多角度草地植被叶面积指数观测方法及仪器

摘要

本发明公开了一种多角度草地植被叶面积指数观测方法及仪器，首先对研究使用的植被冠层多角度观测传感器进行标定，使多角度观测的每一个采样像元具备标定的多角度信息；随后使用经标定之后的镜头即能够进行植被冠层的辐射信息多角度观测和常规的植被冠层垂直观测；使用冠层多角度观测数据进行植被和非植被的二值化分类，使用该分类数据可实现冠层间隙率及聚集指数的计算；最终利用基于正则化方法构建的叶面积指数估算模型获得植被叶面积的数值计算输出。本发明使用传感器镜头，使草地植被冠层的多角度辐射信息基于该传感器镜头观测获得并为数值算法提供输入数据；采用正则化的数值计算过程，叶面积指数数值结果的计算算法可基于该理论过程实现。

说明书

技术领域

本发明属于生态学应用技术领域，具体的说是涉及一种多角度草地植被叶面积指数观测方法及仪器。

背景技术

叶面积指数定义为单位面积上植被单侧叶片面积的数值大小，是指示植被生长过程状态的关键参数。现有技术中植被冠层叶面积指数的常规测量方法是测量植被叶片的真实物理面积再基于相关计算方法进行数值计算，现有技术中这种做法的缺点在于操作复杂、实现过程繁琐并且最终数值结果易受实际操作的影响而存在较高的不确定性。现有技术中的技术方案还存在如下缺点：1、观测仪器易受自然条件下高强散射光影响，类似于相机曝光过度现象；2、地面观测不易完成自身结构极端矮小的草地植被类型；3、算法流程使用的观测结果数值矩阵运算效率受计算机处理器性能的影响。

基于辐射传输原理，辐射光信号在植被冠层内的接触传播频率，或者辐射信号接触到植被与非植被的间隙率可以通过光学广角传感器观测获得。因此，在光谱信息空间，借助广角传感器观测获得的多角度植被结构信息，设计定量的植被状态参数同辐射观测信号关联的数值计算模型和方法，可以实现植被冠层物理信息完善、数值精度高的叶面积指数定量计算，所以现急需设计出一套多角度草地植被叶面积指数观测方法和配套的观测仪器。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种多角度草地植被叶面积指数观测方法及仪器，其属于一种快速测量草地植被叶面积指数的方法和配套仪器。针对现有技术中草地植被叶面积指数人工测量操作过程繁琐、测量工具对草地植被进行破坏性采样、最终测量数值结果误差大、不确定性高等缺陷，本发明提出的草地植被叶面积指数计算方法具有数值计算精度高、观测仪器构造精巧和操作简便等优点，能够极大的提高地面试验及应用实践工作的效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种多角度草地植被叶面积指数观测方法，包括如下步骤：a、首先，对研究使用的植被冠层多角度观测传感器进行标定，该标定过程主要完成两部分关键操作：镜头的光学中心(Optical center)计算和传感器像元(Sample pixel)投影函数的拟合，使多角度观测的每一个采样像元具备标定的多角度信息；b、随后，使用经标定之后的镜头即能够进行植被冠层的辐射信息多角度观测和常规的植被冠层垂直观测；c、植被冠层的辐射信息多角度观测的观测数据能够进行叶面积指数的估算；常规的植被冠层垂直观测能够用于植被覆盖度的计算；d、使用冠层多角度观测数据进行植被和非植被的二值化分类，使用该分类数据能够实现冠层间隙率及聚集指数的计算；e、最终，利用基于正则化方法构建的叶面积指数估算模型获得植被叶面积的数值计算输出。

