基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)計(jì)算的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)計(jì)算，尤其涉及一種 基于LTS(TransportLayerSecurity，激光掃描）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的闊葉樹葉面積指數(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 闊葉樹一般指雙子葉植物類的樹木，具有扁平、較寬闊葉片，葉脈成網(wǎng)狀，葉常綠 或落葉，一般葉面寬闊，葉形隨樹種不同而有多種形狀的多年生木本植物。有的常綠，落葉 類大多在秋冬季節(jié)葉從枝上脫落。闊葉樹的經(jīng)濟(jì)價(jià)值大，不少為重要用材樹種，其中有些為 名貴木材、景觀植物、各種水果等，還有一些闊葉樹用作行道樹或庭園綠化樹種。本發(fā)明研 宄是景觀植物含笑和櫻花樹葉面重建和形變。數(shù)據(jù)獲取借助地面激光掃描儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種面向激光點(diǎn)云數(shù)據(jù) 的闊葉樹真實(shí)葉片建模與形變方法，旨在借助激光掃描儀技術(shù)，搭建一個(gè)精確可行的三維 活立木數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)，融合圖形圖像學(xué)的最新方法，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析獲取精確林 學(xué)指標(biāo)，從而準(zhǔn)確描述不同林分條件下的活立木動(dòng)態(tài)生長變化的葉面積指數(shù)。
[0004] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] 一種基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于：首先 對(duì)激光掃描獲取的樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過一定的比例縮放在一個(gè)球的上表面，再通過球極平面 投影和Lambert方位角等面積投影將上球面圖像投射到平面上，其次構(gòu)造水平集能量函 數(shù)，提取林分半球圖中葉片像元，并針對(duì)林分三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征 并結(jié)合高斯混合模型分類獲取葉子點(diǎn)云；再次，利用Miller公式法和迭代反演法從分割后 二維半球圖中和分類后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算林分冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后將得到測量數(shù)據(jù)與手 動(dòng)實(shí)測葉面積指數(shù)進(jìn)行比較。
[0006] 2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方 法，其特征在于：包括如下點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟：
[0007] (1)掃描獲取整株樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先對(duì)其進(jìn)行笛卡爾坐標(biāo)和球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化通 過設(shè)定合適統(tǒng)一的r，即可將散亂的點(diǎn)云壓縮到一個(gè)半徑為r的球面上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于：首先對(duì) 激光掃描獲取的樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過一定的比例縮放在一個(gè)球的上表面，再通過球極平面投 影和Lambert方位角等面積投影將上球面圖像投射到平面上，其次構(gòu)造水平集能量函數(shù)， 提取林分半球圖中葉片像元，并針對(duì)林分三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征并 結(jié)合高斯混合模型分類獲取葉子點(diǎn)云；再次，利用Miller公式法和迭代反演法從分割后二 維半球圖中和分類后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算林分冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后將得到測量數(shù)據(jù)與手動(dòng) 實(shí)測葉面積指數(shù)進(jìn)行比較。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法，其 特征在于：包括如下點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟： (1) 掃描獲取整株樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先對(duì)其進(jìn)行笛卡爾坐標(biāo)和球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化通過設(shè) 定合適統(tǒng)一的r，即可將散亂的點(diǎn)云壓縮到一個(gè)半徑為r的球面上。
