專利名稱：一種農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度數(shù)字化測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理和數(shù)碼照相技術(shù)，具體涉及農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度數(shù)字化測定的新方法。
背景技術(shù)：
疏透度是指林帶林緣垂直面上透光孔隙的投影面積與該垂直面上林帶投影總面積之比，又稱透光疏透度，它是評價農(nóng)田防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)的定量化指標(biāo)和表征林帶結(jié)構(gòu)的重要特征參數(shù)，通常作為區(qū)別林帶結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的最主要指標(biāo)之一。由于疏透度是樹種搭配方式、行數(shù)、株行距、平均胸徑、樹高、枝下高等林帶結(jié)構(gòu)因子的綜合表征，難以直接測定，因而先后產(chǎn)生了目測法、方格景框法、照相法、概率分析估算法以及數(shù)學(xué)模型等多種測定方法，但都因測量的精度或操作過程不便而在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。
20世紀(jì)90年代后，國外學(xué)者開發(fā)出了采用數(shù)字化掃描測定單株樹木疏透度的方法，并發(fā)展形成了“光學(xué)相機(jī)”與“數(shù)字圖像處理”軟件相結(jié)合的林帶疏透度測定方法，實(shí)現(xiàn)了對林帶疏透度較為精確的定量化測定。但是這一方法也有其明顯的缺陷，一是獲取相片的成本比較高，二是照片通過掃描輸入會使分辨率降低。
隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼照相技術(shù)的出現(xiàn)與不斷完善，使數(shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)圖形處理相結(jié)合，廉價、準(zhǔn)確、快速定量測定農(nóng)田防護(hù)林林帶的疏透度已成為可能。為此，研發(fā)提出“數(shù)碼相機(jī)”與“遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)”相結(jié)合的林帶疏透度測定方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其有效性，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度快速、準(zhǔn)確、廉價的定量化測定，并且操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用，為農(nóng)田防護(hù)林的營造、林帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和經(jīng)營管理提供了技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是利用“數(shù)碼相機(jī)”與“遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)”相結(jié)合，快速、準(zhǔn)確、簡便、經(jīng)濟(jì)地測定農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明對農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度的測定，其主要技術(shù)方案是①在垂直林帶20米至30米處拍攝林帶數(shù)碼照片，照片的拍攝高度和中心為林帶平均高的一半；②將拍攝的林帶數(shù)碼照片存入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)所支持的BMP、TIF、GIF、PCX或JPEG等圖像格式。用圖像處理軟件(如Photoshop)將圖像由彩色圖像轉(zhuǎn)換成256階灰度圖像并將圖像中與測量無關(guān)的信息處理掉；③用圖像處理軟件(如Photoshop)的選定和裁剪功能裁定林帶斷面的測定范圍，上限以林帶平均高處為準(zhǔn)，林冠與林干兩部分之間的分界線以平均枝下高為準(zhǔn)；④用遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)確定林冠和林干的界定閾值并用紅色進(jìn)行填充，然后統(tǒng)計(jì)出林冠所占的像素?cái)?shù)和林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；用同樣方法統(tǒng)計(jì)出林干所占的像素?cái)?shù)和林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；⑤林帶疏透度值采用加權(quán)平均法β＝(β1×h1+β2×h2)/H進(jìn)行計(jì)算，式中β為疏透度；β1為林冠疏透度；β2為林干疏透度；H為林帶平均高；h1為林冠平均高；h2為林干平均高；β1＝林冠填充像素?cái)?shù)/林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；β2＝林干填充像素?cái)?shù)/林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)。
本發(fā)明的進(jìn)一步要點(diǎn)是以“數(shù)碼相機(jī)”和“遙感圖像軟件(如ENVI4.0)”相結(jié)合，通過數(shù)碼相片上林帶枝體與其空隙之間的灰度差異，應(yīng)用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)將它們嚴(yán)格分割開來，由各自所占據(jù)的“像素”來統(tǒng)計(jì)林帶影像的孔隙度(林帶相片疏透度)，用以估計(jì)林帶實(shí)際疏透度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和卓著的效果①本發(fā)明采用“數(shù)碼相機(jī)”和“遙感圖像軟件(如ENVI4.0)”相結(jié)合的方法測定林帶疏透度，具有與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和數(shù)碼照相技術(shù)共同發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)。
②本發(fā)明與現(xiàn)有的目測法、方格景框法、照相法、概率分析估算法、數(shù)學(xué)模型以及“光學(xué)相機(jī)”與“數(shù)字圖像處理”軟件相結(jié)合等多種測定方法相比，具有成本低廉、快速、準(zhǔn)確、操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)、具有開放性、便于應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