步骤a中的植被冠层多角度观测传感器采用可见光广角镜头，步骤a中的多角度信息包括天顶角和方位角。

一种实现多角度草地植被叶面积指数观测方法的仪器，该仪器为冠层多角度辐射观测仪器，冠层多角度辐射观测仪器包括一个传感器底壳，在传感器底壳的侧面分别设置有一个水准气泡和一根数据信号传输线，在传感器底壳的上表面由下至上依次设置有镜头基座、传感器集成电路和遮光罩固定框，在镜头基座的中部设置有一个传感器镜头，在遮光罩固定框上固定有一个防眩光遮光罩，防眩光遮光罩将传感器镜头罩在其内部。

传感器镜头为可见光广角镜头，在传感器底壳和遮光罩固定框之间设置有一密封圈，密封圈为防水密封圈，传感器集成电路为传感器CCD集成电路。

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器，也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号，CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

防眩光遮光罩部件主要完成仪器内部部件保护作用及必要的外部自然光防眩光处理；传感器镜头采用可见光广角镜头，实现植被冠层多角度辐射信号的观测；传感器CCD集成电路完成光信号至数字信号的转换，为叶面积指数计算方法提供输入数值矩阵。

草地植被叶面积指数观测仪器的关键部件规格为：防眩光遮光罩Φ75mm，H53mm；遮光罩固定罩外圈Φ100mm，内圈Φ76mm，H15mm；密封圈Φ100mm；传感器镜头上部Φ26mm，底部Φ11mm，H46mm；传感器集成电路Φ58mm，H48mm；镜头基座Φ63mm，H48mm；底壳Φ102mm，H31mm；水准气泡Φ13mm。

本发明多角度草地植被叶面积指数观测方法的算法原理为：植被叶面积可以通过对高度为H的冠层内部的叶片密度l(h)进行积分计算获得，具体计算形式如公式(1)所示：

其中：LAI表示待计算的叶面积指数，H为冠层高度，l(h)为叶片密度。辐射能量传输路径中的叶片密度当前并不能够被直接测量获得，所以研究通常使用辐射传输路径中能量束与植被叶片接触的概率(接触的总次数)，该接触参数通过公式(2)表达：

其中：等式左侧为辐射能量束与植被叶片的接触参数，由叶面积L，入射能量的天顶角θ_v，方位角表示；等式右侧为叶片的投影函数，是入射能量天顶角和方位角的函数。该参数的物理意义解释为：在确定入射条件下的辐射能量同传播路径中的叶片接触的概率。

能量束与植被叶片的接触概率可以用于叶面积指数的定量估算，但是该参数在真实的冠层分布情况中同样难以观测或测量获得。因此，同接触概率等价的间隙率被用于定量描述植被冠层辐射能量传输路径中植被与非植被出现的概率，具体计算形式如公式(3)所示：

其中：等式左侧表示植被与非植被的间隙率，同样为入射能量天顶角和方位角的函数；等式右侧为叶面积指数、入射几何的指数函数，正是该间隙率的观测和计算，建立了植被冠层辐射信号同叶面积指数的定量关系。同时，该间隙率可以通过广角镜头的多角度观测予以获得，即特定入射条件观测到的间隙率有相应的植被叶面积指数相对应，进而正则化方法提供了实现该计算过程的可能，即设计合理的参数模型可以实现叶面积指数的估算。

对于公式(3)中的参数λ₀聚集指数，其物理意义解释为植被的聚集效应，即植被的叶片存在“聚集”分布的现象(如松树的针状叶片)，在具体计算叶片面积过程中要做面积的聚集修正，或者冠层不同高度的叶片之间有叠加现象同样要做计算的修正，更具体的就是指植被的生长结构特征，对该参数的计算形式如公式(4)所示：

其中：λ₀(θ，ALA)为入射天顶角、叶片倾角ALA的函数，特定观测几何条件下的采样点的间隙率做对数运算的均值作为分子(指示植被叶片分布)，采样点的间隙率先求均值再做对数运算作为分母(指示植被种群分布)，以此比值计算的结果作为指示植被冠层叶片聚集的修正参数。

