專利名稱：應(yīng)用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提取樹種種群的生態(tài)學(xué)特征的方法，特別是一種應(yīng)用三維激光影像掃描 系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法。
技術(shù)背條
樹冠是樹木全部分枝和葉的總體，它是樹木生長(zhǎng)發(fā)育以及其它功能作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。樹 冠的形狀取決于樹木的遺傳特性和環(huán)境因素。每個(gè)樹種在其個(gè)體成熟時(shí)都基本上能表現(xiàn)出特 定的樹冠形態(tài)，表明同一樹種的冠形在遺傳特性上是一致的。而林分中的樹冠形態(tài)各異，發(fā) 育狀況不一，這是年齡、立地條件和林木間競(jìng)爭(zhēng)等因素共同作用的結(jié)果。這些因素的共同作 用會(huì)導(dǎo)致同一樹種的不同個(gè)體樹冠形態(tài)產(chǎn)生較大的差異，從而給有關(guān)研究工作帶來困難。從 森林生產(chǎn)的角度來看，樹冠的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了樹木光和作用的面積和有機(jī)物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x，反映 出樹木的生長(zhǎng)活力以及發(fā)育過程中的競(jìng)爭(zhēng)效果，從而直接影響樹木的生產(chǎn)力，因此，應(yīng)該把 樹冠結(jié)構(gòu)看作一個(gè)生態(tài)的統(tǒng)一體而非簡(jiǎn)單的幾何體來研究。隨著胸徑的增加，樹冠被葉片的 填充程度呈現(xiàn)了逐漸增加，然后降低的變化，這符合植物種群的生態(tài)學(xué)特征。胸徑較小的種 群個(gè)體生長(zhǎng)旺盛，葉量較多，對(duì)樹冠的填充能力較大；當(dāng)胸徑范圍較大即該樹長(zhǎng)到一定程度 時(shí)，生長(zhǎng)能力逐漸減弱甚至停滯，因此葉量變少，對(duì)樹冠的填充能力變小。因此，樹冠格局 的分形維數(shù)對(duì)葉子分布、樹種耐性、樹冠級(jí)、光合能力等均有很好的指示作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法，它是在 不用伐倒立木的條件下，通過三維激光掃描系統(tǒng)獲取樹冠的三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，建立樹冠的 三維模型，進(jìn)而算出樹冠體積分形維數(shù)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
1. 首先，采用三維激光影像掃描系統(tǒng)對(duì)樹冠進(jìn)行掃描，獲取樹冠的三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)， 建立樹冠的三維模型，求得全樹冠體積和葉生物量；然后，以樹冠體積的對(duì)數(shù)值為自變量， 葉生物量的對(duì)數(shù)值為因變量，進(jìn)行線性擬合，測(cè)定樹冠體積的分形維數(shù)為該擬合直線斜率的 3倍。
2. 全樹冠體積測(cè)定方法如下首先，對(duì)三維激光影像掃描系統(tǒng)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點(diǎn)，進(jìn)行剔除；然后，根據(jù)剩余的數(shù)據(jù)建立空間三 角網(wǎng)，利用現(xiàn)有技術(shù)中的空間幾何方法計(jì)算樹冠三角網(wǎng)模型的表面積S^、體積Fg。
3. 葉生物量測(cè)定方法如下首先，利用三維激光影像掃描系統(tǒng)獲取立木三維空間點(diǎn)陣數(shù) 據(jù)，建立立木三維模型；然后，通過立木三維模型量取樹高H、胸徑D!3;最后，由公式『=c!D! /2// "K冠"求得葉生物量。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)利用三維激光掃描系統(tǒng)掃描樹冠，不用砍伐立木，保護(hù)了森林； 利用三維掃描系統(tǒng)獲得樹冠的三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，從而建立起樹冠的三維空間模型，實(shí)現(xiàn)樹 冠的三維可視化表達(dá)；采用分形維數(shù)作為表征樹冠格局結(jié)構(gòu)的新參數(shù)，這是對(duì)測(cè)樹學(xué)研究的 一種有益的補(bǔ)充；應(yīng)用分形幾何的理論和方法對(duì)樹冠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，很容易消除尺度依 賴的影響；樹冠格局的分形維數(shù)是表征植物種群空間占據(jù)能力的工具，對(duì)葉子分布、樹種耐 性、樹冠級(jí)、光和能力、立地質(zhì)量和疏伐強(qiáng)度等葉具有很好的指示作用，樹冠格局分形維數(shù) 也是種群動(dòng)態(tài)分析和種群空間格局研究的重要指標(biāo)。
具體實(shí)施例方式
