CN101520307A - 应用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用三维激光影像扫描***测定树冠体积的分形维数方法，利用三维激光扫描***扫描树冠，获得树冠三维空间点阵数据，建立树冠三维空间模型，计算树冠的表面积、体积；然后，以树冠体积的对数值为自变量，叶生物量的对数值为因变量，进行线性拟合，测定树冠体积的分形维数为该拟合直线斜率的3倍。该方法不用砍伐立木，保护了森林，同时，采用分形维数作为表征树冠格局结构的新参数，是对测树学研究的一种有益的补充，对深入研究树木的生长具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种提取树种种群的生态学特征的方法，特别是一种应用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法。
技术背景
树冠是树木全部分枝和叶的总体，它是树木生长发育以及其它功能作用的结构基础。树冠的形状取决于树木的遗传特性和环境因素。每个树种在其个体成熟时都基本上能表现出特定的树冠形态，表明同一树种的冠形在遗传特性上是一致的。而林分中的树冠形态各异，发育状况不一，这是年龄、立地条件和林木间竞争等因素共同作用的结果。这些因素的共同作用会导致同一树种的不同个体树冠形态产生较大的差异，从而给有关研究工作带来困难。从森林生产的角度来看，树冠的结构体现了树木光和作用的面积和有机物质传输的距离，反映出树木的生长活力以及发育过程中的竞争效果，从而直接影响树木的生产力，因此，应该把树冠结构看作一个生态的统一体而非简单的几何体来研究。随着胸径的增加，树冠被叶片的填充程度呈现了逐渐增加，然后降低的变化，这符合植物种群的生态学特征。胸径较小的种群个体生长旺盛，叶量较多，对树冠的填充能力较大；当胸径范围较大即该树长到一定程度时，生长能力逐渐减弱甚至停滞，因此叶量变少，对树冠的填充能力变小。因此，树冠格局的分形维数对叶子分布、树种耐性、树冠级、光合能力等均有很好的指示作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法，它是在不用伐倒立木的条件下，通过三维激光扫描***获取树冠的三维空间点阵数据，建立树冠的三维模型，进而算出树冠体积分形维数。
本发明的目的是这样实现的：
1.首先，采用三维激光影像扫描***对树冠进行扫描，获取树冠的三维空间点阵数据，建立树冠的三维模型，求得全树冠体积和叶生物量；然后，以树冠体积的对数值为自变量，叶生物量的对数值为因变量，进行线性拟合，测定树冠体积的分形维数为该拟合直线斜率的3倍。
2.全树冠体积测定方法如下：首先，对三维激光影像扫描***获取的空间点云数据进行旋转、缩放，人工判读没有在树冠表面的点，进行剔除；然后，根据剩余的数据建立空间三角网，利用现有技术中的空间几何方法计算树冠三角网模型的表面积S冠、体积V冠。
3.叶生物量测定方法如下：首先，利用三维激光影像扫描***获取立木三维空间点阵数据，建立立木三维模型；然后，通过立木三维模型量取树高H、胸径D1.3；最后，由公式：
求得叶生物量。
本发明具有以下的优点：利用三维激光扫描***扫描树冠，不用砍伐立木，保护了森林；利用三维扫描***获得树冠的三维空间点阵数据，从而建立起树冠的三维空间模型，实现树冠的三维可视化表达；采用分形维数作为表征树冠格局结构的新参数，这是对测树学研究的一种有益的补充；应用分形几何的理论和方法对树冠结构特点进行研究，很容易消除尺度依赖的影响；树冠格局的分形维数是表征植物种群空间占据能力的工具，对叶子分布、树种耐性、树冠级、光和能力、立地质量和疏伐强度等叶具有很好的指示作用，树冠格局分形维数也是种群动态分析和种群空间格局研究的重要指标。
具体实施方式
1.在树木前有效范围内架设好三维激光扫描仪，调整好参数和姿态，对树冠进行扫描，获取树冠的三维空间点阵数据，同时获取控制标靶中心，得到一幅点云图；通过坐标匹配，将树冠的不同点云图“拼合”在同一坐标系下，经过数据预处理、抽取等功能的实现，以便建立树冠的三维模型。由于树冠不像树干有一个稳定的实体外形，树冠有很多的空隙，激光束可能穿透树冠在树冠内进行了反射，所以得到的点云数据并不是完全反映树冠外层的空间特征。要想得到树冠的实体三维模型，是通过软件中对点云数据进行旋转、缩放，人工判读没有在树冠表面的点，进行剔除。然后根据剩余的数据建立空间三角网，根据空间几何方法计算空间三角模型的表面积、体积近似为树冠的表面积、体积。
2.通过对模型的量测，获得树高H、胸径D1.3，由公式：
求得叶生物量W。
3.根据扫描数据进行分析，以胸径进行分组，以树冠体积V的对数值为横坐标，叶生物量W的对数值为纵坐标建立直角坐标系，将得到的散点图进行线性拟合，得到直线斜率的3倍就是所要求的树冠格局分形维数。
Claims (3)
1.一种应用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法，其特征是：首先，采用三维激光影像扫描***对树冠进行扫描，获取树冠的三维空间点阵数据，建立树冠的三维模型，求得全树冠体积和叶生物量；然后，以树冠体积的对数值为自变量，叶生物量的对数值为因变量，进行线性拟合，测定树冠体积的分形维数为该拟合直线斜率的3倍。
2.根据权利要求1所述的应用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法，其特征是：其中全树冠体积测定方法如下：首先，对三维激光影像扫描***获取的空间点云数据进行旋转、缩放，人工判读没有在树冠表面的点，进行剔除；然后，根据剩余的数据建立空间三角网，利用现有技术中的空间几何方法计算树冠三角网模型的表面积S冠、体积V冠。
3.根据权利要求1所述的应用三维激光影像扫描***测定树冠体积分形维数方法，其特征是：其中叶生物量测定方法如下：首先，利用三维激光影像扫描***获取立木三维空间点阵数据，建立立木三维模型；然后，通过立木三维模型量取树高H、胸径D1.3；最后，由公式：
求得叶生物量。
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