[發明專利]一種利用三維點云數據定量刻畫森林聚集效應的方法

有效

• 申請號: 201710893471.3
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107831497B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 鄭光;馬利霞;居為民;王曉菲;路璐;云增鑫
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G06T17/05
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了三維點云數據定量刻畫森林聚集效應的方法，屬于植被遙感反演參數方法的研究領域。其步驟為：不同模式下森林冠層的三維點云數據獲取，包括單站半球模式和多站模式；對單站半球模式下獲取的點云數據進行半球切片得到傾角或方位角模式下的孔隙大小分布，對多站模式獲取的點云數據進行方向性切片得到任意方向的孔隙大小分布；根據孔隙大小分布和CC方法求得森林樣方任意位置的Ω?2；對于針葉林，需要根據簇的點云數據計算Ω?1；最終求得森林冠層元素聚集度指數Ω＝Ω?2/Ω?1。本發明與傳統光學儀器計算的冠層Ω相比，精度高，不受光環境、散射輻射以及半影效應的影響，可反演森林任意位置和時間下的Ω，適用性較高。

一、技術領域

本發明是通過三維點云數據定量精確刻畫森林聚集效應的方法，具體地說，是指一種通過地面激光雷達技術獲取森林冠層三維點云數據，精確求得孔隙大小分布，基于CC理論準確反演森林冠層聚集度指數的方法，屬于植被遙感反演參數方法的研究領域。

二、背景技術

森林冠層聚集度(Ω)指數被用于定量描述冠層元素非隨機分布的程度。精確反演森林冠層聚集度指數可有效提高森林理化參數的反演精度，也有益于更好的理解森林冠層輻射分布和生理過程。森林冠層葉面積指數通常是在假設冠層元素隨機分布的前提下基于貝爾定律求取，但森林冠層元素通常不滿足隨機分布的條件，這樣求取的葉面積指數通常被稱為有效葉面積指數。聚集度指數可將有效葉面積指數轉化為真實葉面積指數。研究表明，不考慮聚集度指數，會導致葉面積指數低估。同時，聚集度指數會影響冠層內部輻射分布，進而影響冠層生理過程，例如光合作用和蒸散發過程。

森林冠層聚集效應通常發生在三個尺度：(1)冠層元素內部(Ω-1)：在針葉林中，一個簇中所有的針產生聚集，在闊葉中該值為1。針葉Ω-1等于shoot中簇中所有針葉面積的一半(S_a)除以簇總表面積的一半(S_p)。通常S_p的求取通常是假定簇為圓柱體，而對于S_a通常通過三種方法來計算針的表面，包括光學掃描儀法、排水法和采樣法；(2)冠層元素尺度(Ω-2)：森林冠層中葉子或簇都會由于樹枝樹干影響產生聚集效應，主要是通過兩個關鍵步驟來求取，包括①通過光學儀器(魚眼相機DHP或者TRAC)求取孔隙率/孔隙大小分布階段，②基于孔隙率或孔隙大小分布利用各種理論來求取冠層元素Ω-2。例如，Lang在“Estimation of leaf area index from transmission of direct sunlight indiscontinuous canopies”提到的發展了通過孔隙率來求取Ω-2的方法(LX方法)；Chen在“Plant canpy gap-size analysis theory for improving optical measurement ofleaf-area index”發展了基于孔隙大小分布通過移除由于聚集效應而產生的大gap來反演Ω-2的方法(CC方法)；Leblanc在“Methodology comparison for canopy structureparameters extraction from digital hemispherical photography in borealforests”通過結合LX和CC方法發展了CLX的方法來反演Ω-2的理論。目前，CC方法被廣泛應用于Ω-2的反演中，且被證明精度較高；(3)單木尺度(Ω-3)：在大尺度區域中，樹木由于對光和養分的競爭或人為因素產生聚集，通常將樹冠假設為不同的幾何體來研究景觀尺度的單木聚集程度。本發明的方法主要是研究前兩個尺度上的森林冠層聚集程度Ω＝Ω-2/Ω-1。Ω值通常介于0-1之間，越趨近于0表示聚集程度越高，當Ω等于1時表示隨機分布。