CN101413797B - 多光谱冠层成像方法及仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种森林冠层LAI测量方法，该方法能够对森林冠层和单株冠层观测及测量。实现该方法的仪器包括：由三台相机及滤镜、定焦镜头组成的相机及配件设备，其中一台为近红外相机；由可进行方位角和天顶角方向调整的云台组成的机械控制部分；云台下方固定的测量三脚架；由两个相机遥控接收器和一个遥控器及一条机械快门线组成的同步曝光设备；所述的三台相机安装在一个长臂上，该长臂被云台的方位角和天顶角方向驱动机构驱动。本发明可以解决传统的参数测量方式存在的误差大、效率低等问题，本发明能够获取单株冠层影像以用于计算几何参数；还能获取冠层近红外影像用于聚集指数、非光合作用组分修正参数测量。
Description
技术领域
本发明属于通过摄影方法进行植被冠层观测的领域，特别是涉及多光谱成像并反演植被冠层叶面积指数(LAI)的技术。
背景技术
LAI测量方法分为直接测量方法和间接测量方法，直接测量方法通过实测部分或者全部叶面积推算叶面积指数，一般需要进行破坏性采样，因此相当费时费力，仅适合小范围LAI测量。间接测量方法则通过测量其他的参数来间接推导叶面积指数，经济、高效，对于需要重复测量或测量区域较大时，间接测量方法优势尤其明显。间接测量方法均基于间隙率方程并假设冠层要素随机分布来推算LAI，即L＝cos(θ)·ln[p(θ)]/G(θ)。目前主流的间接测量方法主要包括LAI-2000、TRAC、HemiView、DEMON、SunScan等。LAI-2000植物冠层分析仪是由美国LI-COR公司开发的一款叶面积测量仪，目前应用很广泛。该仪器配备视场角为148°的“鱼眼”镜头，光线经鱼眼镜头成像到5个中心角在7°、23°、38°、53°、68°的同心环感应器，其感应器波谱响应位于320nm-490nm之间。TRAC(Tracing Radiation and Architecture of Canopies)是由加拿大遥感中心研制的可测量冠层组分空间非随机分布(聚集指数)的商业化仪器，每次可测量一个天顶角的聚集指数及LAI。仪器主要由3个量子传感器(400nm-700nm)、信号放大器、模数转换器、微处理器、时钟、存储器组成。DEMON则利用视场角很小且朝向太阳的传感器测量冠层直接辐射，测量时需以恒速行进并保持传感器始终朝向太阳入射方向，传感器为了减少冠层散射影响只接受430nm以下太阳直接辐射。DEMON仅测量太阳入射方向间隙率，为了提高LAI测量精度，测量时通常需要在不同太阳高度角下多次测量，根据冠层的空间异质程度测量路线长度一般设为300m或更长。
传统的森林冠层LAI测量方法均不能将树枝及树叶区分开来，因而导致LAI测量值的高估。为了消除传统LAI测量方法中存在的冠层要素非随机分布及非光合作用组分影响，本发明基于多光谱摄影方法(可见光及近红外波段)测量多天顶角聚集指数及非光合作用组分修正系数，可用来修正其他间接测量方法测量的LAI值。
目前对单株冠层的测量都是直接使用针对森林冠层开发的LAI仪器测量，误差很大，因此开发全新的专门针对单株冠层LAI测量的仪器很有必要。
单株冠层的几何参数测量是冠层三维建模的基础，激光雷达近几年虽然在冠层几何参数测量方面得到了广泛的认可，但是激光雷达价格昂贵，作为一种新型的传感器，其数据处理及获取方面仍还有很多需要开展的工作。短基线像对相似性高，图像完全同步获取，不受树冠摇摆干扰，非常有利于同名点匹配，因此可大大提高了单株冠层几何参数测量的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种森林冠层LAI测量方法，以解决传统的参数测量方式存在的误差很大、效率低等问题，本发明能够获取单株冠层影像以用于计算几何参数，如树高、胸径、冠幅等；还能获取森林冠层近红外影像用于聚集指数、非光合作用组分修正参数测量。
本发明的多光谱冠层成像方法的森林冠层观测方案实施步骤如下：
①.将固定在调整云台上的近红外相机放置在需要测量的位置，调整云台以使相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向；
②.在近红外相机镜头上安装可见光滤镜，通过机械快门线控制相机在可见光波段摄影；
③.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装760nm红外滤镜，通过机械快门线控制相机在近红外波段(760-900nm)摄影；
④.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装850nm红外滤镜，通过机械快门线控制相机在近红外波段(850-900nm)摄影；
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验；
⑥.利用步骤⑤获取的数据得到多天顶角聚集指数及非光合作用组分修正系数，用来修正其他间接测量方法测量的LAI值。
本发明的多光谱冠层成像方法的单株冠层观测方案实施步骤如下：
观测时同时使用同步固定在一个调整云台上的三台相机，其实施步骤如下：
①.将相机放置在需要测量的位置，调整云台以使三台相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向；
②.在一台近红外相机镜头上安装可见光滤镜，通过近红外相机的机械快门线和两台可见光相机的遥控快门控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，三幅影像均为可见光波段成像；
③.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装760nm红外滤镜，控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张近红外波段(760-900nm)影像。
④.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装760nm红外滤镜，控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张近红外波段(850-900nm)影像。
