一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型，構(gòu)建過程包括如下步驟：步驟1)提取城市中不同單體樹種的冠層結(jié)構(gòu)信息；步驟2)采用經(jīng)驗關(guān)系法反演所述基準圖中的葉面積指數(shù)；步驟3)結(jié)合冠層結(jié)構(gòu)信息與葉面積指數(shù)反演結(jié)果，構(gòu)建二者之間的回歸模型；步驟4)將單株立木的樹冠體積值與LAI反演量相結(jié)合，獲得位于冠層不同高度面上的葉面積含量；步驟5)確定所述基準圖中的植被水平蒸散梯度；步驟6)提取建筑物的平均高度、投影面積和體積等參數(shù)；步驟7)結(jié)合步驟4)、步驟5)、步驟6)中得到的三個基本輸入?yún)?shù)，構(gòu)建城市綠輻射受益量計算模型，獲得綠輻射受益量分布圖，以及不同高度層所對應(yīng)的綠輻射受益量分布特征。
【專利說明】一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型，本發(fā)明能夠更 好的描述對城市環(huán)境具有積極影響的環(huán)境因子在三維地域空間網(wǎng)格內(nèi)的含量及分布規(guī)模， 有效地揭示城市綠地生態(tài)效益服務(wù)范圍。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市綠地作為依附于城市土地資源的一種重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)，在改善城市 生態(tài)環(huán)境、促進人體健康等方面起著不可或缺的積極作用，其生態(tài)意義與環(huán)境價值的重要 性也正逐漸被人們所關(guān)注。城市綠地的生態(tài)效益功能主要體現(xiàn)在改善城市氣候圈循環(huán)（調(diào) 節(jié)氣溫、增加空氣濕度）；凈化空氣（吸收二氧化碳、釋放氧氣）、保持水土（涵養(yǎng)水源）；滯 留煙塵；降噪隔音；保護物種多樣性，提升城市生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力等功能。
[0003] 目前，國外城市綠地研究多集中于改善城市環(huán)境質(zhì)量、保護生物多樣性、提供休閑 娛樂和生態(tài)系統(tǒng)管理等生態(tài)效益方面。隨著人們對城市綠地功能認識的提升，以及遙感數(shù) 據(jù)源的多樣化，人們不再滿足于簡單城市植被制圖，而是考慮從多角度、多維數(shù)開展城市綠 色空間度量。
[0004] Hofmann等通過對格網(wǎng)中不同類型的植被賦以一定的權(quán)重系數(shù)，來度量每個格網(wǎng) 的綠量大小。奧地利薩爾茨堡大學(xué)利用遙感影像提取了二維植被類型信息，融合進鄰接建 筑物層高、直線距離等要素，為反映公民福祉與城市綠色生態(tài)提供了一種新方法，并認為城 市綠地的鄰接程度是改善居民生活條件的重要因素。Gupta等對研究區(qū)進行土地利用分類 及建筑物高度信息，利用格網(wǎng)法分別計算單個格網(wǎng)中建筑物密度、高建筑物密度和綠地的 鄰接程度等參量并賦權(quán)重系數(shù)，計算研究區(qū)的城市綠色空間指數(shù)。20世紀80年代以來，我 國一直以城市人均公共綠地面積、綠地率和綠化覆蓋率這3項指標來指導(dǎo)我國城市綠地建 設(shè)。盡管這些指標能從數(shù)量上說明一些問題，卻難以在空間上描述綠地景觀的空間布局，從 而真正反映綠地對人民服務(wù)的有效性。
[0005] 綠地是實際存在三維空間的幾何實體，其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)及其對環(huán)境的動態(tài)調(diào)節(jié) 理應(yīng)也是三維的，考慮到這一問題，本發(fā)明試圖建立一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射 受益量計算模型，用于定量描述綠輻射受益量在指定高度層上的含量及分布，量化綠地的 生態(tài)效益服務(wù)范圍，以期更好地指導(dǎo)城市綠地規(guī)劃建設(shè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型，用于描述不同 緩沖范圍內(nèi)蒸騰效益因子在指定高度層上的含量及分布特征，揭示城市綠地生態(tài)效益服務(wù) 范圍。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)步驟實現(xiàn)：
[0008] 步驟1)利用機載激光雷達數(shù)據(jù)，輔以高分辨率航空影像，提取城市中不同單體樹 種的冠層結(jié)構(gòu)信息，具體包括樹頂位置、樹高、樹冠投影輪廓、冠徑、冠高、樹冠體積等參數(shù)， 繪制冠層結(jié)構(gòu)信息基準圖；
