一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法技术方案

本发明专利技术涉及一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，首先改造单反相机使其具备近红外波段成像能力，将相机置于云台及三脚架，转动云台至设定天顶角及方位角方向，安装鱼眼镜头或长焦、定焦镜头，并在镜头上安装滤镜，使相机在近红外单个波段或者可见光及近红外两个波段或多波段成像，按照设定方案完成多个天顶角及方位角方向冠层多光谱成像。之后将收集的植被冠层多光谱影像进行分类，并以分类影像为基础计算植被冠层木质总面积比参数、聚集指数及光合有效辐射分布。本发明专利技术无需对植被冠层破坏性采样、人力物力投入小、可以解决传统光学测量方法存在的误差大、效率低等问题，可应用于植被冠层木质总面积比参数、聚集指数及光合有效辐射分布测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及植被冠层多光谱成像
，特别是涉及一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法。
技术介绍
叶面积指数(leaf area index，LAI)为无量纲，它可定义为单位地表面积上所有绿色植物器官表面积的一半。作为表征植被冠层结构的核心参数之一，目前LAI已广泛应用于植被生长及生产力模型、作物生长模型、净初级生产力模型、大气模型、水文模型等模型以及林学、植物学、生态学、农学等领域。光合有效辐射作为植物光合作用中合成碳水化合物的主要能源，其在植物冠层内的分布即可影响植物的生物产量的变化，又可导致植物形态结构的变化。因此植被冠层光合有效辐射分布可广泛应用于林学、植物学、农学等领域。植被冠层地面LAI测量方法主要分为直接测量方法和间接测量方法。间接测量方法包括相对生长测定法、斜点样方法和光学测量法。目前实际应用当中主要采用光学测量方法测量植被冠层LAI，该测量方法所使用的仪器主要包括LAI-2000、HemiView、TRAC、DHP(Digital Hemispheral Photography，半球摄影方法)和SunScan等。大量研究表明，与直接测量方法相比，LAI光学测量方法通常会低估LAI约20％～50％。地面LAI光学测量方法测量误差主要来源于三个误差来源，即木质总面积比参数测量、聚集指数测量、地形效应，因此开展植被冠层木质总面积比参数及聚集指数测量对于提高地面LAI间接测量精度及可靠性至为重要。传统LAI光学测量方法理论模型均为间隙率模型，该模型假设冠层基本组分为混浊介质，即空间分布为随机分布。实际上绝大部分植被冠层的基本组分空间分布均不随机，即冠层基本组分存在聚集效应。植被冠层内部两个尺度(冠层基本组分和冠层基本组分内部)均存在聚集效应，因而可分为冠层基本组分聚集效应和冠层基本组分内部聚集效应，因而聚集指数又可分为冠层基本组分聚集指数(Ωe)和木质组分聚集指数(Ωw)。目前常用的聚集指数计算算法有间隙大小分布算法、有限长度平均法、偏析系数法、间隙大小分布与有限长度平均联合法等算法。由于目前传统的光学测量方法不具备对植被冠层在多个波段成像，因此其无法实现植被冠层木质组分聚集指数测量，而木质组分聚集指数测量对于植被冠层木质面积指数精确测量又至关重要。传统的森林冠层LAI测量方法均无法有效区分植被冠层木质组分(树干、枝条、果实等非光合作用组分)及冠层基本组分(树叶)，从而导致其测量结果均为总面积指数(Plant area index)。实际应用时由于仅需要植被冠层LAI参数，而非PAI参数，从而导致传统光学测量方法常难以直接满足实际应用需求。通过结合植被冠层多光谱影像，基于一定的测量方案和计算模型可计算植被冠层木质总面积比参数，从而实现将传统光学测量方法的测量结果(PAI)转换为现实应用所需的LAI。传统的植被冠层光合有效辐射测量常基于鱼眼影像(可见光波段)计算，由于鱼眼影像(可见光波段)收集易受天气条件影响，同时鱼眼影像本身较易曝光过度，从而导致冠层光和有效辐射计算精度降低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，该方法能够对植被冠层高精度观测及测量、系统成本低、野外作业效率高。本专利技术采用以下方案实现：一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，包括以下步骤：步骤S1：改造一单反相机，使其可在近红外波段成像；步骤S2：将所述单反相机置于云台以及三脚架上，转动云台至设定天顶角及方位角方向，安装鱼眼镜头、长焦镜头或定焦镜头，并在镜头上安装滤镜；步骤S3：使所述单反相机在近红外单个波段或可见光及近红外两个波段或多波段成像，完成上半球方向植被冠层多光谱成像；步骤S4：将收集的植被冠层多光谱影像进行分类；步骤S5：以分类影像为基础计算植被冠层木质总面积比参数、聚集指数以及太阳光合有效辐射分布。