利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法
【专利摘要】利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，属于森林生态学【技术领域】。通过石蜡包埋、切片、扫描，获取森林凋落物纵剖面图像。根据扫描图像dpi分辨率，计算图像宽高尺寸。以图像4角为坐标点，在Arcgis9.3中构建以毫米为单位的测量坐标系，通过确定图像有效数据区域，剔除图像数据无效部分。利用ErdasImagine9.2的纹理分析和ISODATA分类工具提取凋落物、孔隙信息并转存为矢量图层。用Arcgis9.3的CreateFishnet工具构建分层格网，以此分割孔隙图层，分层统计获取孔隙度，并用PolarPlotsandCircularStatistics模块计算每层孔隙图斑的分布方向。为进一步研究凋落物的分解、物质循环、土壤微生物、涵养水源、保持水土特性以及种子萌发等研究提供技术支撑。
【专利说明】利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于森林生态学【技术领域】，具体涉及到一种利用森林凋落物扫描图像测算孔隙度、孔隙方向性参数的方法。
技术背景
[0002]森林凋落物，是森林生态系统的重要组成部分，在森林生态系统营养循环中起到连接植物与土壤的“纽带”，对森林的更新及其生长极为重要。早在1876年德国学者便阐述了凋落物在养分循环中的重要性，而后许多学者对世界范围内的凋落物进行了大量的研究、报道和总结。我国20世纪60年代初开始凋落物的研究，80年代有较大的发展，主要集中在两个方面，一是凋落量的研究，二是凋落物的分解过程研究。在对森林凋落物的数量及组成进行大量研究的基础上，凋落物的养分释放过程、残留率及其在森林水文学、生态学方面的作用成为研究的热点。
[0003]凋落物对天然林更新有多种影响，主要包括物理阻断作用、化感作用、生物因子障碍作用等。就凋落物的物理阻断作用而言，凋落物的孔隙结构直接影响种子到达土壤表面，进而影响其萌发；另外，凋落物对光的消减作用也与其孔隙结构有密切关系。研究凋落物的空间结构参数成为量化其物理阻断作用的前提，同时空间结构也与凋落物的化感作用、生物因子障碍作用等密切相关。目前有关森林凋落物空间结构的研究极少，尚未发现一个切实可行的森林凋落物空间结构的研究方法或技术途径。
【发明内容】
[0004]针对目前森林凋落物空间结构研究的现状，本发明在多次野外调查和室内试验的基础上，提出一种森林凋落物孔隙度、孔隙方向性等参数的计算方法，为进一步研究凋落物的分解、物质循环、土壤微生物、涵养水源、保持水土特性以及种子萌发等研究提供技术支撑。
[0005]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，该方法使用聚丙烯酸乙酯对森林凋落物原始自然结构进行固定，切断周边凋落物进行所选凋落物样方的采集，然后对采集凋落物样方进行石蜡固化提高硬度，经石蜡固化的凋落物样方剖面切割、刨光，再将剖面部分的石蜡溶化后，对剖面进行扫描，获取凋落物扫描图像；依据凋落物扫描图像dpi分辨率确定扫描图像4个角的坐标，利用Arcgis9.3构建图像测量坐标系，结果保存为Erdas Imagine格式；利用Erdas Imagine9.2的纹理分析和ISODATA分类提取凋落物和孔隙信息，结果保存为矢量图层；利用ArCgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，以此剪切凋落物和孔隙图层，分层测算孔隙孔隙度；以Arcgis9.3的Polar Plots and Circular Statistics模块计算各个分层孔隙图斑的分布方向，步骤如下:
(I)获取凋落物扫描图像:
在野外选定凋落物样方，以聚丙烯酸乙酯将样方灌透，晾干后用石蜡对样方进行包埋，冷却后用钢锯沿纵切面切割为Icm厚方块，用锋利刀片削平方块的一面；把样方块光滑面向下浸入l-2mm深度二甲苯中，融去样本块l-2mm厚的石腊；将方块融去石腊的一面向下放置在扫描仪上获取分辨率1200dpi的JPG格式扫描图像；
(2)扫描图像预处理:
