生态输水工程中生态变化及植被指标获取方法

本发明涉及生态环境治理技术领域，特别是涉及一种生态输水工程中生态变化及植被指标获取方法。

背景技术：

随着环境变化，一些河道断流后，地下水位会大幅度下降，生态系统严重受损，导致由地下水维系的植被群落沿草本、灌木至乔木的秩序逐步退化或死亡，防风固沙作用降低，风蚀沙化作用加剧发展，固定沙丘向流动沙丘演化，“绿色走廊”急剧萎缩甚至濒临衰亡，进而导致沙漠化扩大，生态环境严重恶化。

为了挽救河岸植被，恢复受损生态系统，抑制沙漠化，可以通过应急生态输水工程将其他河流或水库等水域中的水输送到断流河道，以提高河道两岸附近的地下水位，拯救并恢复河道两岸的天然植被。但在生态输水工程中，由于需要对前后植物的分布、长势等植被指标以及土壤等周围环境的生态变化进行采集以便于对比，工程量大，劳动强度高，且分析结果准确性低，得到的数据参考意义不大。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种生态输水工程中生态变化及植被指标获取方法，解决了现有技术中生态输水工程中生态变化及植被指标不易获取且准确性低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种生态输水工程中生态变化及植被指标获取方法，其具体为：

s1，沿河道选取监测样带，获取带有gps位置信息的平扫图，利用数字图像处理技术将平扫图分割为植被区域和非植被区域；

s2，通过与数据库进行特征比对将植被区域分割为乔木带、灌木带和草本带，对乔木带、灌木带和草本带进行植物边缘提取并测量获得植物的水平向外形参数并记录；

s3，根据乔木带、灌木带和草本带的gps信息预设图像采集路径，调整图像采集角度并结合测距仪获得植物带有高度尺寸的竖直图像获得植物的竖直向外形参数并记录；

s4，通过植物的水平向外形参数和竖直向外形参数建立空间三维模型；

s5，通过检测仪获得环境因子数据，通过环境因子数据和植物的外形参数得到植物群落的cca二维排序图，通过cca二维排序图获得该监测样带内植被分布的主导性环境因子；

s6，进行生态输水工程，然后重复步骤s1～s4获得输水后植物的空间三维模型，同时通过监测仪获得输水后的环境因子数据。

本发明的有益效果为：采用数字图像处理技术，对监测样带进行图像采集，通过图像识别技术识别植物类别，同时通过水平和竖直两个方向上的图像获得植物的形状，通过gps位置坐标差获得水平方向上植物的具体尺寸，通过高度获得竖直方向上植物的具体尺寸，从而建立同比例下的植物的空间三维模型，从而能够更加准确地且快速地获取植物的外形参数(指标)，更利于量化植物在生态输水工程后的长势，为生态输水效益评估提供了可靠的参考依据。

附图说明

图1为植物群落的cca二维排序图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

该生态输水工程中生态变化及植被指标获取方法具体为：

s1，沿河道选取监测样带，获取带有gps位置信息的平扫图，利用数字图像处理技术将平扫图分割为植被区域和非植被区域。

获取带有gps位置信息的平扫图的具体方法为：

利用带有gps定位模块和海拔高度采集模块的飞行器从监测样带中心位置向上垂直飞行，飞行到一定高度后进行彩色图像采集，将采集的图像实时反馈给地面的控制中心，控制中心根据所采集图像的范围和质量调整飞行器的高度，使采集的图像的边缘与监测样带的边缘重合，且所采集的图像的每个像素点均带有监测样带上对应处的gps信息形成平扫图。

将平扫图分割为植被区域和非植被区域的具体方法为：

按照监测样带内植被的颜色和土体的颜色区别，利用数字图像处理技术对平扫图进行颜色提取，若一个连续区域内存在植被颜色，则将该区域定义为植被区域，否则定义为非植被区域，然后对植被区域进行图像增强和锐化。

s2，通过与数据库进行特征比对将植被区域分割为乔木带、灌木带和草本带，对乔木带、灌木带和草本带进行植物边缘提取并测量获得植物的水平向外形参数并记录。

具体为：

对植被区域进行植物外形特征提取获得植物外形参数，植物外形特征包括植物树干的形状和颜色以及植物树叶的形状和颜色，将植物外形参数与数据库中的植物外形特征进行比对以识别植物，按识别出的植物种类将植被区域分割成乔木带、灌木带和草本带，对乔木带、灌木带和草本带进行边缘提取后通过测量获得植物的水平向外形参数，植物的水平向外形参数包括乔木和灌木的冠幅和基径以及乔木、灌木和草本的盖度。

