專利名稱：應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，屬于圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
森林郁閉度是描述森林生態(tài)系統(tǒng)生長狀況的重要指標(biāo)，也是利用遙感影像進行森林生物量、蓄積量估算不可或缺的因子。近年來，與郁閉度相關(guān)的生態(tài)研究不斷深入，涉及到林分質(zhì)量評價、森林經(jīng)營管理、野生動物棲息地生境選擇、退耕還林生態(tài)恢復(fù)效果評價等方面。然而，郁閉度的基本內(nèi)涵與測量方法卻沒有受到足夠重視，存在著概念模糊、測定方法粗放等問題，不能滿足林業(yè)經(jīng)營管理與生態(tài)評價的需要。在林學(xué)與生態(tài)學(xué)中，與郁閉度相關(guān)的概念主要有林冠蓋度、林冠密度、林冠開闊度等。郁閉度指從林地一點向上仰視，被樹木枝體所遮擋的天空球面的比例，在生產(chǎn)中通常多次測量求均值作為該樣地的森林郁閉度。
當(dāng)前郁閉度的測定方法主要有樣點抬頭觀測法、樹冠投影法、郁閉度測定器法、遙感圖像判讀法及理論計算法等。在諸多方法中，樹冠投影法精度高，但效率較低；儀器測定法(麇角觀測儀(moosehorn)、球面密度計(speherical densiometer)、郁閉度測定器、冠層分析儀)設(shè)備成本昂貴，難以廣泛推廣應(yīng)用；遙感影像判讀和理論計算法則需具備專業(yè)操作技能與知識儲備。因此，這些方法大多用于科學(xué)研究層面，在生產(chǎn)實踐中仍較多地采用抬頭觀測法、樣線法等不應(yīng)用儀器的樣點法，制約了郁閉度在林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)研究中的應(yīng)用，可見探索一種精確度高、操作簡便且成本低、易攜帶的測量設(shè)備及方法具有很強的現(xiàn)實眉、ο發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有郁閉度的測定方法效率低、設(shè)備成本昂貴的問題，提供了一種應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法。
本發(fā)明所述應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，在待測森林中隨機選擇多處有代表性的觀測點進行郁閉度計算，則森林郁閉度為多處觀測點郁閉度的平均值，每處觀測點郁閉度的獲取方法包括以下步驟
步驟一、采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片；
步驟二、應(yīng)用Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像；
步驟三、在Matlab中讀取步驟二獲取的用于計算森林郁閉度的冠層圖像，并生成灰度圖像；
步驟四、根據(jù)所述灰度圖像獲取直方圖，并根據(jù)該直方圖判斷出天空部分灰度臨界點閾值T，所述天空部分灰度臨界點閾值T按公式
T= maxl2 max2 獲取，
式中^iaxl為直方圖中左半部分最大的灰度值，
Xfflax2為直方圖中右半部分最大的灰度值，
步驟五、根據(jù)所述臨界點閾值將所述灰度圖像二值化，將灰度圖像中小于所述臨界點閾值的像素的灰度值置1，代表天空部分；將灰度圖像中大于等于所述臨界點閾值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成二值化圖像；
步驟六、統(tǒng)計二值化圖像中灰度值為1的像素個數(shù)，并利用公式
/ = 獲取該處觀測點的森林郁閉度，
公式中f表示該處觀測點的森林郁閉度，
a表示二值化圖像中灰度值為1的像素個數(shù)，
s表示二值化圖像中總像素個數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明能夠克服傳統(tǒng)測量方法的主觀性、粗糙性與儀器測定法成本昂貴難以大范圍推廣的不足，提高森林郁閉度在林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)研究中的應(yīng)用，是一種精確度高、可操作性強、成本低、便攜性高的測量方法和設(shè)備，能夠快速準(zhǔn)確地獲取森林郁閉度信息。


圖1是本發(fā)明所述應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法的流程圖2是待測森林的魚眼照片；
圖3是截取的適合于森林郁閉度計算的冠層圖像照片；
圖4是圖3的灰度圖像；