用Photoshop CS5软件将扫描图像旋转，使凋落物上表面保持水平，再进行颜色校正、去除杂色处理；
(3)构建图像测量坐标系:
依据1200dpi的扫描分辨率计算出每个像素的尺寸，再按照整个图像的高、宽像素数，得出图像的高和宽的尺寸，单位为毫米；选取图像4个角的点为坐标点，确定坐标点的坐标值以毫米为单位，以图像左下角作为坐标原点，利用Arcgis9.3的Georeferencing校正模块，以Affine方法进行图像校正,结果保存为Erdas Imagine的IMG格式,结果图像具有以毫米为单位的平面坐标系统；
(4)确定图像有效数据区域:
在Arcgis9.3中根据凋落物的分布情况，建立一个包括凋落物所在区域的矢量图层，利用Arcgisl 3的Subset模块对图像进行剪切，剔除矢量图层的图像上凋落物中土壤部分，结果保存为有效数据的图像；利用ArCgis9.3中的量尺工具测量森林凋落物层的厚度；
(5)通过纹理分析去除石蜡背景:
有效数据区内图像包含3类信息:①凋落物信息、②石蜡信息、③孔隙；其中石蜡部分色调均勻单一，利用Erdas Imagine9.2的Texture纹理分析模块对扫描图像进行纹理分析，去除石蜡信息，并把石蜡背景归为孔隙类别，将纹理分析后的纹理信息作为图像分类处理中的一个特征或波段，整合到图像分类过程中，结果生成新的凋落物图像；
(6)提取孔隙信息:
利用Erdas Imagine9.2软件，以ISODATA方法对图像进行分类，提取凋落物及其孔隙信息，采取逐步递进的分类方式，初次提取出凋落物、孔隙、边界模糊区域三类，再把若干个边界模糊区域分别归并为凋落物类或孔隙类，结果保存为分类图像；利用ArCgis9.3把分类图像转换为包含凋落物和孔隙两类Polygon图斑的分类矢量图层；
(7)构建分层格网:
以分类矢量图层为底图，利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，将凋落物分类图层从上至下按照IOmm间隔分层；
(8)计算凋落物孔隙度:
在ArCgis9.3中，用IOmm分层矢量图层剪切分类图层，然后计算各个凋落物和孔隙图斑的面积，再分层统计每一个IOmm分层内凋落物和孔隙两类图斑的总面积，孔隙面积与总面积之比就是该分层的孔隙度，自上而下计算出所有分层的孔隙度；
(9)统计孔隙的最大值、最小值和平均值:
根据孔隙图斑的面积，统计出每一个分层内孔隙的最大值、最小值、平均值和标准差；
(10)计算凋落物孔隙的方向:
在Arcgis9.3中，首先把分类矢量图层内所有的孔隙Polygon图斑转换为Polyline,再利用Polar Plots and Circular Statistics模块的Shapes to Segments工具把Polyline图层转换为 Segments 图层,然后米用 Polar Plots and Circular Statistics模块的PolarPlots工具计算每条线段的方位角，并绘制所有线段的空间分布方向图。
[0006]本发明提出了一种森林凋落物孔隙度、孔隙方向性等参数的计算方法，为进一步研究凋落物的分解、物质循环、土壤微生物、涵养水源、保持水土特性以及种子萌发等研究提供技术支撑。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为构建图像测量坐标系示意图；
图2为提取孔隙信息的示意图；
图3为构建分层网格的示意图；
图4为孔隙分类图层的孔隙度及孔隙方向的示意图。
[0008]图中:Hy:整个图像高的尺寸，Wx:整个图像宽的尺寸。
【具体实施方式】
[0009]为了深入了解利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，结合图1至图4说明如下，该方法具体实施的步骤如下:
(I)获取凋落物扫描图像:
在野外选定凋落物样方，以聚丙烯酸乙酯将样方灌透，晾干后用石蜡对样方进行包埋，冷却后用钢锯沿纵切面切割为Icm厚方块，用锋利刀片削平方块的一面；把样方块光滑面向下浸入l-2mm深度二甲苯中，融去样本块l-2mm厚的石腊；将方块融去石腊的一面向下放置在扫描仪上获取分辨率1200dpi的JPG格式扫描图像。
