[发明专利]一种基于点云半球切片估算森林叶面积指数的方法

说明书

本发明提供了一种方法：利用地面激光点云数据基于点云半球切片估算森林叶面积指数，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。其步骤为：获取植被冠层的三维激光点云数据的及预处理；基于局域集合特征方法将点云数据自动分为三类：光合作用冠层部分(如叶和花)、非光合作用冠层部分(如干和枝)和裸地；利用径向半球点云切片算法研究光合冠层部分与非光合冠层部分在三维空间的空间分布形式，计算角度孔隙率；计算消光系数；提取有效叶面积指数；根据激光点云逐点分类结果，评估木质部分对森林角度孔隙率和有效叶面积指数计算的贡献值。结果表明：利用地面激光点云数据，在不同密度的森林中，木质部分对有效叶面积指数贡献率为19％‑54％；该发明计算出的有效叶面积指数与鱼眼相机计算出的有效叶面积指数相关性达到74.27％。本发明丰富了利用地面激光点云数据提取森林冠层三维结构和生物物理参数的应用。

一、技术领域

本发明涉及一种利用地面激光点云数据估算森林有效叶面积指数(EffectiveLeaf-area Index， LAIe)的方法，并且评估了非光合冠层部分对森林角度孔隙率(AngleGap Fraction，AGF)和 LAIe的贡献。

二、背景技术

森林冠层通常划分为光合部分(如叶片)和非光合部分(如树干，枝和花)。叶片元素的 空间分布影响冠层内和冠层下光的截取和辐射机制，进而进一步影响植物的生物物理过程和动 植物栖息地分布。叶面积指数(Leaf-area Index，LAI)一般用来定量描述冠层叶片元素，通常 定义为单位地表面积上绿叶总面积的一半。LAI可以通过直接或间接的方法测量得到，航空激 光扫描系统和地面激光扫描系统都已经成功地应用于提取森林冠层LAI，经验统计模型和孔隙 率理论模型是两种主要的提取方法。其中，利用孔隙率理论模型测量LAI的不足之处在于不能 将非光合部分与光合组织区分开来，这就导致了像北方生态系统生产模拟模型(Boreal Ecosystem Productivity Simulator，BEPS)这样基于过程的模型利用孔隙率计算LAI时的不确定 性。为了阐明基于孔隙率测量光合冠层部分与非光合冠层部分的方法，提出有效叶面积指数、 植物面积指数和叶片面积指数这些专业俗语。定量计算非光合冠层部分对森林LAI估算有助于 将有效叶面积指数估算转化为真实叶面积指数。F.Hosoi等人在Journal of Experimental Botany 第58卷的“Factorscontributing to accuracy in the estimation of the woody canopy leaf areadensity profile using 3D portable lidar imaging”一文中证明LAI估算的主要误差来源于木质部分。

激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)有望代替劳动密集型、直接的LAI测量方 法，然而仍然很难将LiDAR点云数据中的光合和非光合冠层部分区分开来。破坏性的测量方 法是量化光合和非光合冠层部分最准确的方法，然而既费时又费力的特点限制了它们的实用 性。为了取代这种破坏性的方法，人们发明了各种不同的非破坏性的方法来估算木质部分占森 林冠层的比例，例如：2009年J.Zou等人在Tree Physiology第29卷的“Woody-to-total area ratio determination with a multispectral canopy imager”一文中，利用多光谱成像仪发明一种计算木质 部分占总冠层的面积比例的方法。然而，由于森林冠层叶片元素的复杂分布结构，二维光学工 具很难捕获到它们的空间分布形式和垂直剖面。因此，三维信息对于定量描述木质部分占森林 冠层的比例、评估对LAI的贡献很重要。