s3，根据乔木带、灌木带和草本带的gps信息预设图像采集路径，调整图像采集角度并结合测距仪获得植物带有高度尺寸的竖直图像获得植物的竖直向外形参数并记录。

具体为：

根据乔木带、灌木带和草本带中的植物所处的gps信息设置飞行器需要进行图像采集的坐标点，每个坐标点上包括有图像采集参数，飞行器到达每个坐标点后，根据图像采集参数沿植物的竖直方向扫描获得竖直高度方向的图像，然后通过测距仪测量该植物的实际高度并与所采集的图像对应标注以获得植物的竖直向外形参数。

s4，通过植物的水平向外形参数和竖直向外形参数建立空间三维模型。

具体为：

根据植物的水平向外形绘制草图，根据水平向上具体的外形参数修改水平向的外形尺寸，然后根据竖直向的垂直高度进行模型拉伸，再根据植物的竖直向外形于拉伸后模型的左侧面或右侧面上绘制草图，并根据竖直向上的具体外形参数修改竖直向的外形尺寸，最后通过差值剪切形成植物的三维模型，按照对应植物在平扫图上的位置坐标将三维模型置于坐标系中对应点处形成空间三维模型。

s5，通过检测仪获得环境因子数据，通过环境因子数据和植物的外形参数得到植物群落的cca二维排序图，通过cca二维排序图获得该监测样带内植被分布的主导性环境因子。

得到cca二维排序图的具体方法为：

对采集的环境因子数据进行最大值标准化预处理，环境因子数据包括地下水ph值、土壤含水量、土壤电导率、土壤水ph值、地下水矿化度和地下水埋深，将预处理后的数据作为canoco的环境数据源，以监测样带内植物盖度作为canoco的种类数据源构成环境因子与植物种类的数据矩阵，使用典范对应分析方法对样地内的植物进行排序分析得到cca二维排序图。

s6，进行生态输水，记录生态输水量，一定生长周期后，重复步骤s1～s4获得植物的输水后外形参数，对比输水前、后植物的外形参数并记录，同时通过监测仪获得输水后的环境因子数据并记录。

下面以塔里木河下游大西海子以下河道为例进行详细说明

在英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻4个典型断面设置监测样带，在每一个监测样带，对每个监测样带实施一遍步骤s1～s6。监测样带沿垂直于河道方向且带长通常为2000m，优选将监测样带分成大小为100m×100m的20个样方连续组成。利用带有gps定位模块和海拔高度采集模块的飞行器从100m×100m的样方中心位置向上垂直飞行，预先在样方边界上作出可以从所采集的图像中判断出边界记号，比如在边界角点上插上彩旗。飞行到一定高度后进行彩色图像采集，比如50米的高空时，然后控制图像采集模块，可以是数码相机按照预设的拍摄参数拍照(镜头朝向竖直下方)，地面遥控设备上的显示器显示所拍摄的画面，若画面范围太小则控制飞行器上升，直到四个角上的彩旗落入图像采集框内即进行图像采集。飞行器进行图像采集的高度需满足尽可能让一个样方内的物体均为正投影的方式至所采集的图像上。

按照等比例对应原则，使所采集的图像的每个像素点均带有监测样带上对应处的gps信息形成平扫图。

根据该样方内植被的具体颜色，植被的颜色和土体的颜色区别，比如植被的颜色是rgb色值是(0，255，0)的绿色，土体的颜色是rgb色值是(115，74，18)的棕色，利用数字图像处理技术对平扫图进行颜色提取，将一个区域内只要存在绿色就将其整块区域定义为植被区域，若全部为棕色即定义为非植被区域，然后对植被区域进行图像增强和锐化，以便于后续更容易识别。

对植被区域进行植物外形特征提取获得植物外形参数，植物外形特征包括植物树干的形状和颜色以及植物树叶的形状和颜色，将植物外形参数与数据库中的植物外形特征进行比对以识别植物，按识别出的植物种类将植被区域分割成乔木带、灌木带和草本带。

对乔木带、灌木带和草本带进行边缘提取后通过测量获得植物的水平向外形参数，对于塔里木河下游大西海子以下河道两侧的植被，植被稀疏，每一株植物之间存在棕色的土体颜色，通过颜色的界限能够快速地得到植物的水平向外形参数，通过测量和计算水平向外形上的面积、直径(通过gps坐标点的差值)可以得到乔木和灌木的冠幅和基径以及乔木、灌木和草本的盖度。