圖5是根據(jù)圖4生成的直方圖6是分成天空部分與植被冠層部分的二值化圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述應(yīng)用 Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，在待測森林中隨機選擇多處有代表性的觀測點進行郁閉度計算，則森林郁閉度為多處觀測點郁閉度的平均值，每處觀測點郁閉度的獲取方法包括以下步驟
步驟一、采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片；
步驟二、應(yīng)用Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像；
步驟三、在Matlab中讀取步驟二獲取的用于計算森林郁閉度的冠層圖像，并生成灰度圖像；
步驟四、根據(jù)所述灰度圖像獲取直方圖，并根據(jù)該直方圖判斷出天空部分灰度臨界點閾值T，所述天空部分灰度臨界點閾值T按公式4
T = Xmaxl: __max2 獲取，式中^iaxl為直方圖中左半部分最大的灰度值，Xfflax2為直方圖中右半部分最大的灰度值，步驟五、根據(jù)所述臨界點閾值將所述灰度圖像ニ值化，將灰度圖像中小于所述臨界點閾值的像素的灰度值置1，代表天空部分；將灰度圖像中大于等于所述臨界點閾值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成ニ值化圖像；步驟六、統(tǒng)計ニ值化圖像中灰度值為1的像素個數(shù)，并利用公式/=1-一獲取該處觀測點的森林郁閉度，公式中f表示該處觀測點的森林郁閉度，a表示ニ值化圖像中灰度值為1的像素個數(shù)，s表示ニ值化圖像中總像素個數(shù)。所述天空部分灰度臨界點閾值T的確定在對比原始彩圖與ニ值化圖的基礎(chǔ)上完成的，以反映出精細特征為準(zhǔn)。
具體實施方式
ニ 本實施方式對實施方式一作進ー步說明，步驟一中采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片的方法為將單反相機固定在三腳架上，三腳架的高度在90 130cm之間，并使單反相機主光軸與水平面垂直，在該處觀測點進行拍照，獲取該處觀測點林冠魚眼照片。魚眼鏡頭是ー種焦距極短并且視角接近或等于180°的鏡頭。16mm或焦距更短的鏡頭。它是ー種極端的廣角鏡頭，“魚眼鏡頭”是它的俗稱。為使鏡頭達到最大的攝影視角，這種攝影鏡頭的前鏡片直徑且呈拋物狀向鏡頭前部凸出，與魚的眼睛頗為相似，“魚眼鏡頭”因此而得名。魚眼鏡頭屬于超廣角鏡頭中的ー種特殊鏡頭，它的視角力求達到或超出人眼所能看到的范圍。因此，魚眼鏡頭與人們眼中的真實世界的景象存在很大的差別，因為我們在實際生活中看見的景物是有規(guī)則的固定形態(tài)，而通過魚眼鏡頭產(chǎn)生的畫面效果則超出了這ー范疇。本實施方式選擇視角為180°的定焦全幅鏡頭，將單反數(shù)碼相機與魚眼鏡頭組合測定林分郁閉度，完成外業(yè)魚眼照片的測量。在圖像獲取時應(yīng)該注意的問題有以下幾點1)同一樣地要隨機選擇多個有代表性的觀測點進行拍照，獲取林冠影像。2)由于魚眼鏡頭視角較大，勿將操作人員和設(shè)備攝入影像。3)盡量將相機固定在三腳架上，在90 130cm之間為宜，并使相機主光軸與水平面垂里。4)拍照應(yīng)盡量避免光照過強、曝光過度及不清晰等因素的影響。對于拍攝時空中有云或較強光照的照片，區(qū)分林冠與天空信息較難，會產(chǎn)生誤分的像素數(shù)據(jù)。獲取的魚眼照片為彩色圖片。
具體實施方式
三本實施方式對實施方式一作進ー步說明，步驟ニ中應(yīng)用 Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像的過程為步驟21、在Wwtoshop中利用橢圓選框工具從所述林冠魚眼照片中提取直徑為 1500px 2000px的圓形區(qū)域，將該圓形區(qū)域作為待分析處理的冠層圖像；
步驟22、將所述待分析處理的冠層圖像中的樹干部分從該圖像中分離出去，生成適合于森林郁閉度計算的冠層圖像。本實施方式中觀察截取的待處理圖像，如果冠層圖像中存在一定比例的林木主干，則會直接影響郁閉度的測量結(jié)果。這時，要采用Photoshop多邊形套索工具和魔棒エ 具，根據(jù)統(tǒng)計特征，設(shè)置合適的容差，而后利用從選區(qū)中減去的選擇模式，將林木主干從林冠影像中分離。如果主干中還殘存有部分干擾信息，可使用橡皮擦工具消除。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2至圖6說明本實施方式，本實施方式給出ー個具體的實施例，1)預(yù)處理，圖2為待處理的林冠魚眼照片，在Wwtoshop中利用橢圓選框工具從魚眼照片中提取直徑為1500px的圓形區(qū)域，生成待處理的冠層圖像，如圖3所示。