1. 在樹木前有效范圍內(nèi)架設(shè)好三維激光掃描儀，調(diào)整好參數(shù)和姿態(tài)，對(duì)樹冠進(jìn)行掃描， 獲取樹冠的三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取控制標(biāo)靶中心，得到一幅點(diǎn)云圖；通過坐標(biāo)匹配， 將樹冠的不同點(diǎn)云圖"拼合"在同一坐標(biāo)系下，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、抽取等功能的實(shí)現(xiàn)，以便 建立樹冠的三維模型。由于樹冠不像樹干有一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)體外形，樹冠有很多的空隙，激光 束可能穿透樹冠在樹冠內(nèi)進(jìn)行了反射，所以得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不是完全反映樹冠外層的空間 特征。要想得到樹冠的實(shí)體三維模型，是通過軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，人工判讀 沒有在樹冠表面的點(diǎn)，進(jìn)行剔除。然后根據(jù)剩余的數(shù)據(jù)建立空間三角網(wǎng)，根據(jù)空間幾何方法 計(jì)算空間三角模型的表面積、體積近似為樹冠的表面積、體積。
2. 通過對(duì)模型的量測(cè)，獲得樹高H、胸徑Du，由公式fF = C,D,/2/T7冠"求 得葉生物量W。
3. 根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以胸徑進(jìn)行分組，以樹冠體積V的對(duì)數(shù)值為橫坐標(biāo)，葉生物 量W的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，將得到的散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，得到直線斜率的3 倍就是所要求的樹冠格局分形維數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種應(yīng)用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法，其特征是首先，采用三維激光影像掃描系統(tǒng)對(duì)樹冠進(jìn)行掃描，獲取樹冠的三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，建立樹冠的三維模型，求得全樹冠體積和葉生物量；然后，以樹冠體積的對(duì)數(shù)值為自變量，葉生物量的對(duì)數(shù)值為因變量，進(jìn)行線性擬合，測(cè)定樹冠體積的分形維數(shù)為該擬合直線斜率的3倍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法，其特 征是其中全樹冠體積測(cè)定方法如下首先，對(duì)三維激光影像掃描系統(tǒng)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù) 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點(diǎn)，進(jìn)行剔除；然后，根據(jù)剩余的數(shù)據(jù)建立空 間三角網(wǎng)，利用現(xiàn)有技術(shù)中的空間幾何方法計(jì)算樹冠三角網(wǎng)模型的表面積Sg、體積^。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積分形維數(shù)方法，其特 征是其中葉生物量測(cè)定方法如下首先，利用三維激光影像掃描系統(tǒng)獲取立木三維空間點(diǎn) 陣數(shù)據(jù)，建立立木三維模型；然后，通過立木三維模型量取樹高H、胸徑Du;最后，由公 式『=C,"/2//"F冠"求得葉生物量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用三維激光影像掃描系統(tǒng)測(cè)定樹冠體積的分形維數(shù)方法，利用三維激光掃描系統(tǒng)掃描樹冠，獲得樹冠三維空間點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，建立樹冠三維空間模型，計(jì)算樹冠的表面積、體積；然后，以樹冠體積的對(duì)數(shù)值為自變量，葉生物量的對(duì)數(shù)值為因變量，進(jìn)行線性擬合，測(cè)定樹冠體積的分形維數(shù)為該擬合直線斜率的3倍。該方法不用砍伐立木，保護(hù)了森林，同時(shí)，采用分形維數(shù)作為表征樹冠格局結(jié)構(gòu)的新參數(shù)，是對(duì)測(cè)樹學(xué)研究的一種有益的補(bǔ)充，對(duì)深入研究樹木的生長(zhǎng)具有重要意義。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101520307SQ200810007520
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者張京燕, 李建雙, 旭 羅, 巖 趙, 鄧向瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院