③本發(fā)明采用像素?cái)?shù)在400萬以上的數(shù)碼相機(jī)，對農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度測定的誤差只有萬分之幾，可以達(dá)到非常高的測定準(zhǔn)確度。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例數(shù)碼相機(jī)Nikon D70遙感圖像處理軟件ENVI4.0應(yīng)用步驟①在垂直林帶20米至30米處用Nikon D70數(shù)碼相機(jī)拍攝林帶數(shù)碼照片，照片的拍攝高度和中心為林帶平均高的一半；②將拍攝的林帶數(shù)碼照片存入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成遙感圖像處理軟件ENVI4.0所支持的BMP、TIF、GIF、PCX或JPEG等圖像格式，用圖像處理軟件Photoshop將圖像由彩色圖像轉(zhuǎn)換成256階灰度圖像并將圖像中與測量無關(guān)的信息處理掉；③用圖像處理軟件Photoshop的選定和裁剪功能裁定林帶斷面的測定范圍，上限以林帶平均高處為準(zhǔn)，林冠與林干兩部分之間的分界線以平均枝下高為準(zhǔn)；④用遙感圖像處理軟件ENVI4.0確定林冠和林干的界定閾值并用紅色進(jìn)行填充，然后統(tǒng)計(jì)出林冠所占的像素?cái)?shù)和林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；并計(jì)算出林冠部的疏透度值。用同樣方法統(tǒng)計(jì)出林干所占的像素?cái)?shù)和林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)，并計(jì)算出林干部的疏透度值。
⑤林帶疏透度值采用加權(quán)平均法β＝(β1×h1+β2×h2)/H進(jìn)行計(jì)算得到，式中β為疏透度；β1為林冠疏透度；β2為林干疏透度；H為林帶平均高；h1為林冠平均高；h2為林干平均高；β1＝林冠填充像素?cái)?shù)/林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；β2＝林干填充像素?cái)?shù)/林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)。
權(quán)利要求
1.一種對農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度快速、準(zhǔn)確、操作簡便、更經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用的測定方法，其原理是應(yīng)用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)相片上林帶枝體與其空隙之間的灰度差異，經(jīng)二值圖像處理將它們嚴(yán)格分割開來，由各自所占據(jù)的“像素”來統(tǒng)計(jì)林帶影像的孔隙度(林帶相片疏透度)，用以估計(jì)林帶實(shí)際疏透度。其操作步驟是①在垂直林帶20米至30米處拍攝林帶數(shù)碼照片，照片的拍攝高度和中心為林帶平均高的一半；②將拍攝的林帶數(shù)碼照片存入計(jì)算機(jī)，并轉(zhuǎn)換成遙感圖像處理軟件(如ENVI 4.0)所支持的BMP、TIF、GIF、PCX或JPEG等圖像格式，用圖像處理軟件(如Photoshop)將圖像由彩色圖像轉(zhuǎn)換成256階灰度圖像并將圖像中與測量無關(guān)的信息處理掉；③用圖像處理軟件(如Photoshop)的選定和裁剪功能裁定林帶斷面的測定范圍，上限以林帶平均高處為準(zhǔn)，林冠與林干兩部分之間的分界線以平均枝下高為準(zhǔn)；④用遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)確定林冠和林干的界定閾值并用紅色進(jìn)行填充，然后統(tǒng)計(jì)出林冠所占的像素?cái)?shù)和林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；用同樣方法統(tǒng)計(jì)出林干所占的像素?cái)?shù)和林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；⑤林帶疏透度值采用加權(quán)平均法β＝(β1×h1+β2×h2)/H進(jìn)行計(jì)算，式中β為疏透度；β1為林冠疏透度；β2為林干疏透度；H為林帶平均高；h1為林冠平均高；h2為林干平均高；β1＝林冠填充像素?cái)?shù)/林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；β2＝林干填充像素?cái)?shù)/林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林帶疏透度的測定方法，其特征是選取典型的林帶在垂直林帶20米至30米處拍攝林帶數(shù)碼照片。拍攝前在所攝取林帶的邊緣放置一定高的花桿(如2米)，用于直接通過像素點(diǎn)的比率在相片上計(jì)算林帶的平均高、枝下高，照片的拍攝高度和中心為林帶平均高的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林帶疏透度的測定方法，其特征是用圖像處理軟件(如Photoshop)的選定和裁剪功能裁定林帶斷面的測定范圍，上限以林帶平均高處為準(zhǔn)，林冠與林干兩部分之間的分界線以平均枝下高為準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林帶疏透度的測定方法，其特征是用遙感圖像處理軟件(如ENVI4.0)確定林冠和林干的界定閾值并用紅色進(jìn)行填充，然后統(tǒng)計(jì)出林冠所占的像素?cái)?shù)和林冠斷面所在影像的總像素?cái)?shù)；用同樣方法統(tǒng)計(jì)出林干所占的像素?cái)?shù)和林干斷面所在影像的總像素?cái)?shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的林帶疏透度的測定方法，其特征是林帶疏透度值采用加權(quán)平均法進(jìn)行計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明涉及農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度數(shù)字化測定的新方法。主要解決農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度廉價、準(zhǔn)確、快速的定量測定問題。該方法是以“數(shù)碼相機(jī)”和“遙感圖像軟件”相結(jié)合，通過數(shù)碼相片上林帶枝體與其空隙之間的灰度差異，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖形處理軟件的圖像處理將它們嚴(yán)格分割開來，由各自所占據(jù)的“像素”來統(tǒng)計(jì)林帶影像的孔隙度(林帶相片疏透度)，用以估測林帶實(shí)際疏透度。本發(fā)明可用于農(nóng)田防護(hù)林林帶疏透度的定量化測定。
文檔編號A01G23/00GK1883251SQ20051008127
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者潘存德, 萬猛 申請人:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)