一种树木迎风面积计算方法及系统

1.本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种树木迎风面积计算方法及系统。


背景技术：

2.土壤风蚀作为干旱区最为突出的环境问题之一，严重威胁着人类生存与社会可持续发展，树木作为荒漠生态系统中一种重要的自然资源，具有明显的防风固沙，维护生态功能，同时更是影响风成运动过程最关键的因素之一。在风蚀过程中地表树木通过覆盖部分地表、分解风力和阻挡输沙等多种途径抑制土壤风蚀。植冠作为植物最重要的防风阻沙部分，能够保护地表免受风力并对风力起到阻碍和扰动作用。
3.基于防风阻沙的基本原理，当运动气流通过树木覆盖的下垫面时，真正形成挡风效应的主要来自于树木覆盖迎风方向的侧影面积。树木被视为在地表面产生一定的阻挡作用的粗糙元，树木迎风面积(frontal area)和基部面积(skin area)是基于阻力分解理论风蚀模型模拟中最为重要的两个输入参数，但最难获取的是迎风面积。现有的树木迎风面积都是基于人工测量的方法，不仅耗费人力和时间，而且工作效率极低，同时，针对一些特性环境，人工往往无法完成测量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种树木迎风面积计算方法及系统，在得到迎风面积函数模型后，基于遥感影像可以快速的得到迎风面积，在保证计算精度的前提下，大大的提高了计算效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种树木迎风面积计算方法，包括：
7.获取基础数据集；所述基础数据集包括若干个已知树木的高度和冠幅；
8.将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集；
9.基于所述迎风面积集和所述基础数据集进行拟合，得到迎风面积函数模型；所述迎风面积函数模型的自变量为冠幅、因变量为迎风面积；
10.基于遥感影像得到待测树木的冠幅，并结合所述迎风面积函数模型，得到待测树木的迎风面积。
11.优选地，所述获取基础数据集，包括：
12.基于地毯式调查方法在第一样地进行数据采集，得到第一数据集；
13.基于抽样调查方法在第二样地进行数据采集，得到第二数据集；所述基础数据集包括所述第一数据集和所述第二数据集。
14.优选地，所述迎风面积函数模型如下式：
15.s＝3.834
×b×e0.0832
×b；
16.式中：s为迎风面积，b为冠幅。
17.优选地，所述将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集，具体为：
18.对于所述基础数据集中任一已知树木的高度和冠幅，将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，进行计算，得到已知树木的迎风面积，计算公式如下：
19.s＝π
×a×
b；
20.式中：a＝a/2，b＝b/2，a为高度，b为冠幅；
21.遍历所述基础数据集，得到所述迎风面积集。
22.本发明还提供了一种树木迎风面积计算系统，包括：
23.数据获取模块，用于获取基础数据集；所述基础数据集包括若干个已知树木的高度和冠幅；
24.第一面积计算模块，用于将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集；
25.拟合模块，用于基于所述迎风面积集和所述基础数据集进行拟合，得到迎风面积函数模型；所述迎风面积函数模型的自变量为冠幅、因变量为迎风面积；
26.第二面积计算模块，用于基于遥感影像得到待测树木的冠幅，并结合所述迎风面积函数模型，得到待测树木的迎风面积。
27.优选地，所述数据获取模块包括：
28.第一数据获取单元，用于基于地毯式调查方法在第一样地进行数据采集，得到第一数据集；
29.第二数据获取单元，用于基于抽样调查方法在第二样地进行数据采集，得到第二数据集；所述基础数据集包括所述第一数据集和所述第二数据集。
30.优选地，所述迎风面积函数模型如下式：
31.s＝3.834
×b×e0.0832
×b；
32.式中：s为迎风面积，b为冠幅。
33.优选地，所述第一面积计算模块具体为：
34.对于所述基础数据集中任一已知树木的高度和冠幅，将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，进行计算，得到已知树木的迎风面积，计算公式如下：
35.s＝π
×a×
b；
36.式中：a＝a/2，b＝b/2，a为高度，b为冠幅；
37.遍历所述基础数据集，得到所述迎风面积集。
38.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
39.本发明涉及一种树木迎风面积计算方法及系统，方法包括：获取基础数据集；所述基础数据集包括若干个已知树木的高度和冠幅；将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集；基于所述迎风面积集和所述基础数据集进行拟合，得到迎风面积函数模型；所述迎风面积函数模型的自变量为冠幅、因变量为迎风面积；基于遥感影像得到待测树木的冠幅，并结合所述迎风面积函数模型，得到待测树木的迎风面积。本发明在得到迎风面积函数模型后，基于遥感影像就可以快速的得到迎风面积，在保证计算精度的前提下，大大的提高了计算效率。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明树木迎风面积计算方法流程图；
42.图2为本发明树木迎风面积计算系统结构图；