[0009] 步驟2)采用經(jīng)驗關(guān)系法反演所述基準圖中的葉面積指數(shù)，得到葉面積指數(shù)反演 結(jié)果分布圖；
[0010] 步驟3)結(jié)合冠層結(jié)構(gòu)信息與葉面積指數(shù)反演結(jié)果，構(gòu)建二者之間的回歸模型，獲 得基于冠層體積信息的葉面積指數(shù)反演模型；
[0011] 步驟4)將單株立木的樹冠體積值與LAI反演量相結(jié)合，經(jīng)由微積分計算，獲得位 于冠層不同高度面上的葉面積含量，繪制植被生態(tài)效益源分布圖；
[0012] 步驟5)根據(jù)植被水平蒸散影響的最大有效距離，以及不同方位上單位距離內(nèi)植 被溫濕度效應(yīng)的變化梯度觀測值，確定所述基準圖中的植被水平蒸散梯度；
[0013] 步驟6)對LiDAR數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，生成數(shù)字高度模型與植被掩膜圖像，提取建筑 物的平均高度、投影面積和體積等參數(shù)，繪制建筑物高度分布圖與三維建模結(jié)果；
[0014] 步驟7)基于植物生態(tài)場理論，結(jié)合步驟4)、步驟5)、步驟6)中得到的三個基本輸 入?yún)?shù)，構(gòu)建一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型，獲得綠輻射受益量分 布圖，以及不同高度層所對應(yīng)的綠輻射受益量分布特征。
[0015] 進一步所述步驟1)的具體方法為：
[0016] a)采用基于活動窗口的局部最大值搜索法進行樹頂位置與樹高信息的提??；b) 在樹頂檢測結(jié)果基礎(chǔ)之上，利用傘骨算法識別樹冠投影邊界；c)根據(jù)樹冠的形態(tài)特征，使 用基于伸縮圓與冠高比的樹冠體積計算方法，引入冠層孔隙率修正系數(shù)，獲得樹冠體積計 算結(jié)果。
[0017] 進一步所述步驟2)的具體方法為：
[0018] a)對多光譜遙感影像進行波段計算，得到NDVI分布圖；b)采用表征冠層輻射傳 輸過程的物理模型PR0SAIL模擬獲得用于擬合模型參數(shù)的葉面積指數(shù)；C)利用一定數(shù)量的 LAI參考值與NDVI數(shù)據(jù)繪制散點圖，計算得到經(jīng)驗參數(shù)，即獲得LAI遙感估算模型。
[0019] 進一步所述步驟6)的具體計算過程為：
[0020] a)使用高程閾值從經(jīng)過植被掩膜后的圖像提取建筑物，得到粗略的建筑物提取結(jié) 果；b)采用中值濾波（Median Filter)消除邊界"鋸齒現(xiàn)象"，得到邊緣整齊的建筑物輪廓； c)經(jīng)由分區(qū)統(tǒng)計和幾何計算，得到單個獨立建筑物的高度、面積、體積等信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為樹冠三維結(jié)構(gòu)提取結(jié)果；
[0022] 圖2為葉面積指數(shù)反演結(jié)果；
[0023] 圖3為樹冠三維簡化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖4為城市建筑物高度分布圖與三維建模結(jié)果；
[0025] 圖5為總綠輻射受益量分布圖；
[0026] 圖6為I. 7m綠輻射受益量分布圖；
[0027] 圖7為12m綠輻射受益量分布圖；
[0028] 圖8為28. 5m綠輻射受益量分布圖；

【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明"一種融合樹冠三維結(jié)構(gòu)的城市綠輻射受益量計算模型" 作進一步說明。
[0030] 本發(fā)明試圖建立一種模擬植被蒸騰擴散過程的計算模型，可用于從二維平面與垂 直結(jié)構(gòu)角度描述綠輻射空間的數(shù)量及分布特征，界定城市綠度空間的有效生態(tài)服務(wù)范圍， 為環(huán)境規(guī)劃、城市綠化指導(dǎo)提供參考。
[0031] (一）單株立木冠層結(jié)構(gòu)信息提取
[0032] 城市綠度空間由生態(tài)效益源和綠輻射空間兩部分構(gòu)成，其中生態(tài)效益源是指可以 進行能量轉(zhuǎn)換、發(fā)揮生理功能和生態(tài)服務(wù)效益的客觀體，在本實例中特指樹冠。本發(fā)明首先 基于機載激光雷達數(shù)據(jù)，輔以高分辨率航空影像，提取單株立木冠層結(jié)構(gòu)信息，具體實現(xiàn)步 驟如下：
[0033] 1)基于單次回波點云數(shù)據(jù)構(gòu)建樹冠高度模型，在數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上濾除非植 被信息，獲得包含僅植被分布及高度信息的基準圖；
[0034] 2)基于活動窗口的局部最大值搜索法，從所述基準圖中提取單株立木的頂點（即 局部最商點）；
[0035] 3)在樹頂檢測結(jié)果基礎(chǔ)之上，采用"傘骨算法"進行樹冠投影邊界識別，分離單體 樹木并確定各自樹冠的邊界位置，得到樹冠邊界識別結(jié)果；