根据乔木带、灌木带和草本带中的植物所处的gps信息设置飞行器需要进行图像采集的坐标点，每个坐标点包括有经度和维度，每个坐标点上包括有图像采集参数，图像采集参数包括摄像机的光圈、快门、iso、对焦、测光、白平衡等摄影参数，飞行器到达每个坐标点后，根据图像采集参数沿植物的竖直方向扫描获得竖直高度方向的图像，然后通过测距仪测量该植物的实际高度并与所采集的图像对应标注以获得植物的竖直向外形参数，测距仪可以是激光或红外线测距。

根据植物的水平向外形绘制草图，比如是一个圆形；根据水平向上具体的外形参数修改水平向的外形尺寸，也就是修改圆形的直径，使这个圆与实际植物的投影等比例缩放；然后根据竖直向的垂直高度进行模型拉伸，即将圆形按照竖直高度比如3米拉伸成圆柱形；再根据植物的竖直向外形于拉伸后模型的左侧面或右侧面上绘制草图，即圆柱面的最左侧切面或最右侧切面上绘制比如一个矩形；并根据竖直向上的具体外形参数修改竖直向的外形尺寸，将矩形的尺寸调到与植物的实际树干尺寸等比例，最后通过差值剪切形成植物的三维模型，差值剪切的意思是利用矩形形成的刀去切除与原来的圆柱未重合的部分。按照对应植物在平扫图上的位置坐标将三维模型置于坐标系中对应点处形成空间三维模型。

通过检测仪获得环境因子数据，环境因子数据包括海拔、地下水ph值、土壤含水量、土壤电导率、土壤水ph值、地下水矿化度和地下水埋深，对采集的环境因子数据进行最大值标准化预处理，如表1所示。

表1最大值标准化后的环境因子数据

各个环境因子数据间的相关系数如表2所示，

表2各个环境因子数据间的相关系数

从7个环境因子相关分析的结果看，土壤含水率与地下水埋深呈极显著负相关(-0.860)，土壤电导率与土壤含水率也呈显著负相关(-0.677)；土壤电导率与海拔、地下水矿化度与地下水ph等呈现显著负相关，相关系数分别为-0.481、-0.410；地下水矿化度与海拔、土壤水ph与土壤电导率、地下水埋深与土壤电导率、地下水埋深与土壤水ph等呈极显著正相关，相关系数分别为0.611、0.566、0.747、0.705。由此说明，水盐动态及其相互作用是影响该地区环境因子变化的主要因素。

以表1中的数据作为canoco的环境数据源(*.env)，以监测样带内植物盖度作为canoco的种类数据源(*.spe)，构成环境因子与植物种类的数据矩阵，使用典范对应分析方法((canonicalcorrespondenceanalysis，cca))对塔里木河下游地区32种植物进行排序分析，得到cca二维排序图，如图1所示。

如图1中所示，“△”是植物的种类，其数字是种类的编号。环境因子用带有箭头的线段表示，连线的长短表示植物种类分布与该环境因子关系的大小，箭头连线与排序轴的夹角表示该环境因子与排序轴相关性的大小，箭头所指的方向表示该环境因子的变化趋势。分析时，可以作出某一物种与环境因子连线的垂直线，垂直线与环境因子连线相交点离箭头越近，表示该物种与该类生境因子的正相关性越大，处于另一端的则表示与该类环境因子具有的负相关性越大。个别物种，如物种12与26、物种8与30、物种19与29在图形中由于“拥挤”而出现重叠现象。

植物种类与环境因子箭头共同反映出植物种类的分布沿每一环境因子的梯度方向的变化特征。第一排序轴与地下水矿化度、地下水ph呈正相关(0.5031，0.4279)，与土壤含水率呈负相关(-0.4362)；第二排序轴与土壤电导率、土壤水ph呈正相关(0.6745，0.5370)，与地下水埋深、海拔呈负相关(0.4671，0.4824)。

从图1中可以看出，第一象限与第二象限共分布有16种植物，占到全部物种的50％。这些植物的分布与地下水埋深呈相反方向，表明这些植物分布在地下水位较浅的区域。第三象限分布有9种植物，这些植物受到土壤水的影响，生长较好。第四象限由于地下水和海拔的影响，植物分布最少。由此可见，水分条件是影响该地区植物分布的重要因素。除此以外，ph值、土壤电导率、矿化度亦较强的影响着该地区植被的分布格局，多数样地与植物种类趋向于ph值、土壤电导率、矿化度降低的方向分布。