专利名称：一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用地面三维激光扫描仪获取的点云数据计算森林冠层消光系数的方法，具体地说，是指一种改进的利用计算几何算法来计算三维森林冠层任意给定入射光线下的消光系数的方法(流程如附图
I所示)。
背景技术：
森林冠层结构在土壤-冠层-大气的相互作用中占有重要的地位，并与生物地球化学循环中的物质能量交换密切相关。消光系数定义为单位叶面积在垂直于光线方向的平面上的平均投影面积，是定量的理解森林冠层结构和辐射传输的重要因子。他是基于叶倾角的方向性分布函数(包括倾角和方位角分布函数)，对于任意给定角度的入射光线来计算的。间接、准确地获取植被冠层的叶倾角分布密度函数一直以来是一个具有挑战性的工作，传统的方法主要是利用逐叶片直接观测的方法来获取给定单株树的叶倾角分布密度函数。比如=Norman等人利用量角器和指南针等设备制作了一种较为简单方便的测量叶片角度和空间分布的仪器(附图2左)；Lang等人利用机械臂的灵活性和巧妙的几何传递关系制作了一种可以自由移动和伸缩的用来测量叶片空间和角度分布的仪器(附图2右)。但由于其工作量大，主观性强，而且对所测量的目标树木的高度有限制，所以不能够广泛地应用于实际研究中。更为重要的一点是，直接观测往往会影响甚至破坏植被冠层的结构，进而破坏冠层内部和以下的辐射分布情况。而且就森林而言，实际中很难利用直接观测仪器来进行逐叶片测量。因此，需要一种新的快速、准确、间接的方法来获取冠层叶片的角度和空间分布情况。近年来，也有人开始尝试进行间接地获取叶片倾角分布。例如,2007 年 Shilbayama 和 Watanabe 发表在期刊《Plant Production Science))第 10 卷的“Estimating the mean leaf inclination angle of wheat canopies using reflectedpolarized light” 一文中,提出利用反射极化光来进行平均叶倾角的估算方法。.目前，还有一种较为流行的方法是利用数学几何模型来近似地逼近真实树木的叶片实际分布，其中被广泛接受的是Campbell在20世纪80年代提出的椭球体儿何模型。其核心思想是椭球体表面各切面倾角的不同分布来近似表达实际叶片的角度分布，并通过调整椭球体的长、短轴来调节不同倾角分布密度函数的变化。该方法可用以下公式表达
权利要求
1.一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其主要包括以下步骤(1)植被冠层的三维激光点云数据的获取及预处理；(2)点云数据的三维网格化定义一个以X，Y，Z为轴的笛卡尔坐标系，将点云数据分为有限的小区域，建立以体元(voxel)为基础的数据结构，每个体元由长⑴、宽(W)、高(h)三个参数决定其大小；(3)基于体元结构的点云切片算法三维网格化过程结束后，点云数据被分为纵横方向的众多数据层，即切片，点云数据可视为纵横方向切片的叠加；所有体元设为(i，j，k) (i=I, 2, . . . , m ； j = I, 2, . . . n ；k = I, 2, . . . , ρ);当 k = I, i 和 j 为给定区域内的任意值,则可表不为第一层或第一横切面的所有体兀；假设太阳直射光从天顶方向射入，与Z轴方向平行；通过旋转点云，可近似模拟入射光线与森林冠层的相对位置的变化，点云可在任意位置(水平0° -360°，垂直0° -90° )被切片，称作方向性切片；(4)线采样分析叶片在切片中的空间分布通过线采样方法进行分析，每条样线中非空的体元(N)个数代表样线与叶片相交的次数，且N符合随机分布；定义Pn为于太阳入射光方向平行的样线穿过整个点云数据时，与叶片相交η次的可能性Λ表示样线穿越的都是空隙，叠加指数为O ;通过求解所有样线穿过植被时N的平均值，可以求得整个点云数据中所有样线与叶片相交次数的平均值(m)和方差(σ2);每条样线的方差(σ2)/均值(m)的相对变化可以反映叶片在真实空间的分布状况；单株树或林分的叶片分布可根据其相对变化(σ 2/m = 1，> 1，和< I)相应的分为三种情况规则分布、随机分布和聚集分布；(5)太阳入射光倾斜角(Θ)固定时，计算第k层切片的平均投影系数第k层切片的投影系数Gk (r)是指固定的Ηθ，β)方向的投影系数；当不考虑入射光方位角，而倾斜角为Θ时的k层平均投影系数Gk(0)，是通过方位角β在
上的积分计算的
2.根据权利要求I所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在步骤(I)中，所述三维激光点云数据是由地面三维激光扫描仪获取的森林植被冠层点云，其中包含了扫描目标点的空间几何和激光束弹回的能量信息，以及每个点的空间位置坐标信息，对获取的点云进行图像拼接，并手动去除地面点云，作为提取冠层结构信息的数据源。
