[发明专利]一种利用几何投影和激光雷达反演有效叶面积指数的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种利用地面三维激光扫描仪获取的点云数据计算森林冠层有效叶面积指数的方法，具体地说，是指一种改进的利用计算几何投影算法来计算三维森林冠层有效叶面积指数的方法(流程如附图1所示)。 

二、背景技术

碳、水循环是全球气候变化中生物地球化学过程中两个很重要的组成部分。叶面积指数是遥感驱动的碳、水耦合的生态过程模型的重要输入参数。叶面积能够影响林冠的微气候，决定生态系统的辐射利用效率，控制着大气-植被-土壤之间的碳、水和能量的通量变化。遥感技术的发展使得我们能够在不同空间和时间尺度进行叶面积指数的估算和制图。激光雷达扫描，作为一种主动遥感技术，已经被成功地应用于反演和提取各种生态物理参数中。航空和地面激光雷达是目前较为常用的两种激光雷达扫描平台。 

目前有两种较常用的利用三维点云数据估算叶面积指数的方法：一种是基于三维技术的方法；另一种是基于二维技术的方法。通常基于三维技术的方法，由于需要直接处理大量的点云数据，因此要求较高的计算能力和资源；与三维技术相比，二维方法由于其基于较为普遍接受的理论(如Monsi和Saeki的理论，M-S理论)，因而可直接应用于实际操作中。在本发明也采用了整合了M-S理论的数字半球摄影技术。 

通常有四种常见的几何投影方法被用于将半球上的点投影到平面上，它们分别为极地投影、正射投影、朗勃方位角等积投影和立体等角投影。正射投影是最简单的方法，将半球上的点直接投影到与投影线垂直的平面上。极地投影由于不能保持在投影平面所得到的半球立体角面积不变，所以其应用有一定局限性。朗勃方位角等积投影技术可以保持面积不变，而且能够保证点密度在半球表面和投影面上一致。立体等角投影可以保持对应的角度信息不变。因此，有必要来探讨不同投影技术对相同半球表面积在投影平面上的面积变化规律和特征。 

三、发明内容

本发明的目的是： 

提供一套直接利用地面激光雷达系统生成的三维点云数据，结合几何投影技术，将三维点云数据转换为二维栅格图像进行快速估算林冠的有效叶面积指数，从而克服传统光学仪器对观测时光线条件的限制和点云基于三维技术方法计算量大、复杂等缺点。 

本发明的原理如下： 

利用较新的遥感技术手段(地面三维激光雷达扫描系统)，在林冠下层进行半球方式扫描获取三维点云数据，结合不同的几何投影方法，将三维点云转换为二维的类似于鱼眼机片的栅格图像，利用现有的较为成熟的线性最小二乘反演算法进行林冠有效叶面积指数的估算。主要优点在于对于观测时刻的光线条件没有要求，而且可以永久的记录森林样地的三维结构和真彩色图像。 

本发明的技术方案主要包括以下步骤： 

(1)首先利用地面激光雷达扫描系统，获取植被冠层的三维点云数据。其中包含了扫描目标点的空间几何和激光束弹回的能量信息，三维坐标直接提供了任意一点的空间位置坐标信息，这也是传统光学理论中的数学模型的基础。获取的点云数据首先进行图像拼接，并手动去除地面点云。 

(2)将每个森林样方的三维点云数据切割为以观测点为圆心，30米为半径的圆形样方，再将所有低于地面激光扫描仪高度的点移除，剩下的点(称为“林冠点云”)作为地面激光扫描仪半球扫描所获取的三维点云，用于林冠有效叶面积指数的估算。然后将林冠点云从笛卡尔坐标系转为半径为1米的球面坐标系统。将三维的点云数据通过投影技术转为二维的平面的点云数据，为了能使用常规的传统光学的软件孔隙光分析(GLA)软件，将平面上的二维点云转化为栅格图像。该图像与利用鱼眼相机进行数字半球摄影所得到的图片类似。 

(3)立体等角投影。立体等角投影可以保持角度信息在投影过程中不变，但形状和面积会发生变化。先将“林冠点云”转换为半径为1米的球面坐标系统，即投影到半径为1米的球面。如图2中的a所示，投影平面与球面相切于一点，而且与球面中心点和点O的连线垂直。立体等角投影的目标就是将球面上半部分表面的所有点(三维空间)投影到二维平面上。例如：点P(x，y，z)是球面上的任意一点，它的投影为P’(X，Y)。当二者都用笛卡尔坐标系统来表示时，可以用以下公式进行相互转换：