最终，叶面积指数估算模型可以基于正则化方法设计实现，具体形式如公式(5)所示：

代价函数包括两部分：间隙率观测偏差项及植被LAI状态偏差项。首先，间隙率观测偏差项由间隙率查找表数值和间隙率观测数值，以及间隙率观测的系统偏差(间隙率观测值的标准差)构成，另外权重w_i的使用可以去除部分多角度观测的异常或质量不佳的数据；LAI状态偏差项由叶面积查找表LAI^LUT(k)项和叶面积待估算项以及叶面积期望值的系统偏差(LAI查找表中多个期望值的标准差)构成。最终，求解该代价函数J_k，使其最小化，则能够使代价函数最小化的即为植被该辐射观测状态下的叶面积估算输出结果。

本发明的有益效果是：本发明的关键保护点在于本发明使用了传感器镜头，即可见光广角镜头，使草地植被冠层的多角度辐射信息基于该传感器镜头观测获得并为数值算法提供输入数据；本发明采用正则化的数值计算过程，叶面积指数数值结果的计算算法能够基于该理论过程实现。本发明与现有技术相比具有如下三方面优势：1)相对地面常规工具测量信息量有限，本发明改进观测仪器且方法有突破；2)相对于传统地面样方测量过程繁琐，本发明改进数据采集流程且效率高；3)相对人工操作系统误差大不足，本发明改进数值计算方法且精度高。

本发明主要包括冠层多角度辐射观测仪器一套和叶面积指数计算方法一份，本发明的观测方法和仪器改进了现有技术中常规草地植被叶面积指数人工测量误差大、效率低、工作过程繁琐等不足，避免了测量工具对草地植被的干扰和破坏现象，实现了植被自然状态下的特征观测，确保植被冠层结构信息的真实客观性，能够很好的改进草地植被叶面积指数计算的精度，本发明针对不同草地植被类型有不同适应性的数值计算方法，观测仪器构造精巧，操作简便，极大的提高了地面试验及应用实践工作的效率。本发明的理论方案是基于辐射传输原理，使用可见光多角度观测数据，利用正则化数值计算过程，实现了草地植被叶面积的指数估算，目前暂无其他方案可替代。

附图说明

图1是本发明草地植被叶面积指数观测仪器的整体效果图；

图2是本发明草地植被叶面积指数观测仪器的部件分解图；

图3是本发明草地植被叶面积指数计算方法的流程图；

图4是镜头光学中心标定的光学中心横竖坐标轴采样像元位置图；

图5是镜头光学中心标定的可视角；

图6是传感器观测样例天顶方向图；

图7是传感器观测样例地面方向图；

图中：1-传感器底壳；2-水准气泡；3-数据信号传输线；4-镜头基座；5-传感器集成电路；6-遮光罩固定框；7-传感器镜头；8-防眩光遮光罩；9-密封圈；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图7所示，一种多角度草地植被叶面积指数观测方法，包括如下步骤：a、首先，对研究使用的植被冠层多角度观测传感器进行标定，该标定过程主要完成两部分关键操作：镜头的光学中心(Optical center)计算和传感器像元(Sample pixel)投影函数的拟合，使多角度观测的每一个采样像元具备标定的多角度信息；b、随后，使用经标定之后的镜头即能够进行植被冠层的辐射信息多角度观测和常规的植被冠层垂直观测；c、植被冠层的辐射信息多角度观测的观测数据能够进行叶面积指数的估算；常规的植被冠层垂直观测能够用于植被覆盖度的计算；d、使用冠层多角度观测数据进行植被和非植被的二值化分类，使用该分类数据能够实现冠层间隙率及聚集指数的计算；e、最终，利用基于正则化方法构建的叶面积指数估算模型获得植被叶面积的数值计算输出。步骤a中的植被冠层多角度观测传感器采用可见光广角镜头，步骤a中的多角度信息包括天顶角和方位角。

