一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法
【专利摘要】本发明公开一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，步骤为：一、使用激光测距仪采集森林样地距离数据，并作为原始数据；二、提取原始数据中完全未被遮挡的树干信息；三、提取原始数据中的树干孔隙比例，据此计算森林样地内所有树干的胸高半径之和；四、根据步骤三的结果计算完全未被遮挡的树干胸高半径之和；五、根据步骤三和步骤四的结果估计每公顷树干个数；六、根据步骤三和步骤四的结果估计每公顷胸高断面积。本发明涉及一种森林参数估计方法，特别指根据树干之间的孔隙大小和分布估计树干密度和单位面积样地树干胸高断面积的方法。本发明可以很好的解决由于树干相互遮挡造成的树干密度以及胸高断面积低估问题。采用本方法可以在森林资源管理、林业调查和科学研究方面获得更加准确的森林冠层参数估计值。
【专利说明】一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种森林参数估计方法，特别指根据树干之间的孔隙大小和分布估计 树干密度(株数密度)和单位面积样地中树干胸高断面积的方法。本发明是利用树干间孔隙 大小和分布建立一种新的森林参数估计方法，主要解决由于树干之间的相互遮挡造成的树 干密度以及胸高断面积低估问题。 【【背景技术】】
[0002] 树干密度和单位面积样地中的树干胸高断面积是两个基本的森林参数。这两个参 数在环境管理实践、森林资源调查和林业科学研究中都有重要作用。
[0003] 如果要获得树干密度或单位面积样地中的树干胸高断面积，最基本的方法是进行 每木检尺。这样做的好处是可以十分准确的获得这两个森林参数，但需要大量的人力物力 作为支持，每完成一个样地的观测也需要耗费大量的时间。
[0004] 奥地利林学家Bitterlich W.于1947年发明了角规测树理论，这种理论以不等概 的点抽样为基础测定森林样地的胸高断面积，进而推算出树干密度。该方法在理论上可以 获得对森林参数的无偏估计，并在实践中大幅提高工作效率。然而，在角规的实际操作过程 中，由于操作者始终站在同一位置，视线无法到达树干相互重叠后被遮挡的部分，因此造成 单位面积株数和单位面积胸高断面积被低估。尤其在树干密度较大时，森林参数被低估的 程度会更加严重。随着森林观测仪器和手段的不断进步，森林参数估计理论并没有大的进 展，最为流行的仍然是角规测树方法。
[0005] 近年来，激光雷达技术被广泛用于森林参数观测，其优点在于测距功能。激光雷达 方法一般是通过激光测距的方式获得森林场景的三维点云，对三维点云进行重建后统计获 得森林参数，这种方法类似于每木检尺。也有部分激光雷达使用的算法采用了角规测树理 论，如Strahler等2008年开发的Echidna仪器。目前基于激光雷达的森林参数估计方法仍然 没能解决树干之间相互遮挡的问题。 【
【发明内容】
】
[0006] 为了解决由于树干相互遮挡造成的树干密度和树干胸高断面积被低估的问题，本 发明提出了一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，这种新方法需要借助激光测距仪采 集的距离数据实现。
[0007] 本发明的具体技术方案为：
[0008] (1).激光测距仪采集森林样地数据。操作者携带激光测距仪在森林冠层中匀速缓 慢行走一条直线，激光以较高的频率发射和自动接收回波，并自动记录激光发射点与树干 某点的距离。行走过程中使激光测距仪发射的射线始终保持在胸高位置(约1.3米）的水平 面上，并与行进方向的垂线方向成一定的夹角α。假设激光测距仪的阈值测量距离为m米，如 果某次发射的激光在行进过程中没有打到树干，则该激光射线的距离记为m米，即认为是树 干间的孔隙；如果打到树干，则该激光射线的距离为激光发射点与树干某点之间的实际距 离。
[0009] (2).提取原始数据中完全未被遮挡的树干信息。根据激光测距仪收集的数据，滤 去被遮挡的树干信息，保留原始数据中完全未被遮挡的树干信息。将激光测距仪到达被遮 挡树干的距离设为m米，即认为这条射线穿过树干间孔隙而未与树干接触。
[0010] (3).计算森林样地内所有树干的胸高半径之和。对树干间孔隙的处理的方法包括 朗伯比尔定律，根据朗伯比尔定律，可得
[0011] P(a) =exp[_BAI · Ω (a)/cos(a)]
[0012] 其中，在整个行走路线上通过激光测距仪收集的原始数据统计出的孔隙比例是P (a)，BAI甚所有甜平_高半猝^和与行走路线长度的比值
[0013]
[0014] a是给足的角度，Ki是第i棵树树干胸高处的半径，1是用卷尺测量的操作者直线行 走的距离，η是森林样地内的总株数。Ω (a)表示树干的聚集程度，如果假设a方向上树干是 空间随机分布的，即聚集度系数Ω (a) = 1，如假设树干空间分布不随机，可以根据 A · R · G · Lang和Y · Q · Xiang于1986年发表的聚集度算法或J · M · Chen和J · Cih Iar于1995年发表 的聚集度指数算法获得。因此可得森林样地内所有树干胸高半径之彳
丨勺估计值，包 括不被遮挡和被遮挡的所有树干胸高半径。
[0015] (4).计算完全未被遮挡的树干胸高半径之和。森林样地中完全未被遮挡的每个树 干的胸高半径计算方法为：如果在一个完全未被遮挡的树干上有k个激光点，根据步速V (米/秒)和激光发射速度t(秒/个），可知该树的胸高半径IT1Sv · k · t/2米。如果共有w个 完全未被遮挡的树干，可得所有完全未被遮挡树干的胸高半径之；
[0016] (5).估计每公顷树干个数。如设激光阈值测量距离为m米，校正到与行走方向垂直 的方向上为m · cos(a)米，另外操作者行走距离为1米，则样地的面积为1 · m · cos(a)平方 米。此面积内的总株数估计?
