專利名稱：一種利用幾何投影和激光雷達(dá)反演有效葉面積指數(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云數(shù)據(jù)計算森林冠層有效葉面積指數(shù)的方法，具體地說，是指一種改進的利用計算幾何投影算法來計算三維森林冠層有效葉面積指數(shù)的方法(流程如附

圖1所示)。
背景技術(shù)：
碳、水循環(huán)是全球氣候變化中生物地球化學(xué)過程中兩個很重要的組成部分。葉面積指數(shù)是遙感驅(qū)動的碳、水耦合的生態(tài)過程模型的重要輸入?yún)?shù)。葉面積能夠影響林冠的微氣候，決定生態(tài)系統(tǒng)的輻射利用效率，控制著大氣-植被-土壤之間的碳、水和能量的通量變化。遙感技術(shù)的發(fā)展使得我們能夠在不同空間和時間尺度進行葉面積指數(shù)的估算和制圖。激光雷達(dá)掃描，作為一種主動遙感技術(shù)，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于反演和提取各種生態(tài)物理參數(shù)中。航空和地面激光雷達(dá)是目前較為常用的兩種激光雷達(dá)掃描平臺。目前有兩種較常用的利用三維點云數(shù)據(jù)估算葉面積指數(shù)的方法一種是基于三維技術(shù)的方法；另一種是基于二維技術(shù)的方法。通?；谌S技術(shù)的方法，由于需要直接處理大量的點云數(shù)據(jù)，因此要求較高的計算能力和資源；與三維技術(shù)相比，二維方法由于其基于較為普遍接受的理論(如Monsi和Saeki的理論，M-S理論)，因而可直接應(yīng)用于實際操作中。在本發(fā)明也采用了整合了 M-S理論的數(shù)字半球攝影技術(shù)。通常有四種常見的幾何投影方法被用于將半球上的點投影到平面上，它們分別為極地投影、正射投影、朗勃方位角等積投影和立體等角投影。正射投影是最簡單的方法，將半球上的點直接投影到與投影線垂直的平面上。極地投影由于不能保持在投影平面所得到的半球立體角面積不變，所以其應(yīng)用有一定局限性。朗勃方位角等積投影技術(shù)可以保持面積不變，而且能夠保證點密度在半球表面和投影面上一致。立體等角投影可以保持對應(yīng)的角度信息不變。因此，有必要來探討不同投影技術(shù)對相同半球表面積在投影平面上的面積變化規(guī)律和特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套直接利用地面激光雷達(dá)系統(tǒng)生成的三維點云數(shù)據(jù)，結(jié)合幾何投影技術(shù)，將三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維柵格圖像進行快速估算林冠的有效葉面積指數(shù)，從而克服傳統(tǒng)光學(xué)儀器對觀測時光線條件的限制和點云基于三維技術(shù)方法計算量大、復(fù)雜等缺點。本發(fā)明的原理如下利用較新的遙感技術(shù)手段(地面三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng))，在林冠下層進行半球方式掃描獲取三維點云數(shù)據(jù)，結(jié)合不同的幾何投影方法，將三維點云轉(zhuǎn)換為二維的類似于魚眼機片的柵格圖像，利用現(xiàn)有的較為成熟的線性最小二乘反演算法進行林冠有效葉面積指數(shù)的估算。主要優(yōu)點在于對于觀測時刻的光線條件沒有要求，而且可以永久的記錄森林樣地的三維結(jié)構(gòu)和真彩色圖像。
本發(fā)明的技術(shù)方案主要包括以下步驟(I)首先利用地面激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，獲取植被冠層的三維點云數(shù)據(jù)。其中包含了掃描目標(biāo)點的空間幾何和激光束彈回的能量信息，三維坐標(biāo)直接提供了任意一點的空間位置坐標(biāo)信息，這也是傳統(tǒng)光學(xué)理論中的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。獲取的點云數(shù)據(jù)首先進行圖像拼接，并手動去除地面點z 。(2)將每個森林樣方的三維點云數(shù)據(jù)切割為以觀測點為圓心，30米為半徑的圓形樣方，再將所有低于地面激光掃描儀高度的點移除，剩下的點(稱為“林冠點云”)作為地面激光掃描儀半球掃描所獲取的三維點云，用于林冠有效葉面積指數(shù)的估算。然后將林冠點云從笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為半徑為I米的球面坐標(biāo)系統(tǒng)。將三維的點云數(shù)據(jù)通過投影技術(shù)轉(zhuǎn)為二維的平面的點云數(shù)據(jù)，為了能使用常規(guī)的傳統(tǒng)光學(xué)的軟件孔隙光分析(GLA)軟件，將平 面上的二維點云轉(zhuǎn)化為柵格圖像。該圖像與利用魚眼相機進行數(shù)字半球攝影所得到的圖片類似。(3)立體等角投影。立體等角投影可以保持角度信息在投影過程中不變，但形狀和面積會發(fā)生變化。先將“林冠點云”轉(zhuǎn)換為半徑為I米的球面坐標(biāo)系統(tǒng)，即投影到半徑為I米的球面。如圖2中的a所示，投影平面與球面相切于一點，而且與球面中心點和點0的連線垂直。立體等角投影的目標(biāo)就是將球面上半部分表面的所有點(三維空間)投影到二維平面上。例如點P(x，y，z)是球面上的任意一點，它的投影為P’ (XjY)0當(dāng)二者都用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)來表示時，可以用以下公式進行相互轉(zhuǎn)換