(2) 對(duì)步驟（1)球面數(shù)據(jù)，經(jīng)過球面坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即完成點(diǎn)云的球面壓縮過 程。
z = rcos 9 (3) 基于步驟（2)球面信息，利用Lambert方位角將球面投影到平面，投影過程切面圖 理論如下公式。設(shè)球面點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y，z)，轉(zhuǎn)換為的平面的坐標(biāo)為（x'，y')，于是轉(zhuǎn)換關(guān) 系為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法，其 特征在于：包括葉面積指數(shù)步驟如下： (1)基于Beer-Lambert定律的真實(shí)葉面積指數(shù)計(jì)算 數(shù)字化半球攝像技術(shù)是實(shí)際中最為常用的估算有效葉面積的方法。這種方法的要點(diǎn) 是：設(shè)定合適的曝光率，以便區(qū)分葉面元素（用〇表示）和天空部分（用1表示）。這一區(qū) 分參考標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)基于魚目攝像機(jī)拍攝的半球相片上的像素。在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，已經(jīng) 得到了孔隙率，天頂角，傾斜角以及葉面積指數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系： -In P(9) = G(0, a) XL/cos( 0 ) 其中P(0)表示的是孔隙率，0是入射太陽光線的天頂角，a是葉傾角，L就是葉面積 指數(shù)，如果進(jìn)一步變型，進(jìn)行下面定義： T( 0 ) = -lnP( 0 )
其中G( 0，a)表示葉面區(qū)域在入射光線的垂直方向的平均投影，并且有以下定義：
其中 x =cos-1(cotacot9 )，于是 T ( 9 ) = -InP ( 9 )式可改寫成： T( 0 ) = K( 0 , a ) XL K(0，a)是消光系數(shù)，若葉面元素的傾斜角a和孔隙率P(0)已知，具有相同天頂角 的一些區(qū)域的葉面積指數(shù)L就可以通過式計(jì)算出來。鑒于要求相同天頂角這一理念，在此 引入了地球煒度的這一想法，處在同一煒度區(qū)域的天頂角近似相等。 T( 0 ) = K(0，a)XL被廣泛應(yīng)用于有效葉面積（LAIe)的求取計(jì)算中，考慮到真實(shí)葉 面積指數(shù)和有效葉面積指數(shù)的主要差異在葉片的覆蓋問題，在此對(duì)預(yù)處理樹木進(jìn)行有效切 層操作，各層分別進(jìn)行有效葉面積求取累加即可獲得真實(shí)葉面積指數(shù)。對(duì)于上球面，加入地 球的煒度線，相隔間距15°，于是得到俯視圖。它是九個(gè)不等的間距的同心圓，每個(gè)圓代表 不同的天頂角（即樹木高度）。 (2) 葉傾角分布函數(shù) 冠層孔隙度與葉面積指數(shù)和葉傾角分布有關(guān)。常見植物的葉傾角分布一般可以分為5 種：水平葉角分布、垂直葉角分布、錐面葉角分布、球面葉角分布、橢球面葉角分布。其中，橢 球面葉傾角分布可以視作一般形式，其他四種可以認(rèn)為是特殊形式。 橢球函數(shù)模型表述為：
其中，p(a)叫做葉傾角密度函數(shù)，表示葉傾角為a的葉片總面積占整個(gè)冠層面積的 比值，x是橢球水平半軸與垂直半軸的比值，x越大表示冠層葉傾角越趨近與水平分布，x越 小表示葉傾角越接近垂直分布。 對(duì)葉傾角密度函數(shù)有
另外，x與平均葉傾角關(guān)系為：
(3) 投影函數(shù) 葉傾角分布按橢球分布函數(shù)模擬后，Campbell(1990)將投影函數(shù)公式展開為以下形 式：
其中，ei= (1-X2)1/2,e2= (l-f2)1/2，G(0)為0方向葉片的平均投影面積，x是橢 球橫、縱值長度之比。當(dāng)x< 1時(shí)，橢球直立，冠層中多數(shù)葉片傾角較大，冠層的平均葉傾角 大于57° ;當(dāng)x= 1時(shí)，橢球轉(zhuǎn)變?yōu)閳A球，這表示葉片出現(xiàn)各種葉傾角的概率大致相等，冠 層平均葉傾角約為57° ;當(dāng)x> 1時(shí)，橢球平躺，表示冠層中多數(shù)葉片傾角偏小，平均葉傾 角小于57°。本研宄取x< 1，得到投影圖像 (4)Miller積分公式求葉面積指數(shù) 基于Miller積分公式，Chen和Black假定冠層孔隙度只與入射角（視角）有關(guān)，并推 導(dǎo)了使用冠層孔隙度數(shù)據(jù)積分求LAI的公式：