2)對于圖形區(qū)域內(nèi)有林木主干信息的圖像，利用Photoshop多邊形套索工具和魔棒工具，根據(jù)統(tǒng)計特征，設(shè)置合適的容差，而后利用從選區(qū)中減去的選擇模式，將林木主干從林冠影像中分離。3)完成預(yù)處理后，利用Matlab軟件進行分析計算。4)讀入待處理圖像，即圖3 ；5)將其灰度化，如圖4所示；6)確定天空部分灰度臨界點閾值T = 165，根據(jù)該天空部分灰度臨界點閾值T生成ニ值化圖，如圖5所示；7)在灰度圖中，小于165的置1，這部分代表天空；大于等于165的置0，這部分代表林冠，分成天空部分與植被冠層部分的ニ值化圖如圖6所示；8)統(tǒng)計1的像素個數(shù)，并根據(jù)公式·/= 1-一計算出森林郁閉度。
權(quán)利要求
1.應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，其特征在于，在待測森林中隨機選擇多處有代表性的觀測點進行郁閉度計算，則森林郁閉度為多處觀測點郁閉度的平均值，每處觀測點郁閉度的獲取方法包括以下步驟步驟一、采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片；步驟二、應(yīng)用Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像；步驟三、在Matlab中讀取步驟二獲取的用于計算森林郁閉度的冠層圖像，并生成灰度圖像；步驟四、根據(jù)所述灰度圖像獲取直方圖，并根據(jù)該直方圖判斷出天空部分灰度臨界點閾值T，所述天空部分灰度臨界點閾值T按公式V+ YT= maxl2 max2獲取，式中Xmaxl為直方圖中左半部分最大的灰度值， Xfflax2為直方圖中右半部分最大的灰度值，步驟五、根據(jù)所述臨界點閾值將所述灰度圖像二值化，將灰度圖像中小于所述臨界點閾值的像素的灰度值置1，代表天空部分；將灰度圖像中大于等于所述臨界點閾值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成二值化圖像；步驟六、統(tǒng)計二值化圖像中灰度值為ι的像素個數(shù)，并利用公式Ζ = 1" f獲取該處觀測點的森林郁閉度，公式中f表示該處觀測點的森林郁閉度， a表示二值化圖像中灰度值為1的像素個數(shù)， s表示二值化圖像中總像素個數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，其特征在于，步驟一中采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片的方法為將單反相機固定在三腳架上，三腳架的高度在90 130cm之間，并使單反相機主光軸與水平面垂直，在該處觀測點進行拍照，獲取該處觀測點林冠魚眼照片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，其特征在于，步驟二中應(yīng)用Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像的過程為步驟21、在Wiotoshop中利用橢圓選框工具從所述林冠魚眼照片中提取直徑為 1500px 2000px的圓形區(qū)域，將該圓形區(qū)域作為待分析處理的冠層圖像；步驟22、將所述待分析處理的冠層圖像中的樹干部分從該圖像中分離出去，生成適合于森林郁閉度計算的冠層圖像。
全文摘要
應(yīng)用Photoshop和Matlab快速提取森林郁閉度的方法，屬于圖像處理領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有郁閉度的測定方法效率低、設(shè)備成本昂貴的問題。本發(fā)明方法森林郁閉度為多處觀測點郁閉度的平均值，每處觀測點郁閉度的獲取方法為步驟一、采用魚眼鏡頭獲取林冠魚眼照片；步驟二、應(yīng)用Photoshop對所述林冠魚眼照片進行預(yù)處理，獲取用于計算森林郁閉度的冠層圖像；步驟三、在Matlab中讀取用于計算森林郁閉度的冠層圖像，并生成灰度圖像；步驟四、確定天空部分灰度臨界點閾值T，步驟五、根據(jù)天空部分灰度臨界點閾值T生成二值化圖像；步驟六、利用公式獲取該處觀測點的森林郁閉度。
文檔編號G06K9/46GK102542276SQ20111044469
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉婧怡, 劉殿偉, 湯旭光, 王宗明, 董張玉, 賈明明, 鄭興明 申請人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所