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一种植被冠层间隙大小分布算法
【专利摘要】本发明涉及一种用于评估植被冠层聚集效应的间隙大小分布算法，该算法收集植被冠层冠底间隙大小分布数据，创建测量间隙大小分布曲线Fm和冠层要素随机分布条件下的间隙大小随机分布曲线Fr；当Fm中间隙大小类型大于设定参数时，移除Fm中最大的一个间隙大小类型，创建新的曲线Fm及其对应的Fr，否则计算终止；开始间隙大小移除循环，当Fm中间隙大小类型数量大于默认参数，或者两次之差大于默认参数，或者Fm曲线位于Fr曲线上时，循环继续，当循环终止时得到Fmr；以Fm和Fmr数据为基础计算得到植被冠层聚集指数。该算法可大幅度提高算法的稳定性及可靠性，为植被冠层叶面积指数地面测量及冠层聚集效应定量评估提供基础参数。
【专利说明】一种植被冠层间隙大小分布算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及植被冠层聚集效应定量评估【技术领域】，具体涉及一种植被冠层间隙大小分布算法。
【背景技术】
[0002]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，LAI控制着植被冠层的多种生物物理和生理过程，如光合、呼吸、蒸腾、碳循环、降水截获和能量交换等。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。[0003]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。直接测量方法历史悠久、技术成熟、测量精度较高，但由于需破坏性采样，费时费力，仅适用于小范围测量。间接测量方法指通过测量其它相关参数来间接推导LAI，与直接测量方法相比具有经济、高效等特点，因此一般情况下植被冠层地面LAI测量均采用间接测量方法。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LA1-2000、HemiView, TRAC, DHP (DigitalHemispheral 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光学测量方法低估主要由植被冠层聚集效应引起，因此开展植被冠层聚集效应定量评估对应地面LAI间接测量精度及可靠性至为重要。
[0004]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(Ωβ)和木质组分聚集指数(Ω》。鉴于植被冠层三维结构的高度复杂性和异质性，目前常见的冠层聚集效应定量评估算法不多，主要有3种:间隙大小分布算法、有限长度平均算法和偏析系数理论算法。间隙大小分布算法认为在同一植被冠层间隙率条件下，不同的冠层聚集效应其所对应的间隙大小分布数据各不相同，因而间隙大小分布数据可用于定量描述植被冠层要素聚集效应。间隙大小分布数据中非随机分布的间隙大小类型则采用间隙移除法逐一移除，其采用间隙移除法移除大间隙前后的间隙大小分布数据可直接用于植被冠层聚集指数计算。间隙大小分布算法目前已被TRAC、DHP测量方法所采用。
[0005]传统的间隙大小分布算法在间隙大小分布数据较少时，其间隙大小移除方案无法自动终止间隙大小移除循环，从而导致算法计算结果异常，同时算法未提供合理的间隙大小移除方案，从而引起不同的间隙大小移除方案其计算结果不一。
【发明内容】

[0006]本发明的目的在于提供一种植被冠层间隙大小分布算法，该算法准确度高，稳定可靠，使用效果好。
[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种植被冠层间隙大小分布算法，包括以下步骤:
步骤10:收集植被冠层冠底间隙大小分布数据；
步骤11:统计步骤10获取的数据中各间隙大小类型累积间隙率，并按间隙大小升序排列，形成第一测量间隙大小分布曲线;
步骤12:计算所述第一测量间隙大小分布曲线/^对应的冠层要素随机分布条件下的第一间隙大小随机分布曲线/^1 ;
步骤13:当所述第一测量间隙大小分布曲线Awl的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或第一测量间隙大小分布曲线/部分位于第一间隙大小随机分布曲线A1之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第一测量间隙大小分布曲线即为最终的曲线/^并转至步骤17 ；
步骤14:移除所 述第一测量间隙大小分布曲线/^中最大的一个间隙大小类型，形成第二测量间隙大小分布曲线&2，并计算所述第二测量间隙大小分布曲线/对应的冠层要素随机分布条件下的第二间隙大小随机分布曲线A2;当所述第二测量间隙大小分布曲线的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或由第二测量间隙大小分布曲线计算得到的-1|1[兄2(0)]与由第一测量间隙大小分布曲线/^1计算得到的-ln[i?al(0)]之差的绝对值
小于等于第二默认参数，或第二测量间隙大小分布曲线/部分位于第二间隙大小随机分布曲线/^2之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第二测量间隙大小分布曲线&即为最终的曲线/7,并转至步骤17 ；
步骤15:进行间隙大小移除循环:移除所述第二测量间隙大小分布曲线/^中最大的一个间隙大小类型，形成第三测量间隙大小分布曲线&3，并计算所述第三测量间隙大小分布曲线对应的冠层要素随机分布条件下的第三间隙大小随机分布曲线A3 ;