进一步地，所述步骤S1中，所述单反相机包括Nikon D300、Nikon D80、Canon 5D、Canon 70D、Canon 700D、Nikon D7100、微单相机，以及其它类型的相机成像系统。进一步地，所述步骤S1中，对所述单反相的机进行改造是将单反相机内部CCD原件前部的红外截止滤镜替换为近红外滤镜，所述红外截止滤镜为低通道滤镜。进一步地，所述步骤S2中，所述云台在方位角方向实现0°-360°方向转动，在天顶角方向实现在0°-180°方向转动。进一步地，所述步骤S3中，所述可见光及近红外两个波段成像通过替换镜头前滤片的方法实现同一天顶角及方位角方向植被冠层多光谱成像。进一步地，所述步骤S3中，当单反相机搭载的镜头为鱼眼镜头时，所述单反相机镜头方向应朝天顶方向，所述单反相机单次成像即可实现上半球方向植被冠层多光谱成像；当单反相机相机搭载的镜头为长焦或定焦镜头时，将半球方向在天顶角及方位角方向分别等分为若干个天顶角及方位角区间，所述单反相机在每一个天顶角及方位角方向均进行植被冠层多光谱成像。进一步地，所述步骤S4中，所述植被冠层多光谱影像分类采用监督分类或分监督分类方法对植被冠层可见光及近红外波段影像分类，则植被冠层影像分为木质组分、树叶及天空三大类。进一步地，所述步骤S5中，所述植被冠层木质总面积比参数的技术以分类影像上木质组分、树叶及天空组分的间隙率为基础，根据比尔定律计算方法计算采样点PAI和WAI，进而推导出采样点植被冠层木质总面积比参数，具体计算步骤如下：步骤S511：将天顶角方向依次划分为9个天顶角区间，即(0°-5°)、(5°-15°)、(15°-25°)、(25°-35°)、(35°-45°)、(45°-55°)、(55°-65°)、(>65°-75°)、(75°-85°)，分别统计各个分类影像上天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素个数，对每个天顶角区间各方位角方向分类影像上天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素个数累加，得到9个天顶角方向天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素总数；步骤S512：各天顶角区间天空、树叶和土壤组分的像素总和与影像像素总数的比值即为木质组分的间隙率p(θwi)，而天空的像素总和与影像像素总数的比值即为冠层基本组分的间隙率p(θpi)，各天顶角区间的有效总面积指数PAIei和木质面积指数WAIei计算方法如下：PAIei＝-ln[p(θpi)]cos(θi)，Wi＝sin(θi)d(θi)WAIei＝-ln[p(θwi)]cos(θi)，Wi＝sin(θi)d(θi)式中，i为天顶角区间编码，θi为天顶角；采样点有效总面积指数PAIe和木质面积指数WAIe计算方法如下： PAI e = 2 Σ i = 1 9 PAI e i W i ]]> WAI e = 2 Σ i = 1 9 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：改造一单反相机，使其在近红外波段成像；步骤S2：将所述单反相机置于云台以及三脚架上，转动云台至设定天顶角及方位角方向，安装鱼眼镜头、长焦镜头或定焦镜头，并在镜头上安装滤镜；步骤S3：使所述单反相机在近红外单个波段或可见光及近红外两个波段或多个波段成像，完成上半球方向植被冠层多光谱成像；步骤S4：将收集的植被冠层多光谱影像进行分类；步骤S5：以分类影像为基础计算植被冠层木质总面积比参数、聚集指数以及太阳光合有效辐射分布。

【技术特征摘要】
