专利名称：一种利用几何投影和激光雷达反演有效叶面积指数的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用地面三维激光扫描仪获取的点云数据计算森林冠层有效叶面积指数的方法，具体地说，是指一种改进的利用计算几何投影算法来计算三维森林冠层有效叶面积指数的方法(流程如附
图1所示)。
背景技术：
碳、水循环是全球气候变化中生物地球化学过程中两个很重要的组成部分。叶面积指数是遥感驱动的碳、水耦合的生态过程模型的重要输入参数。叶面积能够影响林冠的微气候，决定生态系统的辐射利用效率，控制着大气-植被-土壤之间的碳、水和能量的通量变化。遥感技术的发展使得我们能够在不同空间和时间尺度进行叶面积指数的估算和制图。激光雷达扫描，作为一种主动遥感技术，已经被成功地应用于反演和提取各种生态物理参数中。航空和地面激光雷达是目前较为常用的两种激光雷达扫描平台。目前有两种较常用的利用三维点云数据估算叶面积指数的方法一种是基于三维技术的方法；另一种是基于二维技术的方法。通常基于三维技术的方法，由于需要直接处理大量的点云数据，因此要求较高的计算能力和资源；与三维技术相比，二维方法由于其基于较为普遍接受的理论(如Monsi和Saeki的理论，M-S理论)，因而可直接应用于实际操作中。在本发明也采用了整合了 M-S理论的数字半球摄影技术。通常有四种常见的几何投影方法被用于将半球上的点投影到平面上，它们分别为极地投影、正射投影、朗勃方位角等积投影和立体等角投影。正射投影是最简单的方法，将半球上的点直接投影到与投影线垂直的平面上。极地投影由于不能保持在投影平面所得到的半球立体角面积不变，所以其应用有一定局限性。朗勃方位角等积投影技术可以保持面积不变，而且能够保证点密度在半球表面和投影面上一致。立体等角投影可以保持对应的角度信息不变。因此，有必要来探讨不同投影技术对相同半球表面积在投影平面上的面积变化规律和特征。
发明内容
本发明的目的是提供一套直接利用地面激光雷达系统生成的三维点云数据，结合几何投影技术，将三维点云数据转换为二维栅格图像进行快速估算林冠的有效叶面积指数，从而克服传统光学仪器对观测时光线条件的限制和点云基于三维技术方法计算量大、复杂等缺点。本发明的原理如下利用较新的遥感技术手段(地面三维激光雷达扫描系统)，在林冠下层进行半球方式扫描获取三维点云数据，结合不同的几何投影方法，将三维点云转换为二维的类似于鱼眼机片的栅格图像，利用现有的较为成熟的线性最小二乘反演算法进行林冠有效叶面积指数的估算。主要优点在于对于观测时刻的光线条件没有要求，而且可以永久的记录森林样地的三维结构和真彩色图像。
本发明的技术方案主要包括以下步骤(I)首先利用地面激光雷达扫描系统，获取植被冠层的三维点云数据。其中包含了扫描目标点的空间几何和激光束弹回的能量信息，三维坐标直接提供了任意一点的空间位置坐标信息，这也是传统光学理论中的数学模型的基础。获取的点云数据首先进行图像拼接，并手动去除地面点z 。(2)将每个森林样方的三维点云数据切割为以观测点为圆心，30米为半径的圆形样方，再将所有低于地面激光扫描仪高度的点移除，剩下的点(称为“林冠点云”)作为地面激光扫描仪半球扫描所获取的三维点云，用于林冠有效叶面积指数的估算。然后将林冠点云从笛卡尔坐标系转为半径为I米的球面坐标系统。将三维的点云数据通过投影技术转为二维的平面的点云数据，为了能使用常规的传统光学的软件孔隙光分析(GLA)软件，将平 面上的二维点云转化为栅格图像。该图像与利用鱼眼相机进行数字半球摄影所得到的图片类似。(3)立体等角投影。立体等角投影可以保持角度信息在投影过程中不变，但形状和面积会发生变化。先将“林冠点云”转换为半径为I米的球面坐标系统，即投影到半径为I米的球面。如图2中的a所示，投影平面与球面相切于一点，而且与球面中心点和点0的连线垂直。立体等角投影的目标就是将球面上半部分表面的所有点(三维空间)投影到二维平面上。例如点P(x，y，z)是球面上的任意一点，它的投影为P’ (XjY)0当二者都用笛卡尔坐标系统来表示时，可以用以下公式进行相互转换
权利要求