3.根据权利要求I或2所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(2)中，在点云区域定义一个以X，Y，Z为坐标轴的笛卡尔坐标系，对获取的点云数据进行三维网格化，将点云数据分为有限的小区域，建立基于体元的数据结构。
4.根据权利要求I或3所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(3)中，将体元分为众多切片；为了近似模拟入射光线与森林冠层的相对位置关系，将太阳直射光设定为与Z轴方向平行，通过旋转点云模拟其相对位置的变化。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(3)中，点云可在任意位置(水平0° -360°，垂直0° -90° )被切片，故称作方向性切片。
6.根据权利要求1、3、4或5所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(4)中，利用与太阳入射光方向平行的样线对点云数据进行线采样分析，每条样线中非空的体元(N)个数代表样线与叶片相交的次数，且N符合随机分布；通过求解所有样线穿过植被时N的平均值，可以求得整个点云数据中所有样线与叶片相交次数的平均值(m)和方差(σ2);利用每条样线的方差(σ2)/均值(m)的相对变化分析叶片在真实空间的分布状况，σ Vm = 1，> 1，和< I分别与叶片的规则分布、随机分布和聚集分布相对应。
7.根据权利要求6中所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(4)中，线采样分析是计算整个冠层和不同高度切片消光系数的关键，同时有利于点云密度、辐射通量和辐射分布状况等参数的获取。
8.根据权利要求1、3、4、5或6中所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(5)中，太阳入射光倾斜角(Θ)固定时，第k层切片的投影系数Gk (r)是指固定的Ηθ，β)方向的投影系数，当不考虑入射光方位角，倾斜角为Θ时的k层平均投影系数Gk(0)，通过方位角β在
上的积分计算。
9.根据权利要求1、3、4、5、6、7或8中所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(6)中，将方向ΗΘ，β)的太阳入射光固定为与Z轴平行，对依照入射光与冠层的相对位置进行旋转的点云数据进行切片，设，每个非空体元内包含的样点个数为η(Dn= I时，投影系数为以取样间距为边长的正方形面积sXs，与体元的长度⑴X宽度(w)的面积之比；(2)η= 2时，投影系数为投影后和投影前的样线长度比；(3)η彡3时，若所有的点都在在同一样线上，则将这些点分解为η= 2时的情况，计算投影系数；若在同一个面上，则构建一个三角形来表示叶片区域，由三个顶点的投影坐标来计算叶片投影面积；若都不在同一个面或同一条线上，则构建一个三维凸包，凸包表面积的一半为实际的叶片面积，然后将所有的点投影到与样线平行的平面上，用这些点建立二维的凸包，其面积为叶片的投影面积；投影系数为投影后和投影前的叶片面积之比。
10.根据权利要求9中所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在于步骤(5)和(6)中，将(6)中计算的Ηθ，β)方向的投影系数代入(5)中计算每个切片层的平均投影系数，相加得到整个冠层的投影系数，即消光系数。
全文摘要
本发明提供了一种改进的利用计算几何算法来计算三维森林冠层任意给定入射光线下的消光系数的方法，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。其步骤为植被冠层的三维激光点云数据的获取及预处理；点云数据的三维网格化；基于体元数据结构的点云切片算法；点云切片的线采样分析；第k层切片的平均投影系数的计算；各层切片任意给定入射光线下的消光系数及整个冠层消光系数的计算。本发明与传统观测手段相比，工作量小，无需接触式观测，不破坏冠层结构和辐射特性，具有客观高效精确的特点；开发了从激光雷达数据中提取三维结构和生物物理多样性信息的方法，将叶片的水平和垂直分布变化规律特征化。
文档编号G01N21/17GK102914501SQ20121026063
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月26日 优先权日2012年7月26日
发明者郑光, 张乾, 冯永康 申请人:南京大学