[发明专利]一种草地植被生长监测方法

权利要求书

1.一种草地植被生长变化监测方法，包括以下步骤：

步骤一：通过LiDAR原位观测获取二进制离散点云数据，包括通过具有固定扫描视场角的LiDAR，在距地一定高度、以一定倾斜角度扫描目标样方，获取时空连续的逐日结构化二进制离散点云数据；

步骤二：对步骤一获取的点云数据进行标准化处理，包括：先利用LiDAR已知的观测角度信息对步骤一获得的数据进行角度转换校正，得到角度基准统一的逐日离散点云数据集，然后进行噪声滤波消除非植被地物和随机噪声，最后结合时序信息进行地表高程归一化，获得标准化的点云数据；以及

步骤三：草地植被垂直结构参数反演，利用反演结果表示植被生长过程变化趋势，其中，草地植被垂直结构参数反演包括植被植株整体高度反演、植被垂直覆盖度反演和植被体积反演；所述植株整体高度反演通过定量描述植被高度参数来表征，所述植被垂直覆盖度反演通过构建LiDAR穿透指数来表征，所述植被体积反演通过定量计算样方区域中冠层植被点云在三维空间上体积变化来表征。

2.根据权利要求1的监测方法，其中，对点云数据进行标准化处理之前，基于LiDAR硬件转换规则将步骤一的二进制离散点云数据转化为单回波las数据格式。

3.根据权利要求2的监测方法，其中，步骤二中进行角度转换校正的步骤包括：

基于空间直角坐标变换原理建立空间旋转矩阵，对点云数据进行角度校正，得到角度基准统一的离散点云数据集，对于观测角度已知且观测频率固定的点云数据，根据围绕三维空间中X,Y,Z三轴的旋转角度及顺序，依次对围绕每个轴的旋转建立坐标变换式，如下式所示：

其中，和分别为角度转换前后点云数据的三维坐标；ω,κ表示点云数据分别围绕Y,X,Z轴旋转的角度值；R表示所建立的角度旋转矩阵，Z轴方向为LiDAR激光脉冲发射扫描方向，绕Z轴的旋转表示LiDAR沿脉冲发射方向的自身转动角度κ；绕Y轴的旋转角表示LiDAR脉冲发射方位的倾斜角度绕X轴的旋转角表示LiDAR脉冲发射方向的观测方位角ω。

4.根据权利要求2的监测方法，其中，步骤二中进行噪声滤波消除非植被地物和随机噪声的步骤包括：通过分析确定单日点云数据中的非植被地物区域位置，获取待滤波区域的固定坐标区间，剔除时序点云数据中的非植被地物；以及使用统计去除离群点算法去除随机噪声。

5.根据权利要求4的监测方法，其中，所述随机噪声包括孤立和漂移噪点噪声，通过设置邻域搜索区域和标准差倍数去除所述孤立和漂移噪点噪声。

6.根据权利要求2的监测方法，其中，步骤二中结合时序信息进行地表高程归一化的步骤包括：首先对植被凋落期数据进行地面滤波来准确提取地面点并插值生成基准数字高程模型；以及通过直接基于点云数据减去对应的基准数字高程模型的像元值。

7.根据权利要求1的监测方法，其中，步骤三中植被高度参数的反演包括：在标准化的点云数据基础上构建二维栅格单元，将栅格单元作为参数计算基本处理单元进行植株高度的计算，通过统计每个栅格单元中所有点的平均值H_mean和最大值H_max来表示当下栅格中植株的高度特征分布，最终将所有栅格的高度特征参数进行综合，计算出当下样方区域中植株的高度特征分布。

8.根据权利要求1的监测方法，其中，步骤三中构建LiDAR穿透指数的反演包括：通过对标准化的点云数据设置经验高度阈值以区分植被与地面点，实现对植被垂直覆盖度的反演，具体计算式如下：

其中，ACI为所有回波覆盖指数；∑ALL为当前点云中所有点数量；Single_canopy、First_canopy、Intermediate_canopy和Last_canopy分别表示植被冠层区域中单次回波点、首次回波点、中间回波点以及末次回波点的数量，对于草地植被的监测，将所有回波点均视为单次回波点，并设置合适的高度经验阈值区分植被与非植被点，由此计算当前时间的植被垂直覆盖度。