1.一种利用几何投影技术和激光雷达点云计算林冠有效叶面积指数的方法，其主要包括以下步骤(1)植被冠层的三维激光点云数据的获取及预处理；(2)点云数据的切割定义一个以X，Y，Z为轴的笛卡尔坐标系，地面激光雷达扫描仪所在位置设置于森林样方内，高度为I米，其激光发射位置为原点，将其进行半球扫描采集点云数据；将每个森林样方的三维点云数据切割为以观测点为圆心，30米为半径的圆形样方，再将所有低于地面激光扫描仪高度的点移除，剩下的点(称为“林冠点云”)作为地面激光扫描仪半球扫描所获取的三维点云，用于林冠有效叶面积指数的估算；然后将林冠点云从笛卡尔坐标系转为半径为I米的球面坐标系统；将三维的点云数据通过投影技术转为二维的平面的点云数据，为了能使用常规的传统光学的软件孔隙光分析(GLA)软件，将平面上的二维点云转化为栅格图像；该图像与利用鱼眼相机数字半球摄影所得到的图片类似；(3)立体等角投影立体等角投影可以使角度信息在投影过程中保持不变，但形状和面积会发生变化；先将“林冠点云”转换为半径为I米的球面坐标系统，即投影到半径为I 米的球面；投影平面与球面相切于一点，而且与球面中心点和坐标系原点O的连线垂直；立体等角投影的目标就是将球面上半部分表面的所有点(三维空间)投影到二维平面上，例如点PU，y, z)是球面上的任意一点，它的投影为P’(X，Y)，当二者都用笛卡尔坐标系统来表示时，可以用以下公式进行相互转换
2.根据权利要求1所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层消光系数的方法，其特征在步骤(I)中，所述三维激光点云数据是由地面三维激光扫描仪获取的森林植被冠层点云，其中包含了扫描目标点的空间几何和激光束弹回的能量信息，以及每个点的空间位置坐标信息，对获取的点云进行图像拼接，并手动去除地面点云，作为提取冠层结构信息的数据源。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用激光点云计算三维森林冠有效叶面积指数的方法，其特征在于步骤(2)中，在点云区域定义一个以X，Y，Z为坐标轴的笛卡尔坐标系，对获取的点云数据切割得到“林冠点云”，用于模拟数字半球摄影所获得的鱼眼照片。
4.根据权利要求1或3所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层有效叶面积指数的方法，其特征在于步骤(3)中，获得“林冠点云”，转换为球面坐标系统，并投影到半球表面； 用于进一步的投影分析。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层有效叶面积指数的方法，其特征在于步骤(3)中，半球表面的点云利用立体等角投影和朗勃方位角等积投影技术分别投影到二维平面，并转化为栅格二值图像。
6.根据权利要求1、3、4或5所述的一种利用激光点云计算三维森林冠层有效叶面积指数的方法，利用线性最小二乘反演算法椭球体分布模型，分别针对不同天顶角范围内半球空间的林冠孔隙率和平均投影系数进行模拟估算，最终得到林冠层部分或整体的有效叶面积指数。
全文摘要
本发明提供了一种改进的利用几何投影算法来计算三维森林冠层的有效叶面积指数的方法，属于森林冠层结构参数获取方法的研究领域。其步骤为植被冠层的三维激光点云数据的获取及预处理；点云数据的坐标系统转换；利用不同几何投影将三维点云数据投影到二维平面空间，并将其转换为栅格图像，进而利用线性最小二乘反演算法进行孔隙率和有效叶面积指数的估算。本发明与传统观测手段相比，工作量�。扌杞哟ナ焦鄄猓黄苹倒诓憬峁购头涮匦裕哂锌凸�、高效与精确的特点；开发了从激光雷达数据中提取三维结构和生物物理多样性信息的方法，将叶片的水平和垂直分布变化规律特征化。
文档编号G01B11/28GK102997871SQ201210480278
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者郑光, 冯永康, 张乾 申请人:南京大学
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