專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用地面三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算森林冠層消光系數(shù)的方法，具體地說(shuō)，是指一種改進(jìn)的利用計(jì)算幾何算法來(lái)計(jì)算三維森林冠層任意給定入射光線下的消光系數(shù)的方法(流程如附圖
I所示)。
背景技術(shù)：
森林冠層結(jié)構(gòu)在土壤-冠層-大氣的相互作用中占有重要的地位，并與生物地球化學(xué)循環(huán)中的物質(zhì)能量交換密切相關(guān)。消光系數(shù)定義為單位葉面積在垂直于光線方向的平面上的平均投影面積，是定量的理解森林冠層結(jié)構(gòu)和輻射傳輸?shù)闹匾蜃?。他是基于葉傾角的方向性分布函數(shù)(包括傾角和方位角分布函數(shù))，對(duì)于任意給定角度的入射光線來(lái)計(jì)算的。間接、準(zhǔn)確地獲取植被冠層的葉傾角分布密度函數(shù)一直以來(lái)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作，傳統(tǒng)的方法主要是利用逐葉片直接觀測(cè)的方法來(lái)獲取給定單株樹(shù)的葉傾角分布密度函數(shù)。比如=Norman等人利用量角器和指南針等設(shè)備制作了一種較為簡(jiǎn)單方便的測(cè)量葉片角度和空間分布的儀器(附圖2左)；Lang等人利用機(jī)械臂的靈活性和巧妙的幾何傳遞關(guān)系制作了一種可以自由移動(dòng)和伸縮的用來(lái)測(cè)量葉片空間和角度分布的儀器(附圖2右)。但由于其工作量大，主觀性強(qiáng)，而且對(duì)所測(cè)量的目標(biāo)樹(shù)木的高度有限制，所以不能夠廣泛地應(yīng)用于實(shí)際研究中。更為重要的一點(diǎn)是，直接觀測(cè)往往會(huì)影響甚至破壞植被冠層的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而破壞冠層內(nèi)部和以下的輻射分布情況。而且就森林而言，實(shí)際中很難利用直接觀測(cè)儀器來(lái)進(jìn)行逐葉片測(cè)量。因此，需要一種新的快速、準(zhǔn)確、間接的方法來(lái)獲取冠層葉片的角度和空間分布情況。近年來(lái)，也有人開(kāi)始嘗試進(jìn)行間接地獲取葉片傾角分布。例如,2007 年 Shilbayama 和 Watanabe 發(fā)表在期刊《Plant Production Science))第 10 卷的“Estimating the mean leaf inclination angle of wheat canopies using reflectedpolarized light” 一文中,提出利用反射極化光來(lái)進(jìn)行平均葉傾角的估算方法。.目前，還有一種較為流行的方法是利用數(shù)學(xué)幾何模型來(lái)近似地逼近真實(shí)樹(shù)木的葉片實(shí)際分布，其中被廣泛接受的是Campbell在20世紀(jì)80年代提出的橢球體兒何模型。其核心思想是橢球體表面各切面傾角的不同分布來(lái)近似表達(dá)實(shí)際葉片的角度分布，并通過(guò)調(diào)整橢球體的長(zhǎng)、短軸來(lái)調(diào)節(jié)不同傾角分布密度函數(shù)的變化。該方法可用以下公式表達(dá)
權(quán)利要求
1.一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其主要包括以下步驟(1)植被冠層的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理；(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維網(wǎng)格化定義一個(gè)以X，Y，Z為軸的笛卡爾坐標(biāo)系，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為有限的小區(qū)域，建立以體元(voxel)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)體元由長(zhǎng)⑴、寬(W)、高(h)三個(gè)參數(shù)決定其大??；(3)基于體元結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云切片算法三維網(wǎng)格化過(guò)程結(jié)束后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)被分為縱橫方向的眾多數(shù)據(jù)層，即切片，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視為縱橫方向切片的疊加；所有體元設(shè)為(i，j，k) (i=I, 2, . . . , m ； j = I, 2, . . . n ；k = I, 2, . . . , ρ);當(dāng) k = I, i 和 j 為給定區(qū)域內(nèi)的任意值,則可表不為第一層或第一橫切面的所有體兀；假設(shè)太陽(yáng)直射光從天頂方向射入，與Z軸方向平行；通過(guò)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云，可近似模擬入射光線與森林冠層的相對(duì)位置的變化，點(diǎn)云可在任意位置(水平0° -360°，垂直0° -90° )被切片，稱(chēng)作方向性切片；(4)線采樣分析葉片在切片中的空間分布通過(guò)線采樣方法進(jìn)行分析，每條樣線中非空的體元(N)個(gè)數(shù)代表樣線與葉片相交的次數(shù)，且N符合隨機(jī)分布；定義Pn為于太陽(yáng)入射光方向平行的樣線穿過(guò)整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，與葉片相交η次的可能性Λ表示樣線穿越的都是空隙，疊加指數(shù)為O ;通過(guò)求解所有樣線穿過(guò)植被時(shí)N的平均值，可以求得整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有樣線與葉片相交次數(shù)的平均值(m)和方差(σ2);每條樣線的方差(σ2)/均值(m)的相對(duì)變化可以反映葉片在真實(shí)空間的分布狀況；單株樹(shù)或林分的葉片分布可根據(jù)其相對(duì)變化(σ 2/m = 1，> 1，和< I)相應(yīng)的分為三種情況規(guī)則分布、隨機(jī)分布和聚集分布；(5)太陽(yáng)入射光傾斜角(Θ)固定時(shí)，計(jì)算第k層切片的平均投影系數(shù)第k層切片的投影系數(shù)Gk (r)是指固定的Ηθ，β)方向的投影系數(shù)；當(dāng)不考慮入射光方位角，而傾斜角為Θ時(shí)的k層平均投影系數(shù)Gk(0)，是通過(guò)方位角β在
上的積分計(jì)算的