一种实现多角度草地植被叶面积指数观测方法的仪器，该仪器为冠层多角度辐射观测仪器，冠层多角度辐射观测仪器包括一个传感器底壳1，在传感器底壳1的侧面分别设置有一个水准气泡2和一根数据信号传输线3，在传感器底壳1的上表面由下至上依次设置有镜头基座4、传感器集成电路5和遮光罩固定框6，在镜头基座4的中部设置有一个传感器镜头7，在遮光罩固定框6上固定有一个防眩光遮光罩8，防眩光遮光罩8将传感器镜头7罩在其内部。传感器镜头7为可见光广角镜头，在传感器底壳1和遮光罩固定框6之间设置有一密封圈9，密封圈9为防水密封圈，传感器集成电路5为传感器CCD集成电路。

本发明多角度草地植被叶面积指数观测方法的算法原理为：植被叶面积可以通过对高度为H的冠层内部的叶片密度l(h)进行积分计算获得，具体计算形式如公式(1)所示：

其中：LAI表示待计算的叶面积指数，H为冠层高度，l(h)为叶片密度。辐射能量传输路径中的叶片密度当前并不能够被直接测量获得，所以研究通常使用辐射传输路径中能量束与植被叶片接触的概率(接触的总次数)，该接触参数通过公式(2)表达：

其中：等式左侧为辐射能量束与植被叶片的接触参数，由叶面积L，入射能量的天顶角θ_v，方位角表示；等式右侧为叶片的投影函数，是入射能量天顶角和方位角的函数。该参数的物理意义解释为：在确定入射条件下的辐射能量同传播路径中的叶片接触的概率。

能量束与植被叶片的接触概率可以用于叶面积指数的定量估算，但是该参数在真实的冠层分布情况中同样难以观测或测量获得。因此，同接触概率等价的间隙率被用于定量描述植被冠层辐射能量传输路径中植被与非植被出现的概率，具体计算形式如公式(3)所示：

其中：等式左侧表示植被与非植被的间隙率，同样为入射能量天顶角和方位角的函数；等式右侧为叶面积指数、入射几何的指数函数，正是该间隙率的观测和计算，建立了植被冠层辐射信号同叶面积指数的定量关系。同时，该间隙率可以通过广角镜头的多角度观测予以获得，即特定入射条件观测到的间隙率有相应的植被叶面积指数相对应，进而正则化方法提供了实现该计算过程的可能，即设计合理的参数模型可以实现叶面积指数的估算。

对于公式(3)中的参数λ₀聚集指数，其物理意义解释为植被的聚集效应，即植被的叶片存在“聚集”分布的现象(如松树的针状叶片)，在具体计算叶片面积过程中要做面积的聚集修正，或者冠层不同高度的叶片之间有叠加现象同样要做计算的修正，更具体的就是指植被的生长结构特征，对该参数的计算形式如公式(4)所示：

其中：λ₀(θ，ALA)为入射天顶角、叶片倾角ALA的函数，特定观测几何条件下的采样点的间隙率做对数运算的均值作为分子(指示植被叶片分布)，采样点的间隙率先求均值再做对数运算作为分母(指示植被种群分布)，以此比值计算的结果作为指示植被冠层叶片聚集的修正参数。

最终，叶面积指数估算模型可以基于正则化方法设计实现，具体形式如公式(5)所示：

代价函数包括两部分：间隙率观测偏差项及植被LAI状态偏差项。首先，间隙率观测偏差项由间隙率查找表数值和间隙率观测数值，以及间隙率观测的系统偏差(间隙率观测值的标准差)构成，另外权重w_i的使用可以去除部分多角度观测的异常或质量不佳的数据；LAI状态偏差项由叶面积查找表LAI^LUT(k)项和叶面积待估算项以及叶面积期望值的系统偏差(LAI查找表中多个期望值的标准差)构成。最终，求解该代价函数J_k，使其最小化，则能够使代价函数最小化的即为植被该辐射观测状态下的叶面积估算输出结果。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。