對應不同的間隙大小分布，因而間隙大小分布可用于定量描述冠層要素的聚集效應。Leblanc等之后將間隙大小分布算法拓展于半球影像開展森林冠層基本組分聚集指數測量，但由于半球影像其像素大小代表一定大小的立體角度值，因此間隙大小分布算法應用于森林冠層聚集指數測量時開展了適應性修改，同時采用了循環迭代的方法間接反演冠層基本組分大小參數。Lang等基于統計學提出了有限長度平均算法，其認為在有限長度樣線上對冠層間隙取對數平均可消除冠層聚集效應，有限長度為葉片平均單元大小的10倍。有限長度平均算法假設有限長度單元內部冠層組分隨機分布，因此Leblanc等將間隙大小分布算法引入用于評估有限長度單元內部冠層組分聚集效應。