權(quán)利要求
1.一種利用幾何投影技術(shù)和激光雷達(dá)點云計算林冠有效葉面積指數(shù)的方法，其主要包括以下步驟(1)植被冠層的三維激光點云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理；(2)點云數(shù)據(jù)的切割定義一個以X，Y，Z為軸的笛卡爾坐標(biāo)系，地面激光雷達(dá)掃描儀所在位置設(shè)置于森林樣方內(nèi)，高度為I米，其激光發(fā)射位置為原點，將其進行半球掃描采集點云數(shù)據(jù)；將每個森林樣方的三維點云數(shù)據(jù)切割為以觀測點為圓心，30米為半徑的圓形樣方，再將所有低于地面激光掃描儀高度的點移除，剩下的點(稱為“林冠點云”)作為地面激光掃描儀半球掃描所獲取的三維點云，用于林冠有效葉面積指數(shù)的估算；然后將林冠點云從笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為半徑為I米的球面坐標(biāo)系統(tǒng)；將三維的點云數(shù)據(jù)通過投影技術(shù)轉(zhuǎn)為二維的平面的點云數(shù)據(jù)，為了能使用常規(guī)的傳統(tǒng)光學(xué)的軟件孔隙光分析(GLA)軟件，將平面上的二維點云轉(zhuǎn)化為柵格圖像；該圖像與利用魚眼相機數(shù)字半球攝影所得到的圖片類似；(3)立體等角投影立體等角投影可以使角度信息在投影過程中保持不變，但形狀和面積會發(fā)生變化；先將“林冠點云”轉(zhuǎn)換為半徑為I米的球面坐標(biāo)系統(tǒng)，即投影到半徑為I 米的球面；投影平面與球面相切于一點，而且與球面中心點和坐標(biāo)系原點O的連線垂直；立體等角投影的目標(biāo)就是將球面上半部分表面的所有點(三維空間)投影到二維平面上，例如點PU，y, z)是球面上的任意一點，它的投影為P’(X，Y)，當(dāng)二者都用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)來表示時，可以用以下公式進行相互轉(zhuǎn)換
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用激光點云計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云，其中包含了掃描目標(biāo)點的空間幾何和激光束彈回的能量信息，以及每個點的空間位置坐標(biāo)信息，對獲取的點云進行圖像拼接，并手動去除地面點云，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1或2所述的一種利用激光點云計算三維森林冠有效葉面積指數(shù)的方法，其特征在于步驟(2)中，在點云區(qū)域定義一個以X，Y，Z為坐標(biāo)軸的笛卡爾坐標(biāo)系，對獲取的點云數(shù)據(jù)切割得到“林冠點云”，用于模擬數(shù)字半球攝影所獲得的魚眼照片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種利用激光點云計算三維森林冠層有效葉面積指數(shù)的方法，其特征在于步驟(3)中，獲得“林冠點云”，轉(zhuǎn)換為球面坐標(biāo)系統(tǒng)，并投影到半球表面； 用于進一步的投影分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的一種利用激光點云計算三維森林冠層有效葉面積指數(shù)的方法，其特征在于步驟(3)中，半球表面的點云利用立體等角投影和朗勃方位角等積投影技術(shù)分別投影到二維平面，并轉(zhuǎn)化為柵格二值圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5所述的一種利用激光點云計算三維森林冠層有效葉面積指數(shù)的方法，利用線性最小二乘反演算法橢球體分布模型，分別針對不同天頂角范圍內(nèi)半球空間的林冠孔隙率和平均投影系數(shù)進行模擬估算，最終得到林冠層部分或整體的有效葉面積指數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進的利用幾何投影算法來計算三維森林冠層的有效葉面積指數(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云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理；點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；利用不同幾何投影將三維點云數(shù)據(jù)投影到二維平面空間，并將其轉(zhuǎn)換為柵格圖像，進而利用線性最小二乘反演算法進行孔隙率和有效葉面積指數(shù)的估算。本發(fā)明與傳統(tǒng)觀測手段相比，工作量小，無需接觸式觀測，不破壞冠層結(jié)構(gòu)和輻射特性，具有客觀、高效與精確的特點；開發(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G01B11/28GK102997871SQ201210480278
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者鄭光, 馮永康, 張乾 申請人:南京大學(xué)