[0010](2)扫描图像预处理:
用Photoshop CS5软件将扫描图像旋转，使凋落物上表面保持水平，再进行颜色校正、去除杂色处理。
[0011](3)构建图像测量坐标系:
依据1200dpi的扫描分辨率计算出每个像素的尺寸，再按照整个图像的高、宽像素数，得出图像的高Hy和宽Wx的尺寸,单位为毫米；选取图像4个角的点为坐标点,确定坐标点的坐标值以毫米为单位，以图像左下角作为坐标原点，利用Arcgis9.3的Georeferencing校正模块，以Affine方法进行图像校正，结果保存为Erdas Imagine的MG格式，结果图像具有以毫米为单位的平面坐标系统。
[0012](4)确定图像有效数据区域:
图像上凋落物下表面存在土壤部分，为了保证孔隙度计算的准确性，需要剔除土壤部分。在Arcgis9.3中根据凋落物的分布情况，建立一个包括凋落物所在区域的矢量图层，利用ArCgis9.3的Subset模块对图像进行剪切，剔除矢量图层的图像上凋落物中土壤部分，结果保存为有效数据的图像；利用ArCgis9.3中的量尺工具测量森林凋落物层的厚度。
[0013](5)通过纹理分析去除石蜡背景:
有效数据区内图像包含3类信息:①凋落物信息、②石蜡信息、③孔隙；其中石蜡部分色调均勻单一，用纹理分析可以去除。利用Erdas Imagine9.2的Texture纹理分析模块对扫描图像进行纹理分析，去除石蜡信息，并把石蜡背景归为孔隙类别，将纹理分析后的纹理信息作为图像分类处理中的一个特征或波段，整合到图像分类过程中，结果生成新的凋落物图像。
[0014](6)提取孔隙信息:
利用Erdas Imagine9.2软件，以ISODATA方法对图像进行分类，提取凋落物及其孔隙信息，采取逐步递进的分类方式，初次提取出凋落物、孔隙、边界模糊区域三类，再把若干个边界模糊区域分别归并为凋落物类或孔隙类，结果保存为分类图像；利用ArCgis9.3把分类图像转换为包含凋落物和孔隙两类Polygon图斑的分类矢量图层。
[0015](7)构建分层格网:
以分类矢量图层为底图，利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，将凋落物分类图层从上至下按照IOmm间隔分层；也可以根据实际需要确定间隔距离。
[0016](8)计算凋落物孔隙度:
在ArCgis9.3中，用IOmm分层矢量图层剪切分类图层，然后计算各个凋落物和孔隙图斑的面积，再分层统计每一个IOmm分层内凋落物和孔隙两类图斑的总面积，孔隙面积与总面积之比就是该分层的孔隙度，自上而下计算出所有分层的孔隙度就可以解释样本孔隙度的变化规律。
[0017](9)统计孔隙的最大值、最小值和平均值:
根据孔隙图斑的面积，统计出每一个分层内孔隙的最大值、最小值、平均值和标准差。
[0018](10)计算凋落物孔隙的方向:
在Arcgis9.3中，首先把分类矢量图层内所有的孔隙Polygon图斑转换为Polyline,再利用Polar Plots and Circular Statistics模块的Shapes to Segments工具把Polyline图层转换为 Segments 图层,然后米用 Polar Plots and Circular Statistics模块的PolarPlots工具计算每条线段的方位角，并绘制所有线段的空间分布方向图，以此来揭示每一个IOOmm分层内孔隙图斑的分布方向。
[0019]自2007年5月至2013年10月在中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站野外实验基地的红松林、杂木林进行了多次野外调查和室内试验，证明该方法切实可行。
【权利要求】