。每公顷株数(个)估计结果为
[0017]
[0018] (6).每公顷的胸高断面积(平方米)估计结果为
[0019]
[0020]本发明的有益之处在于可以避免由于树干之间相互遮挡造成的株数密度以及胸 高断面积的被低估，同时，由于本发明是通过操作者在林间行走一段距离的方式获得观测 数据，也避免了在固定位置测量导致的选点是否有代表性问题。 【【附图说明】】
[0021] 图1是本发明的流程图；
[0022] 图2是森林样地中数据采集的俯视示意图；
[0023]图3是激光测距仪收集的原始数据；
[0024] 图4是滤去被遮挡树干信息后的激光测距结果。 【【具体实施方式】】
[0025] 本发明结合下面例子并参照附图详述【具体实施方式】：
[0026] 本例采用日本HOKUYO公司生产的UTM-30LX-EW型2D激光扫描测距仪采集距离数 据，设置激光发射速度为t(秒/个）。根据技术方案步骤（1)所述，操作者将该激光测距仪置 于胸高位置的水平面上（约1.3米），从图2中的位置a以V(米/秒）的步速匀速行走至位置b， 用卷尺测量共计1米。激光测距仪自动记录α角上激光发射点与样地中树干上交点的所有距 离，如果在激光射线到达m米时还未与树干接触，则该点到激光测距仪的距离记为m米，视作 孔隙。
[0027]激光测距仪收集的原始数据示意图见图3,该数据包括了行走过程中激光可以打 到的所有树干。根据技术方案步骤(2)所述，滤去被其他树干遮挡的树干，将这些被滤去的 距离值赋为m米，即视为孔隙。滤去被遮挡树干后只包含不被遮挡树干信息的数据如图4所 不。
[0028]根据技术方案步骤(3)所述，统计距离为m米(孔隙）的激光点个数，已知激光点的 总个数，因此可以求得α角度上的树干间孔隙率Ρ(α)。本例假设α方向上树干在空间上是随 机分布的，即聚集度系数Ω (α) = 1，如假设树干空间分布不随机，可以结合Ρ(α)根据 A · R · G · Lang和Y · Q · Xiang于1986年发表的聚集度算法或J · M · Chen和J · Cih Iar于1995年发表 的聚集度指数算法获得。因此根据朗伯比尔定律的公式P(a)=exp[-BAI · Q(a)/cos(a)] 可得BAI。行走距离已用卷尺测得为1米，由公式
可得森林样地内所有树干 胸高处半径之和
β估计值。
[0029]根据技术方案步骤(4)所述，滤去被遮挡树干的距离数据后，统计出完全未被遮挡 的树干有w个。如果其中某个树干的胸高处共有k个激光点到达，根据激光发射速度t (秒/ 个)和步速V(米/秒)可得该树干的胸高半径IT1Sv · k · t/2米。同理可得所有未被遮挡树 干的胸高半径，因此所有未被遮挡树干的胸高半径之和为
[0030]样地的面积为1 · m · cos(a)平方米，根据技术方案步骤(5)所述，本方法估计在样地范 围内的树干个数）
因此估计每公顷应有树干彳 个。根据技术方案步骤(6)所述，估计每公顷的胸高断面积应为a 平方米。
【主权项】
1. 一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其主要包括以下步骤： (1) 使用激光测距仪采集森林样地数据，并作为原始数据； (2) 提取原始数据中完全未被遮挡的树干信息； (3) 提取原始数据中的树干孔隙比例，据此估计森林样地内所有树干的胸高半径之和； (4) 根据步骤(3)的结果计算完全未被遮挡的树干胸高半径之和； (5) 根据步骤(3)和步骤(4)的结果估计每公顷树干个数； (6) 根据步骤(3)和步骤(4)的结果估计每公顷胸高断面积。2. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (1) 中，操作者在直线行进过程中利用激光测距仪高速采集激光发射点与树干上某点间的 距离数据，并设定激光距离的阈值，将大于等于该阈值的实测距离作为树干间孔隙。3. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (2) 中，将到达被遮挡树干的距离赋予激光距离的阈值，即认为该激光射线未与树干接触而 是射入了树干间孔隙。4. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (3) 中，将与操作者行进方向的垂线方向成夹角α时获得的树干间孔隙率Ρ(α)、操作者行走 路程长度1和树干的聚集度系数Ω (α)代入公式P(a) = exp[-BAI · Ω (a)/cos(a)]和'，利用树干间的孔隙大小和分布估计树干相互遮挡后不可直接测得胸高 半径之和的方法，对于树干间孔隙的处理方法包括朗伯比尔定律，即可得到森林样地内所 有树干胸高处半径之和的估计值，BAI是所有树干胸高半径之和与行走路线长度的 比值。5. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (4) 中，根据操作者行进速度、激光发射速度和每个完全未被遮挡树干上的激光点数计算森 林样地内每个完全未被遮挡的树干胸高半径f i，并统计出完全未被遮挡树干的个数为w 个，进而获得完全未被遮挡树干的胸高半径之和，6. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (5) 中，激光距离阈值为m米时，使用公式古计每公顷株数。7. 根据权利要求1所述的一种利用树干间孔隙估计森林参数的方法，其特征在于步骤 (6) 中，使用公式估计每公顷的胸高断面积。
【文档编号】G01B11/28GK105890548SQ201610289132
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】范渭亮, 杜华强, 周国模, 舒俊
【申请人】浙江农林大学