1.一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：改造一单反相机，使其在近红外波段成像；步骤S2：将所述单反相机置于云台以及三脚架上，转动云台至设定天顶角及方位角方向，安装鱼眼镜头、长焦镜头或定焦镜头，并在镜头上安装滤镜；步骤S3：使所述单反相机在近红外单个波段或可见光及近红外两个波段或多个波段成像，完成上半球方向植被冠层多光谱成像；步骤S4：将收集的植被冠层多光谱影像进行分类；步骤S5：以分类影像为基础计算植被冠层木质总面积比参数、聚集指数以及太阳光合有效辐射分布。2.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统的实现方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述单反相机包括Nikon D300、Nikon D80、Canon 5D、Canon 70D、Canon 700D、Nikon D7100以及微单相机。3.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S1中，对所述单反相的机进行改造是将单反相机内部CCD原件前部的红外截止滤镜替换为近红外滤镜，所述红外截止滤镜为低通道滤镜。4.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述云台在方位角方向实现0°-360°方向转动，在天顶角方向实现在0°-180°方向转动。5.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述可见光及近红外两个波段成像通过替换镜头前滤片的方法实现同一天顶角及方位角方向植被冠层多光谱成像。6.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S3中，当单反相机搭载的镜头为鱼眼镜头时，所述单反相机镜头方向应朝天顶方向，所述单反相机单次成像即可实现上半球方向植被冠层多光谱成像；当单反相机相机搭载的镜头为长焦或定焦镜头时，将半球方向在天顶角及方位角方向分别等分为若干个天顶角及方位角区间，所述单反相机在每一个天顶角及方位角方向均进行植被冠层多光谱成像。7.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述植被冠层多光谱影像分类采用监督分类或分监督分类方法对植被冠层可见光及近红外波段影像分类，则植被冠层影像分为木质组分、树叶及天空三大类。8.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述植被冠层木质总面积比参数的技术以分类影像上木质组分、树叶及天空组分的间隙率为基础，根据比尔定律计算方法计算采样点PAI和WAI，进而推导出采样点植被冠层木质总面积比参数，具体计算步骤如下：步骤S511：将天顶角方向依次划分为9个天顶角区间，即(0°-5°)、(5°-15°)、(15°-25°)、(25°-35°)、(35°-45°)、(45°-55°)、(55°-65°)、(>65°-75°)、(75°-85°)，分别统计各个分类影像上天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素个数，对每个天顶角区间各方位角方向分类影像上天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素个数累加，得到9个天顶角方向天空、树叶、木质组分及土壤组分的像素总数；步骤S512：各天顶角区间天空、树叶和土壤组分的像素总和与影像像素总数的比值即为木质组分的间隙率p(θwi)，而天空的像素总和与影像像素总数的比值即为冠层基本组分的间隙率p(θpi)，各天顶角区间的有效总面积指数PAIei和木质面积指数WAIei计算方法如下：PAIei＝-ln[p(θpi)]cos(θi)，Wi＝sin(θi)d(θi)WAIei＝-ln[p(θwi)]cos(θi)，Wi＝sin(θi)d(θi)式中，i为天顶角区间编码，θi为天顶角；采样点有效总面积指数PAIe和木质面积指数WAIe计算方法如下： PAI e = 2 Σ i = 1 9 PAI e i W i ]]> WAI e = 2 Σ i = 1 9 WAI e i W i ]]>式中，Wi为第i个天顶角区间的权重，其在9个天顶角区间的权重分别为0.0038、0.0303、0.0597、0.0873、0.1122、0.1337、0.1512、0.1640、0.2578。步骤S513：采样点有效木质面积指数WAIei和总面积指数PAIei的比值即为采样点植被冠层木质总面积比参数。9.根据权利要求1所述的一种植被冠层多光谱成像系统及方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述聚集指数的计算以分类影像为基础，通过提取木质组分、冠层基本组分间隙率或木质组分及冠层基...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹杰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35