[0036] 4)結(jié)合樹頂檢測結(jié)果與樹冠邊界識別結(jié)果，基于伸縮圓與冠高比的樹冠體積計算 方法生成單體樹冠體積分布圖；
[0037] 5)通過計算圖像平均梯度反演冠層孔隙率，修正因樹冠內(nèi)部枝葉間存在的大量空 隙而造成的計算誤差，進一步提升步驟4)中的樹冠體積反演精度。
[0038] 經(jīng)由上述步驟得到樹冠三維結(jié)構(gòu)提取結(jié)果，如圖1所示。
[0039](二）葉面積指數(shù)反演
[0040] 采用經(jīng)驗關(guān)系方法反演植被指數(shù)。植被指數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系法需要輸入3個關(guān)鍵參 數(shù)：植被指數(shù)、經(jīng)驗關(guān)系形式和用于模型參數(shù)擬合的真實LAI數(shù)據(jù)。鑒于歸一化差值植被指 數(shù)（NDVI)為最常用的植被指數(shù)，且比值形式的NDVI在突出植被信息的同時減小了冠層陰 影、土壤背景、大氣污染和角度效益等影響。故本發(fā)明以NDVI為自變量，LAI為因變量，建 立估算模型：

【權(quán)利要求】
1. 一種融合樹冠H維結(jié)構(gòu)的城市綠福射受益量計算模型，該模型的構(gòu)建方法包 括如下步驟： 步驟1)獲取機載激光雷達數(shù)據(jù)，結(jié)合高分辨率航空影像，提取城市中不同單體樹種的 冠層結(jié)構(gòu)信息，具體包括樹頂位置、樹高、樹冠投影輪廓、冠徑、冠高、樹冠體積參數(shù)，繪制冠 層結(jié)構(gòu)信息基準圖； 步驟2)采用經(jīng)驗關(guān)系法反演所述基準圖中的葉面積指數(shù)，得到葉面積指數(shù)反演結(jié)果 分布圖； 步驟3)結(jié)合冠層結(jié)構(gòu)信息與葉面積指數(shù)反演結(jié)果，構(gòu)建二者之間的回歸模型，獲得基 于冠層體積信息的葉面積指數(shù)反演模型； 步驟4)將單株立木的樹冠體積值與LAI反演量相結(jié)合，經(jīng)由微積分計算，獲得位于冠 層不同高度面上的葉面積含量，繪制植被生態(tài)效益源分布圖； 步驟5)根據(jù)植被水平蒸散影響的最大有效距離，W及不同方位上單位距離內(nèi)植被溫 濕度效應(yīng)的變化梯度觀測值，確定所述基準圖中的植被水平蒸散梯度； 步驟6)對LiDAR數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，生成數(shù)字高度模型與植被掩膜圖像，提取建筑物的 平均高度、投影面積和體積等數(shù)，繪制建筑物高度分布圖與H維建模結(jié)果； 步驟7)基于植物生態(tài)場理論，結(jié)合步驟4)、步驟5)、步驟6)中得到的H個基本輸入?yún)?數(shù)，構(gòu)建一種融合樹冠H維結(jié)構(gòu)的城市綠福射受益量計算模型，獲得綠福射受益量分布圖， W及不同高度層所對應(yīng)的綠福射受益量分布特征。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1)的具體方法為： a)采用基于活動窗口的局部最大值搜索法進行樹頂位置與樹高信息的提??；b)在樹 頂檢測結(jié)果基礎(chǔ)之上，利用傘骨算法識別樹冠投影邊界（將傘滑算法識別樹冠投影邊界的 具體內(nèi)容進行補充，并加入到說明書的相應(yīng)部分）；c)根據(jù)樹冠的形態(tài)特征，使用基于伸縮 圓與冠高比的樹冠體積計算方法，引入冠層孔隙率修正系數(shù)，獲得樹冠體積計算結(jié)果。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的具體方法為： a)對多光譜遙感影像進行波段計算，得到NDVI分布圖；b)采用表征冠層福射傳輸過程 的物理模型PROSAIL模擬獲得用于擬合模型參數(shù)的葉面積指數(shù)；C)利用一定數(shù)量的LAI參 考值與NDVI數(shù)據(jù)繪制散點圖，計算得到經(jīng)驗參數(shù)，即獲得LAI遙感估算模型。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟6)的具體方法為： a)使用高程闊值從經(jīng)過植被掩膜后的圖像提取建筑物，得到粗略的建筑物提取結(jié)果； b)采用中值濾波（Median Filter)消除邊界"銀齒現(xiàn)象"，得到邊緣整齊的建筑物輪廓；C) 經(jīng)由分區(qū)統(tǒng)計和幾何計算，得到單個獨立建筑物的高度、面積、體積信息。
【文檔編號】G06F19/00GK104462741SQ201410444227
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】孟慶巖, 顧行發(fā), 張佳暉, 吳俊 , 占玉林, 金穎 申請人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所