[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
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術領域

本發明涉及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，它與數字圖像處理以及植被冠層分析有關，屬于農業與生態學技術領域。?

背景技術

植被葉面積指數(Leaf?Area?Index:LAI)與平均葉傾角(θ_L)屬于植被的結構信息，它們是影響太陽輻射在冠層內進行重新分配的重要因素。因此，獲取LAI和θ_L對于研究植被對太陽入射能量的利用能力以及植被的生長發育狀態具有重要的意義。?

從數字圖像中提取LAI和θ_L是目前常用的冠層分析測量方法。根據測量儀器所采用的成像鏡頭的視場角大小不同，可以細分為常規視場攝影以及廣角(半球)攝影。利用普通的數碼相機配備常規的鏡頭(一般最大視場角小于60度)即構成了常規視場攝影，而廣角攝影技術則是在普通的數碼相機上配備廣角鏡頭(最大視場角可以到達180度)，也有人稱之為半球攝影。?

專利CN102538717A.葉面積指數自動觀測系統及其方法及專利CN102778212A.一種利用數碼相機獲取水稻冠層葉面積指數的方法及裝置的發明內容即是屬于常規視場攝影技術，這些專利大都是基于單一時刻下的拍攝圖像。由于利用單一時刻的常規攝影技術圖像僅能提取一個觀測天頂角下的冠層間隙率，因此，無法同時估算以上所述的兩個冠層結構參數。專利CN101916438A.半球攝影法獲取水稻冠層葉面積指數和平均葉傾角的方法利用半球攝影法能夠同時獲取這兩個結構參數，但是，采用半球攝影的方法一方面增加了攝影傳感器的成本，另一方面，半球投影成像的方式會造成成像區域邊緣部分的變形，也會帶來一定的數據處理困難。用以上方法進行冠層分析的時候，對于成像的條件有特定的要求，一般要求在天空散射光遠遠大于直射光條件下拍攝，即在陰天、?黎明或者黃昏時間，然后對拍攝圖像通過數字圖像處理，得到圖像的分類圖。從分類圖中計算冠層間隙率，并進而估算LAI和θ_L，而對于單一角度圖像，則只能得到LAI值，并且要求用戶根據植被類型，預先指定θ_L的經驗值。也就是說，在這種條件下，難以同時獲取以上兩個結構參數。一般情況下，在采用上述技術進行冠層分析的時候，難以做到全自動化處理，需要人工干預圖像處理的過程。本發明針對當前冠層分析過程中難以同時獲取LAI和θ_L的困難，實現了一種利用植被冠層陰影同時提取葉面積指數與平均葉傾角方法。利用太陽在一天內的入射角度變化，通過處理不同入射條件下的冠層照片，區分照片中冠層陰影與光照面積，提取多角度冠層陰影比，利用冠層投影理論進行冠層分析。由于本發明利用了太陽多角度觀測數據，可以達到同時計算冠層葉面積指數與平均葉傾角的目的。與已有公開專利相比較，本發明具有分類方法簡單，冠層分析過程自動化程度高的優點，對成像硬件設備要求簡單，只需要與普通數字相機相結合，就能夠做到冠層結構參數的自動估算。?

發明內容

1.目的：針對上述問題，本發明目的是提供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，它是利用從普通的數字照片中提取的植被陰影信息，實現植被冠層葉面積指數與平均葉傾角等結構參數的自動獲取方法。?

2.技術方案：本發明為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，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，它們之間的連接關系如圖1所示。?

2.1冠層陰影自動提取技術?

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，我們稱之為陰影比。該部分的實現流程如圖2所示，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(紅、綠、藍)顏色空間轉變為HSV(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，利用亮度變化信息比較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?