专利名称：一种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法
技术领域：
本发明涉及水稻冠层叶面积指数研究领域，具体涉及一种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法。
背景技术：
丛生指数用来定量描述植被冠层元素的空间实际分布与自由随机分布的偏离程度(Chen JM, Black TA, Adams RS. Evaluation of hemispherical photography fordetermining plant area index and geometry of a forest stand. Agricultural andForest Meteorology，1991，56 :129-143)。 Monsi 和 Saeki(Monsi M， Saeki T.Uber denLichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fiir die Stoff produktion. Japanese Journal of Botany，1953，14，22-52)首次用丛生指数(ClumpingIndex, Cl)来定量描述植被冠层元素的空间实际分布与自由随机分布的偏离程度。在利用半球摄影法等间接测量方法测量植被冠层LAI (叶面积指数)等结构参数时，目前大多数都是基于泊松分布模型，在泊松分布模型中，假设植被冠层叶簇叶片大小均一、空间上随机分布。但实际上由于植被结构错综复杂，冠层叶簇不可能自由随机分布，因此通过间接方法获得的LAI与实际的LAI相比存在误差，一般可达30-70%不等[Chen JM, Cihlar J. Plant canopy gap-size analysis theory for improving opticalmeasurements of leaf area index. Appied Optics，1995，34(27) :6211-6222. StenbergP. Correcting LAI2000 estimates for the clumping of needles in shoots ofconifers. Agricultural and Forest Meteorology，1996，79(1-8)]。为了解决或减小这种误差，Nilson(NilsonΤ· Atheoretical analysis of thefrequency of gaps in plant stands. Agricultural Meteorology. 1971,8 :25-38)在孔隙度计算公式中引入一个纠正因子Ω，Chen等人(Chen J M，Cihlar J. Plant canopygap-size analysis theory for improving optical measurements of leaf areaindex[J]. Applied Optics，1995，34(27) :6211-6222)进一步提出一个新的变量“有效LAI”，它等于Ω乘以实际的LAI值，Ω就是丛生指数。它的值依赖于植株结构，如叶簇沿茎杆和在中轴线、枝条或树的嫩枝上的分布位置(小尺度)，和冠层结构，如冠层内部植株的相对位置(大尺度)，还高度依赖于观测方向，这导致其在实际冠层中很难估算(AndrieuB，Sinoquet H. Evaluation of structure description requirements for predictinggap fraction of vegetation canopies. Agricultural and Forest Meteorology，1993，65 :207-227 ；Kucharik CJ, Norman JM, Murdock LM, Gower TS.Characterizing canopynon-randomness with a Multiband Vegetation Imager MVI. Journal of GeophysicalResearch,1997，102 :455-473)。Gonsamo等人(Gonsamo A. ,Pellikka P. The computation of foliage clumpingindex using hemispherical photography. Agricultural and Forest Meteorology,2009,81-787)利用Nikon Coolpix 8800数码相机和Nikon FC-E9鱼眼镜头适配器拍摄肯尼亚东南部山区的雾林、松树、柏树、桉树冠层半球图像，并运用CMES软件(http://equmoxe. u-strasbg. fr/cimes)计算了相关的丛生指数。Demarez 等人(Demarez V.，Duthoit S. , Baret F. , Weiss M. , Dedieu D.Estimation of leaf area and clumpingindexes of crops with hemispherical photographs.Agricultural and Forestmeteorology, 2008，148 :644-655)则利用半球图像和CMES软件成功研究了位于法国图卢兹西南部的冬小麦、夏玉米和向日葵冠层叶片的丛生指数并改进了其叶面积指数(LAI)的估算精度。而关于利用数字半球图像进行水稻冠层叶片丛生指数方面的研究目前还没有公开的文献报道。
发明内容
针对现有人工直接方法进行野外测量再计算水稻冠层丛生指数的方法费时费力且难以实时快捷准确获取结果的缺陷，本发明提供了一种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法，方便快捷，有效提高水稻冠层叶面积指数的估算精度。—种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法，包括如下步骤(I)将半球数字摄像系统的镜头朝上，水平放置在水稻冠层内部，拍摄水稻冠层原始彩色半球图像；(2)将所述水稻冠层原始彩色半球图像转换为灰度半球图像；(3)将所述灰度半球图像转换为只含有“黑” “白”两种象元的二值半球图像；(4)基于所述二值半球图像按如下公式计算水稻冠层孔隙度，
权利要求
1.ー种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)将半球数字摄像系统的镜头朝上，水平放置在水稻冠层内部，拍摄水稻冠层原始彩色半球图像； (2)将所述水稻冠层原始彩色半球图像转换为灰度半球图像； (3)将所述灰度半球图像转换为只含有“黒”“白”两种象元的ニ值半球图像； (4)基于所述ニ值半球图像按如下公式计算水稻冠层孔隙度， T(0, (p)=——”、'(切、—— PAO,(p) + l](Ojp) 式中T(Q, cp)——天顶角为0、方位角为cp的片段的孔隙度； Po(0, cp)——天顶角为e、方位角为(p的片段中天空像元数量； Pi(B, cp)——天顶角为e、方位角cp的片段中叶片像元数量； (5)通过“孔隙度对数平均法”按如下公式计算冠层丛生指数， Q(の=In JfiOjp)) / MTiOjp)) 式中Q (0)为天顶角为0时水稻冠层的丛生指数。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述天顶角和方位角的分辨率均为5°。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用如下公式转换Gray (x, y) = B(x, y) 式中，Gray (x, y)-灰度图像上点(x, y)处的灰度值， B(x,y)——原始彩色半球图像中点(x，y)处的蓝色分量值。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤(3)中采用如下公式转换 BW(.り.)=1°—.ゎ)<■「 式中，BW(X，y)——ニ值图像上点(X，y)处的像素值， Gray (x, y)-灰度图像上点(x, y)处的灰度值， T——选定的阈值， Bff(x, y) = O-黑色,表示(X, y)点处为水稻叶片， Bff (x, y) = 255--白色，表示(x, y)点处为天空。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阈值的确定方法为Otsu算法。
全文摘要
本发明公开了一种半球摄影法获取水稻冠层丛生指数的方法，包括如下步骤(1)将半球数字摄像系统的镜头朝上，水平放置在水稻冠层内部，拍摄水稻冠层原始彩色半球图像；(2)将所述水稻冠层原始彩色半球图像转换为灰度半球图像；(3)将所述灰度半球图像转换为只含有“黑”“白”两种象元的二值半球图像；(4)基于所述二值半球图像计算水稻冠层孔隙度；(5)通过“孔隙度对数平均法”计算冠层丛生指数。本发明的方法利用基于鱼眼镜头的半球摄影法获取水稻冠层数字半球图像，不用野外进行破坏性人工量测和计算，能实时快速地获取水稻冠层丛生指数，从而有效提高水稻冠层叶面积指数的估算精度。
文档编号G06T7/00GK102855625SQ20121027377
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者周炼清, 史舟, 田延峰 申请人:浙江大学