[發明專利]一種利用植被冠層陰影提取葉面積指數與平均葉傾角的方法有效
| 申請號： | 201410251478.1 | 申請日： | 2014-06-09 |
| 公開（公告）號： | CN104296696B | 公開（公告）日： | 2017-01-25 |
| 發明（設計）人： | 屈永華;付立哲;焦思紅 | 申請（專利權）人： | 北京師范大學 |
| 主分類號： | G01B11/28 | 分類號： | G01B11/28;G01B11/26 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 利用 植被 陰影 提取 葉面積 指數 平均 傾角 方法 | ||
1.一種利用植被冠層陰影提取葉面積指數與平均葉傾角的方法，其特征在于：該方法由冠層陰影自動提取技術與冠層投影分析方法兩部分組成；?
a)冠層陰影自動提取技術是從植被冠層照片中自動提取陰影在照片中所占的比例，稱之為陰影比，該部分具體實現步驟如下：?
步驟一：圖像讀入?
根據圖像的路徑信息讀取圖像內容到內存，并根據圖像拍攝的標記信息，提取圖像的拍攝時間，包括年、月、日、時、分、秒，每次讀取一天之內的所有圖像；?
步驟二：太陽高度角的計算?
根據用戶提供的照片拍攝的經緯度信息以及成像時間信息，計算成像時的太陽高度角H；?
步驟三：顏色空間變換?
顏色空間變換是將影像的RGB即紅、綠、藍顏色空間轉變為HSV即色調、飽和度、亮度空間，轉換的過程是通過調用MatLab軟件的RGB2HSV函數來實現的；?
步驟四：彩色圖像灰度化?
彩色圖像灰度化是通過從轉換后的HSV空間中提取亮度維來實現的，由于亮度維能夠反映冠層照片的整體亮度情況，利用亮度變化信息有利于區分圖像中的陰影與光照部分；?
步驟五：背景閾值提取?
背景閾值提取是利用大津算法自動識別圖像中的陰影像素與光照像素的分割閾值來實現，具體是利用大津算法對步驟四中的灰度圖像進行自動閾值提取來實現的；大津算法其實現過程簡述為：對于圖像Image，記t為前景與背景的分割閾值，前景點數占圖像比例為W0，平均灰度為U0；背景點數占圖像比例為W1，平均灰度為U1；圖像的總平均灰度為：U＝W0*U0+W1*U1；從最小灰度值到最大灰度值遍歷t，當t使得值G＝W0*(U0-U)2+W1*(U1-U)2最大時，即為分割的最佳閾值；?
步驟六：灰度圖像二值化?
灰度圖像二值化是利用步驟五中通過大津算法得到的圖像分割閾值t，判斷圖像中所有像素值，像素值小于t的賦值為0，大于等于t的則賦值為1；此時得到的是一個黑白圖像，其中陰影部分為黑色，光照部分為白色；?
步驟七：圖像形態變換?
圖像形態變換是對二值化的圖像中被誤分為植被陰影的像素進行進一步的剔除操作，上述二值化圖像中，陰影部分像素不僅包括植被冠層被太陽照射之后投影下來的部分，也包括土壤顆粒的投影所形成的陰影，但是，圖像中這兩種陰影在形態上有所不同；土壤陰影比較細小，在整個圖像空間內呈碎屑狀離散分布；對于土壤顆粒所形成的陰影，通過圖像形態變換來消除；對二值化圖像進行閉操作即可完成圖像中土壤陰影的移除，閉操作是通過調用MatLab軟件的imclose函數來實現的；?
步驟八：陰影比計算?
陰影比計算是通過統計經過形態變換的圖像像素值為0即陰影的像素個數占圖像全部像素個數的比例來實現的，該比例即為冠層陰影比S；?
b)冠層投影分析方法是將冠層陰影自動提取技術的輸出結果，即將從多個時刻即對應多個太陽入射高度角下的照片中提取的陰影比作為輸入參數，即得到冠層葉面積指數與平均葉傾角；該部分的具體實現步驟如下：?
步驟一：葉傾角離散化?
葉傾角離散化技術是將冠層葉傾角在0度到90度之間平均劃分為N個相同的區間，N為區間個數；取每個區間的中點作為該區間上的平均葉傾角，用Aj表示，j從1到N，對應區間上的葉面積指數為LAIi；?
步驟二：計算冠層投影函數?
計算冠層投影函數是根據冠層陰影自動提取技術中步驟二所計算的太陽高度角數值，計算該高度角下對應于每個葉傾角區間內的葉片面積在水平地面的投影系數，按照以下公式計算：?
公式(1)中，θ,h分別是葉傾角與太陽高度角，θ0＝acos(tanhcotθ)；?
這樣，假設在一天之內獲取的冠層照片為M個，即太陽高度角數值個數為M，陰影比個數也為M，則K計算出來，形成一個M行N列的矩陣，即?
K＝(Kij)，i＝1～M，j＝1～N??(2)?
步驟三：計算正則化項?
計算正則化項是指對公式(3)中的H項的計算，H的作用是為了保持計算每個區間?葉面積指數LAIi時求解結果穩定；計算方法如下：H是一個方陣，方陣的行列數等于葉傾角的分割區間，其主對角線上除左上角和右下角為1外，其余為2，與主對角線相鄰的元素均為-1，方陣中其它元素均為0；?
步驟四：求葉傾角區間i上LAIi
根據葉片投影函數以及在“冠層陰影自動提取”技術中的“陰影比計算”模塊輸出的每個太陽高度角下的冠層陰影比，用公式(3)計算每個區間內的葉面積指數LAIi；?
LAIi＝(KTK+λH)KTS??(3)?
其中λ是一個0-1之間的數值，在實際應用中需根據計算結果的實際情況進行經驗性調整；H是一個正則化項，計算方法在步驟三中詳細闡述；?
步驟五：計算冠層LAI和平均葉傾角θL
計算冠層LAI和平均葉傾角θL方法是按照公式(4)-(6)計算；?
LAI＝∑LAIi??(4)?
θL＝∑giθi??(5)?
在式(5)中?
??(6)?
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