[发明专利]一种基于异速生长关系联合激光雷达方程的生物量提取方法

权利要求书

1.一种基于异速生长关系联合激光雷达方程的生物量提取方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

一、建立异速生长关系联合激光雷达方程的森林生物量反演模型：

Biomass为森林生物量；H_T为树高，单位为m；H_c为树冠高度，单位为m；ρ为木质的密度，单位为g/cm³；γ为尼尔逊参数；G为植被组分空间取向分布函数；U_L(H)为单棵树叶面积体密度分布函数，单位为m²/m³；在高度H处，植被冠形半径为r(H)，单位为m；α由样地测量的树冠体积与胸径拟合回归获得；β为森林生物量与胸径和树高的幂函数关系；

定义：

其中，联立公式(11)与(12)并代入到公式(10)，进而得到公式(13)为森林生物量反演模型：

Biomass＝a·LBI^b·H_T^c (13)

其中，c＝β；

二、对地基激光雷达点云数据进行预处理，得到基于归一化处理后的单木激光雷达点云数据，利用计算几何中二维凸包算法提取不同高度处树冠横截面积，根据公式(12)计算获得激光雷达生物量指数LBI；

三、将激光雷达生物量指数LBI代入公式(13)，确定系数a、b及c，得到激光雷达生物量指数构建的生物量反演模型并计算生物量，即完成基于异速生长关系联合激光雷达方程的生物量提取方法；

步骤一中建立异速生长关系联合激光雷达方程的森林生物量反演模型具体是按以下步骤进行：

由生物量公式(1)与胸径与树冠体积的关系公式(2)联立获得公式(3)：

Biomass为森林生物量；H_T为树高，单位为m；H_c为树冠高度，单位为m；ρ为木质的密度，单位为g/cm³；F_{app-single-tree}(H)为高度H处植被冠层组分密度分布函数；为树冠的体积，单位为m³；α由样地测量的树冠体积与胸径拟合回归获得；β为森林生物量与胸径和树高的幂函数关系；

根据植被冠层激光雷达回波方程表达式为：

R_V(H)为在高度H处以上植被冠层反射的激光脉冲能量，单位为J，J₀为激光雷达脉冲能量，单位为J，ρ_V为植被冠层体后向散射系数，P(H)为高度H处以上的植被树冠孔隙度，J₀P(H)为高度H处的植被冠层获得的激光雷达脉冲能量，单位为J，F_{app-single-tree}(H)表示为高度H处的植被冠层组分密度分布函数；

因为所以F_{app-single-tree}(H)写成为：

所述的P(H)为高度H处以上的植被树冠孔隙度，公式如下：

其中，γ为尼尔逊参数；G为植被组分空间取向分布函数；L(H)为H处以上的叶面积，单位为m²；cosθ中θ为激光脉冲与植被组分的天顶角，且θ为0°；

由公式(5)和(6)联立获得公式(7)：

在高度H处，植被冠形半径为r(H)，单位为m；为叶面积密度分布函数；定义高度H处厚度为dH的叶面积为U_L(H)·π·[r(H)]²·dH，而且高度H处树冠分布可以写为所以两者相乘可以获得公式(8)：

其中，U_L(H)为单棵树叶面积体密度分布函数，单位为m²/m³；λ(H)为冠顶到高度H处树冠垂直密度累积分布函数，对于单棵树，在任何高度处树冠个数均为1，所以λ(H)＝1；

由公式(7)与(8)联立获得公式(9)：

F_{app-single-tree}(H)＝-γ·G·U_L(H)·π·[r(H)]²·H (9)

由公式(9)与(3)联立得到公式(10)；

所述的生物量公式(1)：

其中，Biomass为森林生物量；H_T为树高，单位为m；DBH为胸径，单位为m；ρ为木质的密度，单位为g/cm³；β为森林生物量与胸径和树高的幂函数关系；

所述的胸径与树冠体积的关系公式(2)：

其中，H_T为树高，单位为m；H_c为树冠高度，单位为m；F_{app-single-tree}(H)为高度H处植被冠层组分密度分布函数；为树冠的体积，单位为m³；α由样地测量的树冠体积与胸径拟合回归获得；

步骤一中所述的β＜1；

步骤一中所述的γ表述叶片空间分布聚集度情况，当γ＞1代表规则分布，γ＝1代表随机分布，γ＜1代表丛生分布；

步骤二中所述的对地基激光雷达点云数据进行预处理为多站拼接、去除燥点、地面点滤波、点云归一化及单木分割；

步骤三中确定系数a、b及c具体为：根据样地解析木的实测生物量数据，以及计算获得的解析木LBI与树高H，利用公式(13)进行非线性回归拟合，确定系数a、b及c。