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验。
本发明的效果：
①.基于近景摄影测量及定量遥感方法快速测量植被冠层几何及生理参数，其测量误差小、效率高和测量设备成本低。
②.利用本系统获取的数据可测量传统LAI测量方法的修正参数，如聚集指数、非光合作用组分修正系数，最后得到高精度的LAI值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是图1的俯视图。
图4是图1的主视图。
具体实施方式
本发明的硬件系统主要由以下组成：①三台相机及配件：富士近红外相机IS-1一台，用于近红外相机的滤镜三个，分别为F-Pro BW 58mmuv-ir cut 486(390-690nm)，Nature HL-OPTICS 760nm，Nature HL-OPTICS 850nm；佳能40D相机两台及配套的定焦镜头Canon EF f/2.8USM 20mm两个；；②.机械控制部分：可进行方位角和天顶角方向调整的云台一个；③.支撑及连接部分：测量三脚架一个，两个定制的金属连接器，快装板三个，圆柱型的金属伸长臂一个，三台相机通过快转板安装在伸长臂上。④同步曝光设备：佳能40D相机遥控接收器两个和遥控器一个，机械快门线一条。上述硬件系统的结构可参见图1至图4，图中：1-可见光相机1，2-近红外相机，3、可见光相机2，4-齿轮箱，5-伸缩杆，6-倾斜杆，7-倾斜座，8-旋转台，9-基座，10-旋转制动，11-倾斜手轮，12-倾斜制动。
森林冠层观测方案：观测时仅使用近红外相机IS-1，伸长臂可拆卸，其实施步骤如下：
①.将装置放置在需要测量的位置，调整云台以使相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向。
②.在IS-1相机镜头上安装可见光滤镜，通过机械快门线控制IS-1相机在可见光波段摄影。
③.使云台处于稳定状态，在IS-1相机镜头上安装760nm红外滤镜，通过机械快门线控制IS-1相机在近红外波段(760-900nm)摄影。
④.使云台处于稳定状态，在IS-1相机镜头上安装850nm红外滤镜，通过机械快门线控制IS-1相机在近红外波段(850-900nm)摄影。
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验。
单株冠层观测方案：观测时同时使用三台相机，其实施步骤如下：
①.将装置放置在需要测量的位置，调整云台以使三台相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向。
②.在IS-1相机镜头上安装可见光滤镜，同时在两台Canon 40D相机上安装Canon EF f/2.8USM 20mm镜头，通过IS-1的机械快门线和Canon40D的遥控快门控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，三幅影像均为可见光波段成像。
③.使云台处于稳定状态，在IS-1相机镜头上安装760nm红外滤镜，通过IS-1的机械快门线和Canon 40D的遥控快门控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张IS-1相机所拍摄的近红外波段(760-900nm)摄影。
④.使云台处于稳定状态，在IS-1相机镜头上安装760nm红外滤镜，通过IS-1的机械快门线和Canon 40D的遥控快门控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张IS-1相机所拍摄的近红外波段(850-900nm)摄影。
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验。
Claims (2)
1.一种森林冠层LAI测量方法，该方法对森林冠层观测步骤如下：
①.将固定在调整云台上的近红外相机放置在需要测量的位置，调整云台以使相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向；
②.在近红外相机镜头上安装可见光滤镜，通过机械快门线控制IS-1相机在可见光波段摄影；
③.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装760nm红外滤镜，通过机械快门线控制相机在近红外波段760-900nm摄影；
④.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装850nm红外滤镜，通过机械快门线控制相机在近红外波段850-900nm摄影；
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验；
⑥.利用步骤⑤获取的数据得到多天顶角聚集指数及非光合作用组分修正系数，用来修正其他间接测量方法测量的LAI值。
2.如权利要求1所述的一种森林冠层LAI测量方法，该方法对单株冠层观测步骤如下：
①.观测时同时使用同步固定在一个调整云台上的三台相机，
将相机放置在需要测量的位置，调整云台以使三台相机前视方向所在的方位角及天顶角方向到设定的方向；
②.在一台近红外相机镜头上安装可见光滤镜，通过近红外相机的机械快门线和两台可见光相机的遥控快门控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，三幅影像均为可见光波段成像；
③.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装760nm红外滤 镜，控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张近红外波段760-900nm影像；
④.使云台处于稳定状态，在近红外相机镜头上安装850nm红外滤镜，控制三台相机同步摄影，可得冠层同步短基线像对，其中包含一张近红外波段850-900nm影像；
⑤.转动云台到设定的方位角及天顶角，重复步骤②-④，直至完成所有的方向观测实验。
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