1.利用森林凋落物扫描图像测算空间结构参数的方法，其特征在于:该方法使用聚丙烯酸乙酯对森林凋落物原始自然结构进行固定，切断周边凋落物进行所选凋落物样方的采集，然后对采集凋落物样方进行石蜡固化提高硬度，经石蜡固化的凋落物样方剖面切割、刨光，再将剖面部分的石蜡溶化后，对剖面进行扫描，获取凋落物扫描图像；依据凋落物扫描图像dpi分辨率确定扫描图像4个角的坐标，利用Arcgis9.3构建图像测量坐标系，结果保存为Erdas Imagine格式；利用Erdas Imagine9.2的纹理分析和ISODATA分类提取凋落物和孔隙信息，结果保存为矢量图层；利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，以此剪切凋落物和孔隙图层，分层测算孔隙孔隙度；以ArCgis9.3的PolarPlots and Circular Statistics模块计算各个分层孔隙图斑的分布方向，步骤如下: (1)获取凋落物扫描图像: 在野外选定凋落物样方，以聚丙烯酸乙酯将样方灌透，晾干后用石蜡对样方进行包埋，冷却后用钢锯沿纵切面切割为Icm厚方块，用锋利刀片削平方块的一面；把样方块光滑面向下浸入l-2mm深度二甲苯中，融去样本块l-2mm厚的石腊；将方块融去石腊的一面向下放置在扫描仪上获取分辨率1200dpi的JPG格式扫描图像； (2)扫描图像预处理: 用Photoshop CS5软件将扫描图像旋转，使凋落物上表面保持水平，再进行颜色校正、去除杂色处理； (3)构建图像测量坐标系: 依据1200dpi的扫描分辨率计算出每个像素的尺寸，再按照整个图像的高、宽像素数，得出图像的高和宽的尺寸，单位为毫米；选取图像4个角的点为坐标点，确定坐标点的坐标值以毫米为单位，以图像左下角作为坐标原点，利用Arcgis9.3的Georeferencing校正模块，以Affine方法进行图像校正,结果保存为Erdas Imagine的IMG格式,结果图像具有以毫米为单位的平面坐标系统； (4)确定图像有效数据区域: 在Arcgis9.3中根据凋落物的分布情况，建立一个包括凋落物所在区域的矢量图层，利用Arcgisl 3的Subset模块对图像进行剪切，剔除矢量图层的图像上凋落物中土壤部分，结果保存为有效数据的图像；利用ArCgis9.3中的量尺工具测量森林凋落物层的厚度； (5)通过纹理分析去除石蜡背景: 有效数据区内图像包含3类信息:①凋落物信息、②石蜡信息、③孔隙；其中石蜡部分色调均匀单一，利用Erdas Imagine9.2的Texture纹理分析模块对扫描图像进行纹理分析，去除石蜡信息，并把石蜡背景归为孔隙类别，将纹理分析后的纹理信息作为图像分类处理中的一个特征或波段，整合到图像分类过程中，结果生成新的凋落物图像； (6)提取孔隙信息: 利用Erdas Imagine9.2软件，以ISODATA方法对图像进行分类，提取凋落物及其孔隙信息，采取逐步递进的分类方式，初次提取出凋落物、孔隙、边界模糊区域三类，再把若干个边界模糊区域分别归并为凋落物类或孔隙类，结果保存为分类图像；利用ArCgis9.3把分类图像转换为包含凋落物和孔隙两类Polygon图斑的分类矢量图层； (7)构建分层格网: 以分类矢量图层为底图，利用Arcgis9.3的Create Fishnet工具构建分层格网矢量图层，将凋落物分类图层从上至下按照IOmm间隔分层； (8)计算凋落物孔隙度: 在ArCgis9.3中，用IOmm分层矢量图层剪切分类图层，然后计算各个凋落物和孔隙图斑的面积，再分层统计每一个IOmm分层内凋落物和孔隙两类图斑的总面积，孔隙面积与总面积之比就是该分层的孔隙度，自上而下计算出所有分层的孔隙度； (9)统计孔隙的最大值、最小值和平均值: 根据孔隙图斑的面积，统计出每一个分层内孔隙的最大值、最小值、平均值和标准差； (10)计算凋落物孔隙的方向: 在Arcgis9.3中，首先把分类矢量图层内所有的孔隙Polygon图斑转换为Polyline,再利用Polar Plots and Circular Statistics模块的Shapes to Segments工具把Polyline图层转换为 Segments 图层,然后米用 Polar Plots and Circular Statistics 模块的 PolarPlots工具计算每条线段的方位角，并绘制所有线段的空间分布方向图。
【文档编号】G01N15/08GK103630477SQ201310593131
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月23日 优先权日:2013年11月23日
【发明者】张自川, 李根柱, 王贺新 申请人:大连大学