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在步驟(I)中，所述三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由地面三維激光掃描儀獲取的森林植被冠層點(diǎn)云，其中包含了掃描目標(biāo)點(diǎn)的空間幾何和激光束彈回的能量信息，以及每個(gè)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)信息，對(duì)獲取的點(diǎn)云進(jìn)行圖像拼接，并手動(dòng)去除地面點(diǎn)云，作為提取冠層結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(2)中，在點(diǎn)云區(qū)域定義一個(gè)以X，Y，Z為坐標(biāo)軸的笛卡爾坐標(biāo)系，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維網(wǎng)格化，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為有限的小區(qū)域，建立基于體元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(3)中，將體元分為眾多切片；為了近似模擬入射光線與森林冠層的相對(duì)位置關(guān)系，將太陽(yáng)直射光設(shè)定為與Z軸方向平行，通過(guò)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云模擬其相對(duì)位置的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(3)中，點(diǎn)云可在任意位置(水平0° -360°，垂直0° -90° )被切片，故稱(chēng)作方向性切片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(4)中，利用與太陽(yáng)入射光方向平行的樣線對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行線采樣分析，每條樣線中非空的體元(N)個(gè)數(shù)代表樣線與葉片相交的次數(shù)，且N符合隨機(jī)分布；通過(guò)求解所有樣線穿過(guò)植被時(shí)N的平均值，可以求得整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有樣線與葉片相交次數(shù)的平均值(m)和方差(σ2);利用每條樣線的方差(σ2)/均值(m)的相對(duì)變化分析葉片在真實(shí)空間的分布狀況，σ Vm = 1，> 1，和< I分別與葉片的規(guī)則分布、隨機(jī)分布和聚集分布相對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(4)中，線采樣分析是計(jì)算整個(gè)冠層和不同高度切片消光系數(shù)的關(guān)鍵，同時(shí)有利于點(diǎn)云密度、輻射通量和輻射分布狀況等參數(shù)的獲取。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5或6中所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(5)中，太陽(yáng)入射光傾斜角(Θ)固定時(shí)，第k層切片的投影系數(shù)Gk (r)是指固定的Ηθ，β)方向的投影系數(shù)，當(dāng)不考慮入射光方位角，傾斜角為Θ時(shí)的k層平均投影系數(shù)Gk(0)，通過(guò)方位角β在
上的積分計(jì)算。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、6、7或8中所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(6)中，將方向ΗΘ，β)的太陽(yáng)入射光固定為與Z軸平行，對(duì)依照入射光與冠層的相對(duì)位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，設(shè)，每個(gè)非空體元內(nèi)包含的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為η(Dn= I時(shí)，投影系數(shù)為以取樣間距為邊長(zhǎng)的正方形面積sXs，與體元的長(zhǎng)度⑴X寬度(w)的面積之比；(2)η= 2時(shí)，投影系數(shù)為投影后和投影前的樣線長(zhǎng)度比；(3)η彡3時(shí)，若所有的點(diǎn)都在在同一樣線上，則將這些點(diǎn)分解為η= 2時(shí)的情況，計(jì)算投影系數(shù)；若在同一個(gè)面上，則構(gòu)建一個(gè)三角形來(lái)表示葉片區(qū)域，由三個(gè)頂點(diǎn)的投影坐標(biāo)來(lái)計(jì)算葉片投影面積；若都不在同一個(gè)面或同一條線上，則構(gòu)建一個(gè)三維凸包，凸包表面積的一半為實(shí)際的葉片面積，然后將所有的點(diǎn)投影到與樣線平行的平面上，用這些點(diǎn)建立二維的凸包，其面積為葉片的投影面積；投影系數(shù)為投影后和投影前的葉片面積之比。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的一種利用激光點(diǎn)云計(jì)算三維森林冠層消光系數(shù)的方法，其特征在于步驟(5)和(6)中，將(6)中計(jì)算的Ηθ，β)方向的投影系數(shù)代入(5)中計(jì)算每個(gè)切片層的平均投影系數(shù)，相加得到整個(gè)冠層的投影系數(shù)，即消光系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的利用計(jì)算幾何算法來(lái)計(jì)算三維森林冠層任意給定入射光線下的消光系數(shù)的方法，屬于森林冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取方法的研究領(lǐng)域。其步驟為植被冠層的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理；點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維網(wǎng)格化；基于體元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云切片算法；點(diǎn)云切片的線采樣分析；第k層切片的平均投影系數(shù)的計(jì)算；各層切片任意給定入射光線下的消光系數(shù)及整個(gè)冠層消光系數(shù)的計(jì)算。本發(fā)明與傳統(tǒng)觀測(cè)手段相比，工作量小，無(wú)需接觸式觀測(cè)，不破壞冠層結(jié)構(gòu)和輻射特性，具有客觀高效精確的特點(diǎn)；開(kāi)發(fā)了從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取三維結(jié)構(gòu)和生物物理多樣性信息的方法，將葉片的水平和垂直分布變化規(guī)律特征化。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102914501SQ20121026063
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者鄭光, 張乾, 馮永康 申請(qǐng)人:南京大學(xué)