步骤16:当所述第三测量间隙大小分布曲线/的间隙大小类型数量大于第一默认参
数，且由第二测量间隙大小分布曲线&计算得到的_1η[^2(0)]与由第三测量间隙大小分布曲线/计算得到的-to[&3(O)]之差的绝对值大于第二默认参数，且第三测量间隙大小
分布曲线/全部位于第三间隙大小随机分布曲线G3之上时，将所述第二测量间隙大小分布曲线数值清空，并将所述第三测量间隙大小分布曲线Fmz的值赋给所述第二测量间隙大小分布曲线&2，同时返回步骤15继续循环，否则循环终止，所述第三测量间隙大小分布曲线Z^3即为最终的曲线/^ ;
步骤17:以步骤11得到的第一间测量隙大小分布曲线兄i，以及步骤13、14、15、16得到的曲线为基础，基于间隙大小分布算法计算公式得到植被冠层聚集指数。
[0008]进一步的，所述步骤10中，采用包括光学测量、激光雷达测量等测量手段收集植被冠层冠底间隙大小分布数据。
[0009]进一步的，所述步骤11中，所述第一测量间隙大小分布曲线其横坐标为间隙大小，纵坐标为该间隙大小在样线的总间隙率。[0010]进一步的，所述步骤12中，所述第一间隙大小随机分布曲线A1的计算步骤如下: 步骤121:累加所述第一测量间隙大小分布曲线兄i中所有间隙大小的间隙率，得到总
间隙率4 ;
步骤122:将所述总间隙率&代入公式(1)计算总面积指数:
【权利要求】
1.一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤10:收集植被冠层冠底间隙大小分布数据； 步骤11:统计步骤10获取的数据中各间隙大小类型累积间隙率，并按间隙大小升序排列，形成第一测量间隙大小分布曲线Awl; 步骤12:计算所述第一测量间隙大小分布曲线/^对应的冠层要素随机分布条件下的第一间隙大小随机分布曲线Fr1 ; 步骤13:当所述第一测量间隙大小分布曲线Awl的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或第一测量间隙大小分布曲线/部分位于第一间隙大小随机分布曲线A1之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第一测量间隙大小分布曲线即为最终的曲线/^并转至步骤17 ； 步骤14:移除所述第一测量间隙大小分布曲线/^中最大的一个间隙大小类型，形成第二测量间隙大小分布曲线&2，并计算所述第二测量间隙大小分布曲线/对应的冠层要素随机分布条件下的第二间隙大小随机分布曲线A2;当所述第二测量间隙大小分布曲线的间隙大小类型数量小于等于第一默认参数，或由第二测量间隙大小分布曲线计算得到的-ln{Fm2(O)]与由第一测量间隙大小分布曲线/^1计算得到的-1η[&(?)]之差的绝对值小于等于第二默认参数，或第二测量间隙大小分布曲线/部分位于第二间隙大小随机分布曲线/^2之下时，间隙大小移除步骤结束，所述第二测量间隙大小分布曲线&即为最终的曲线/7,并转至步骤17 ； 步骤15:进行间隙大小移除循环:移除所述第二测量间隙大小分布曲线/^中最大的一个间隙大小类型，形成第三测量间隙大小分布曲线&3，并计算所述第三测量间隙大小分布曲线对应的冠层要素随机分布条件下的第三间隙大小随机分布曲线A3 ; 步骤16:当所述第三测量间隙大小分布曲线/的间隙大小类型数量大于第一默认参数，且由第二测量间隙大小分布曲线&计算得到的-ln[i^2(0)]与由第三测量间隙大小分布曲线/计算得到的-lMJUCD)]之差的绝对值大于第二默认参数，且第三测量间隙大小分布曲线/全部位于第三间隙大小随机分布曲线G3之上时，将所述第二测量间隙大小分布曲线数值清空，并将所述第三测量间隙大小分布曲线F价的值赋给所述第二测量间隙大小分布曲线42，同时返回步骤15继续循环，否则循环终止，所述第三测量间隙大小分布曲线Z^3即为最终的曲线/^ ; 步骤17:以步骤11得到的第一间测量隙大小分布曲线/以及步骤13、14、15、16得到的曲线为基础，基于间隙大小分布算法计算公式得到植被冠层聚集指数。
2.根据权利要求1所述的一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于:所述步骤10中，采用包括光学测量、激光雷达测量等测量手段收集植被冠层冠底间隙大小分布数据。
3.根据权利要求1所述的一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于:所述步骤11中，所述第一测量间隙大小分布曲线兄i，其横坐标为间隙大小，纵坐标为该间隙大小在样线的总间隙率。
4.根据权利要求1所述的一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于:所述步骤12中，所述第一间隙大小随机分布曲线A1的计算步骤如下: 步骤121:累加所述第一测量间隙大小分布曲线兄i中所有间隙大小的间隙率，得到总间隙率4; 步骤122:将所述总间隙率&代入公式(1)计算总面积指数:
5.根据权利要求1所述的一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于:所述间隙大小移除的方法为:每次从对应的间隙大小分布曲线中移除间隙大小最大的一个间隙大小类型，而不管该间隙大小类型是否在对应的间隙大小分布曲线中存在多个数量。
6.根据权利要求1所述的一种植被冠层间隙大小分布算法，其特征在于:所述步骤17中，所述植被冠层聚集指数的计算方法如下:
【文档编号】G01B11/28GK103900501SQ201410114451
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】邹杰 申请人:福州大学