[发明专利]一种利用航空激光点云计算有效叶面积指数的方法

说明书

本发明提供了一种利用航空激光点云计算有效叶面积指数的方法，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。其步骤为：植被冠层的三维激光点云数据的获取及预处理；由数字地形模型得到没有地面点云数据但又地面高度的样方尺度点云数据；点云数据的三维网格化；在不同的扫描角度下分别求得方向性孔隙率、方向性消光系数和方向性有效叶面积指数；根据每个扫描角度所求出的有效叶面积指数及该角度所占的权重求得森林冠层有效叶面积指数。本发明与其他的求叶面积指数方法相比较，充分考虑了扫描角度信息对方向性孔隙率、消光系数和有效叶面积指数的影响；并且不破坏冠层结构和辐射特性，客观高效精确；进一步开发了从激光雷达数据中提取三维结构和生物物理多样性信息的方法。

一、技术领域

本发明提供了一种利用航空激光雷达扫描数据来提取森林方向性孔隙率、消光系数和有效叶面积指数的方法，重点考虑了不同的扫描角度对这些参数提取的影响，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。

二、背景技术

叶面积指数对于不同的生态过程模型和双向反射率分布函数模型来说都是最关键的因素之一。无论对地面实测数据还是遥感数据，贝尔定律都是提取有效叶面积指数算法的理论基础。贝尔定律定量描述了光线在穿透非随机叶片分布的森林冠层时的衰减过程。由以下公式来定义：

ln(P(θ))＝-G(θ)L_e/cos(θ) (1)

θ是入射天阳光的天顶角，Le是有效叶面积指数，P(θ)和G(θ)/cos(θ)分别代表天顶角为θ，方位角为0°-360°时的入射太阳光条件下的叶片的孔隙率和消光系数。

然而公式(1)中的部分参数只适合于鱼眼相机和LAI-2200这样的光学地基工具来描述森林冠层，比如参数P(θ)，而不适用于遥感数据。因为航空航天传感器常常以非星下点方向观测地球表面，因此应该用P(θ，α)和G(θ，a)来分别表示有方位角信息的孔隙率和消光系数。P(θ)和P(θ，α)的不同之处表明了在估算叶面积指数的时候，对于来自于特定方向的平行入射光和来自于椭球中任何点的散射光应该区分对待。

人们常常采用不同的俗语来研究光在森林冠层中的透过与衰减，比如：林冠覆盖，林冠郁闭，部分覆盖与孔隙率。然而，当研究固定的非天顶方向的平行入射光在森林冠层中的渗透比例时，常常用方向性孔隙率代替森林覆盖或者森林郁闭指数，原因如下：

森林覆盖只能解释来自于天顶方向的平行入射光下的情况，森林郁闭描述来自于椭球任何点方向时的散射光，它们都不能很好地量化来自于特定方向的平行入射光的渗透比例，而方向性孔隙率可以很好地实现这个目标；孔隙率与方向性平行入射光在森林冠层中的穿透率之间有很强的关联，而且过去数十年在提取叶面积指数的研究中，孔隙率和空隙大小也得到了充分的研究；另外，可以利用航空激光雷达点云数据，根据不同的扫描角度，将森林冠层点云数据进行分组，照亮叶片的特定方向的激光束被看做是方向性平行入射太阳光来探讨森林冠层内和冠层下辐射机制的空间分布模式；随着观测角度变化而变化的方向性孔隙率也能够反映森林冠层内和冠层下辐射机制的三维空间分布以及太阳辐射的日变化。

消光系数，定义为垂直于入射太阳光的平面上单位叶面积投影的平均值，是定量描述光线穿透森林冠层时衰减情况的另一关键参数，并且在描述土壤-植被-大气循环系统之间的能量和质量交换时也发挥了重要作用。平行入射光的方向和森林冠层叶片倾角分布是计算消光系数的两个重要因子。不同的叶片角度分布函数，如de Wit’s函数、Beta函数和椭球函数都可以描述森林冠层叶片倾角分布；椭球模型很适合计算消光系数，因为它只需要一个参数，所以也可以利用遥感数据计算消光系数；郑光等人在Geoscience and RemoteSensing第50卷的“Leaf Orientation Retrieval From Terrestrial Laser Scanning”一文中发明了一种算法用来决定椭球模型的这个唯一参数，从而定量描述地面激光雷达点云数据中森林冠层叶片倾角分布，通过分析临近区域中每个点的法矢量的正态分布，也可以计算出截取入射光的叶片的方向分布函数。