為了便于計(jì)算機(jī)處理，上式積分公式轉(zhuǎn)化為差分公式：
式中，n表示將圖像按照視角劃分為n個(gè)等分的同心環(huán)，T( 0J為第i個(gè)環(huán)內(nèi)獲取的孔 隙度數(shù)據(jù)，A0為每個(gè)環(huán)的視角范圍，A0 =Ji/2n。 (5) 迭代反演法求葉面積指數(shù) 將式8和9代入式5后，整理得到同時(shí)含有葉面積指數(shù)LAI和平均葉傾角泛的方程：
式中，Tsim ( 0 )為模擬的孔隙度，LAI是葉面積指數(shù)，泛是平均葉傾角，給定一對(duì)LAI和泛 的值便可計(jì)算得到一條孔隙度數(shù)據(jù)T(0)關(guān)于視角0函數(shù)曲線。迭代反演法原理是使用 計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代運(yùn)算，通過給定不同LAI和泛的組合值，使模擬獲取的曲線與觀測得到的曲 線最為相接近。該算法基于最小二乘法，要求在一定范圍內(nèi)取得一組最合適的LAI與泛的組 合值，使其對(duì)應(yīng)的孔隙度模擬值Tsim( 0 )與從圖像上提取得到的孔隙度T( 0 )的偏差最小， 如下式
式中，Zi/是最優(yōu)葉面積指數(shù)LAI，冷是最優(yōu)平均葉傾角，T(0)為實(shí)測冠層孔隙度，Tsim(0)為模擬的孔隙度，按上面公式展開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法，其 特征在于：包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正步驟如下： 用半球攝影法估算葉面積指數(shù)（LAI)和平均葉傾角的方法都有一個(gè)重要假設(shè)：冠層葉 片在空間分布上符合泊松分布。在泊松分布中，假定冠層葉片大小統(tǒng)一、空間上自由隨機(jī)分 布，但事實(shí)上，因?yàn)橹脖唤Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，冠層葉片不能自由隨機(jī)分布，因此通過半球攝影法等方 法獲取的LAI和實(shí)際LAI存在偏差。為了解決這個(gè)問題，Nilson提出了泊松分布的修正模 型，實(shí)際上就是在基礎(chǔ)上加入了一個(gè)參數(shù)D用來矯正這個(gè)偏差，如下式： 丁（q ) _ e-?！?LAI □ G ( 0，a ) /cos 0 研宄者進(jìn)一步提出了新的變量"有效葉面積指數(shù)"LAIe，它等于參數(shù)D乘以實(shí)際葉面積 指數(shù)（LAI)，同時(shí)確定Q為叢生指數(shù)（ClumpingIndex，CI)，前文用半球攝影法得到的LAI 實(shí)際上是LAIe，如下式： LAIe=LAI□Q 叢生指數(shù)計(jì)算方法有3類：基于冠層孔隙大小的分布信息、基于冠層孔隙度的對(duì)數(shù)平 均數(shù)以及上述兩類綜合方法。本研宄使用Lang(1986)的方法，通過求孔隙度對(duì)數(shù)平均數(shù)以 得到叢生指數(shù)CI，見下式：
式中，Q( 0 )是關(guān)于視角的叢生指數(shù)，叢生指數(shù)隨著視角變化而改變。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于投影算法和活動(dòng)輪廓模型的葉面積指數(shù)的計(jì)算方法。首先對(duì)激光掃描獲取的樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過一定的比例縮放在一個(gè)球的上表面，再通過球極平面投影和Lambert方位角等面積投影將上球面圖像投射到平面上，其次構(gòu)造水平集能量函數(shù)，提取林分半球圖中葉片像元，并針對(duì)林分三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征并結(jié)合高斯混合模型分類獲取葉子點(diǎn)云；再次，利用Miller公式法和迭代反演法從分割后二維半球圖中和分類后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算林分冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后將得到測量數(shù)據(jù)與手動(dòng)實(shí)測葉面積指數(shù)進(jìn)行比較，證明該方法是準(zhǔn)確性、可行性。
【IPC分類】G06T7-00, G01B11-28
【公開號(hào)】CN104778693
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510168890
【發(fā)明人】云挺, 薛聯(lián)鳳, 李衛(wèi)正
【申請(qǐng)人】云挺, 薛聯(lián)鳳, 李衛(wèi)正
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月8日