43.图3为本发明基于高度和冠幅的迎风面积计算示意图；
44.图4为本发明拟合结果示意图；
45.图5为本发明迎风面积函数模型可靠性分析示意图；
46.图6为本发明监测区域示意图。
47.符号说明：1、数据获取模块；2、第一面积计算模块；3、拟合模块；4、第二面积计算模块。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.本发明的目的是提供一种树木迎风面积计算方法及系统，在得到迎风面积函数模型后，基于遥感影像可以快速的得到迎风面积，在保证计算精度的前提下，大大的提高了计算效率。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.图1为本发明树木迎风面积计算方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种树木迎风面积计算方法，包括：
52.步骤s1，获取基础数据集；所述基础数据集包括若干个已知树木的高度和冠幅。
53.如图6所示，在监测区域内分别选取第一样地和第二样地进行数据的采集，具体地，所述步骤s1包括：
54.步骤s11，基于地毯式调查方法在所述第一样地进行数据采集，得到第一数据集。即对所述第一样地内每个已知树木的高度和冠幅均进行采集，本实施例中，所述第一样地的面积为1km2，由100个100
×
100m(1hm2)的样方组成，所述第一样地内共有4999株树木。
55.步骤s12，基于抽样调查方法在第二样地进行数据采集，得到第二数据集；所述基础数据集包括所述第一数据集和所述第二数据集。即基于随机抽样或分层抽样的方法在所述第二样地对选取的已知树木的高度和冠幅进行采集，本实施例中，所述第二样地的面积为1km2，由100个100
×
100m(1hm2)的样方组成，基于分层抽样的方法，以半径为50m的圆选取一株树木为基准，在所述第二样地选取457株树木。
56.步骤s2，将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集。
57.具体地，如图3所示，对于所述基础数据集中任一已知树木的高度和冠幅，将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，进行计算，得到已知树木的迎风面积，计算公式如下：
58.s＝π
×a×
b；
59.式中：a＝a/2，b＝b/2，a为高度，b为冠幅。
60.遍历所述基础数据集，得到所述迎风面积集。
61.步骤s3，基于所述迎风面积集和所述基础数据集进行拟合，得到迎风面积函数模型；所述迎风面积函数模型的自变量为冠幅、因变量为迎风面积，如图4所示。
62.所述迎风面积函数模型如下式：
63.s＝3.834
×b×e0.0832
×b；
64.式中：s为迎风面积，b为冠幅。
65.如图5所示，对所述迎风面积函数模型的可靠性进行分析，大部分标准化残差都在[-3,3]之间，所以误差项服从正态分布的假定成立，说明所述迎风面积函数模型具有较高的精度。
[0066]
步骤s4，基于遥感影像得到待测树木的冠幅，并结合所述迎风面积函数模型，得到待测树木的迎风面积。
[0067]
图2为本发明树木迎风面积计算系统结构图。如图2所示，本发明还提供了一种树木迎风面积计算系统，包括：数据获取模块1、第一面积计算模块2、拟合模块3和第二面积计算模块4。
[0068]
所述数据获取模块1用于获取基础数据集；所述基础数据集包括若干个已知树木的高度和冠幅.
[0069]
所述第一面积计算模块2用于将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，并进行计算，得到已知树木的迎风面积，继而得到迎风面积集。
[0070]
所述拟合模块3用于基于所述迎风面积集和所述基础数据集进行拟合，得到迎风面积函数模型；所述迎风面积函数模型的自变量为冠幅、因变量为迎风面积。
[0071]
所述第二面积计算模块4用于基于遥感影像得到待测树木的冠幅，并结合所述迎风面积函数模型，得到待测树木的迎风面积。
[0072]
优选地，所述数据获取模块1包括第一数据获取单元和第二数据获取单元。
[0073]
所述第一数据获取单元用于基于地毯式调查方法在第一样地进行数据采集，得到第一数据集。
[0074]
所述第二数据获取单元用于基于抽样调查方法在第二样地进行数据采集，得到第二数据集；所述基础数据集包括所述第一数据集和所述第二数据集。
[0075]
优选地，所述迎风面积函数模型如下式：
[0076]
s＝3.834
×b×e0.0832
×b；
[0077]
式中：s为迎风面积，b为冠幅。
[0078]
优选地，所述第一面积计算模块2具体为：
[0079]
对于所述基础数据集中任一已知树木的高度和冠幅，将已知树木的高度和冠幅作为椭圆的两个轴，进行计算，得到已知树木的迎风面积，计算公式如下：
[0080]
s＝π
×a×
b；
[0081]
式中：a＝a/2，b＝b/2，a为高度，b为冠幅。
[0082]
遍历所述基础数据集，得到所述迎风面积集。
[0083]
本发明针对大范围区域能快速的得到迎风面积，这为天然树木防护效应的刻画以及树木与风沙活动之间的生物地貌学关系进行定量描述提供参考，同时为区域生态环境规划与治理提供决策依据和科学支撑。
[0084]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0085]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。