應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法
2023-05-09 01:06:11 3
專利名稱：應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法
技術領域：
本發明涉及一種提取樹種種群的生態學特徵的方法，特別是一種應用三維雷射影像掃描 系統測定樹冠體積分形維數方法。
技術背條
樹冠是樹木全部分枝和葉的總體，它是樹木生長發育以及其它功能作用的結構基礎。樹 冠的形狀取決於樹木的遺傳特性和環境因素。每個樹種在其個體成熟時都基本上能表現出特 定的樹冠形態，表明同一樹種的冠形在遺傳特性上是一致的。而林分中的樹冠形態各異，發 育狀況不一，這是年齡、立地條件和林木間競爭等因素共同作用的結果。這些因素的共同作 用會導致同一樹種的不同個體樹冠形態產生較大的差異，從而給有關研究工作帶來困難。從 森林生產的角度來看，樹冠的結構體現了樹木光和作用的面積和有機物質傳輸的距離，反映 出樹木的生長活力以及發育過程中的競爭效果，從而直接影響樹木的生產力，因此，應該把 樹冠結構看作一個生態的統一體而非簡單的幾何體來研究。隨著胸徑的增加，樹冠被葉片的 填充程度呈現了逐漸增加，然後降低的變化，這符合植物種群的生態學特徵。胸徑較小的種 群個體生長旺盛，葉量較多，對樹冠的填充能力較大；當胸徑範圍較大即該樹長到一定程度 時，生長能力逐漸減弱甚至停滯，因此葉量變少，對樹冠的填充能力變小。因此，樹冠格局 的分形維數對葉子分布、樹種耐性、樹冠級、光合能力等均有很好的指示作用。
發明內容
本發明的目的是提供一種用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法，它是在 不用伐倒立木的條件下，通過三維雷射掃描系統獲取樹冠的三維空間點陣數據，建立樹冠的 三維模型，進而算出樹冠體積分形維數。
本發明的目的是這樣實現的
1. 首先，採用三維雷射影像掃描系統對樹冠進行掃描，獲取樹冠的三維空間點陣數據， 建立樹冠的三維模型，求得全樹冠體積和葉生物量；然後，以樹冠體積的對數值為自變量， 葉生物量的對數值為因變量，進行線性擬合，測定樹冠體積的分形維數為該擬合直線斜率的 3倍。
2. 全樹冠體積測定方法如下首先，對三維雷射影像掃描系統獲取的空間點雲數據進行 旋轉、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點，進行剔除；然後，根據剩餘的數據建立空間三 角網，利用現有技術中的空間幾何方法計算樹冠三角網模型的表面積S^、體積Fg。
3. 葉生物量測定方法如下首先，利用三維雷射影像掃描系統獲取立木三維空間點陣數 據，建立立木三維模型；然後，通過立木三維模型量取樹高H、胸徑D!3;最後，由公式『=c!D! /2// "K冠"求得葉生物量。
本發明具有以下的優點利用三維雷射掃描系統掃描樹冠，不用砍伐立木，保護了森林； 利用三維掃描系統獲得樹冠的三維空間點陣數據，從而建立起樹冠的三維空間模型，實現樹 冠的三維可視化表達；採用分形維數作為表徵樹冠格局結構的新參數，這是對測樹學研究的 一種有益的補充；應用分形幾何的理論和方法對樹冠結構特點進行研究，很容易消除尺度依 賴的影響；樹冠格局的分形維數是表徵植物種群空間佔據能力的工具，對葉子分布、樹種耐 性、樹冠級、光和能力、立地質量和疏伐強度等葉具有很好的指示作用，樹冠格局分形維數 也是種群動態分析和種群空間格局研究的重要指標。
具體實施例方式
1. 在樹木前有效範圍內架設好三維雷射掃描儀，調整好參數和姿態，對樹冠進行掃描， 獲取樹冠的三維空間點陣數據，同時獲取控制標靶中心，得到一幅點雲圖；通過坐標匹配， 將樹冠的不同點雲圖"拼合"在同一坐標系下，經過數據預處理、抽取等功能的實現，以便 建立樹冠的三維模型。由於樹冠不像樹幹有一個穩定的實體外形，樹冠有很多的空隙，雷射 束可能穿透樹冠在樹冠內進行了反射，所以得到的點雲數據並不是完全反映樹冠外層的空間 特徵。要想得到樹冠的實體三維模型，是通過軟體中對點雲數據進行旋轉、縮放，人工判讀 沒有在樹冠表面的點，進行剔除。然後根據剩餘的數據建立空間三角網，根據空間幾何方法 計算空間三角模型的表面積、體積近似為樹冠的表面積、體積。
2. 通過對模型的量測，獲得樹高H、胸徑Du，由公式fF = C,D,/2/T7冠"求 得葉生物量W。
3. 根據掃描數據進行分析，以胸徑進行分組，以樹冠體積V的對數值為橫坐標，葉生物 量W的對數值為縱坐標建立直角坐標系，將得到的散點圖進行線性擬合，得到直線斜率的3 倍就是所要求的樹冠格局分形維數。
權利要求
1. 一種應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法，其特徵是首先，採用三維雷射影像掃描系統對樹冠進行掃描，獲取樹冠的三維空間點陣數據，建立樹冠的三維模型，求得全樹冠體積和葉生物量；然後，以樹冠體積的對數值為自變量，葉生物量的對數值為因變量，進行線性擬合，測定樹冠體積的分形維數為該擬合直線斜率的3倍。
2. 根據權利要求1所述的應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法，其特 徵是其中全樹冠體積測定方法如下首先，對三維雷射影像掃描系統獲取的空間點雲數據 進行旋轉、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點，進行剔除；然後，根據剩餘的數據建立空 間三角網，利用現有技術中的空間幾何方法計算樹冠三角網模型的表面積Sg、體積^。
3. 根據權利要求1所述的應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積分形維數方法，其特 徵是其中葉生物量測定方法如下首先，利用三維雷射影像掃描系統獲取立木三維空間點 陣數據，建立立木三維模型；然後，通過立木三維模型量取樹高H、胸徑Du;最後，由公 式『=C,"/2//"F冠"求得葉生物量。
全文摘要
本發明公開了一種應用三維雷射影像掃描系統測定樹冠體積的分形維數方法，利用三維雷射掃描系統掃描樹冠，獲得樹冠三維空間點陣數據，建立樹冠三維空間模型，計算樹冠的表面積、體積；然後，以樹冠體積的對數值為自變量，葉生物量的對數值為因變量，進行線性擬合，測定樹冠體積的分形維數為該擬合直線斜率的3倍。該方法不用砍伐立木，保護了森林，同時，採用分形維數作為表徵樹冠格局結構的新參數，是對測樹學研究的一種有益的補充，對深入研究樹木的生長具有重要意義。
文檔編號G06T17/00GK101520307SQ200810007520
公開日2009年9月2日 申請日期2008年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者張京燕, 李建雙, 旭 羅, 巖 趙, 鄧向瑞 申請人:中國計量科學研究院