CN102542276A - 应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法 - Google Patents

Abstract

应用photoshop和matlab快速提取森林郁闭度的方法，属于图像处理领域，本发明为解决现有郁闭度的测定方法效率低、设备成本昂贵的问题。本发明方法：森林郁闭度为多处观测点郁闭度的平均值，每处观测点郁闭度的获取方法为：步骤一、采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片；步骤二、应用photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像；步骤三、在matlab中读取用于计算森林郁闭度的冠层图像，并生成灰度图像；步骤四、确定天空部分灰度临界点阈值t，步骤五、根据天空部分灰度临界点阈值t生成二值化图像；步骤六、利用公式

获取该处观测点的森林郁闭度。

Description

应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法

技术领域

本发明涉及应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，属于图像处理领域。

背景技术

森林郁闭度是描述森林生态系统生长状况的重要指标，也是利用遥感影像进行森林生物量、蓄积量估算不可或缺的因子。近年来，与郁闭度相关的生态研究不断深入，涉及到林分质量评价、森林经营管理、野生动物栖息地生境选择、退耕还林生态恢复效果评价等方面。然而，郁闭度的基本内涵与测量方法却没有受到足够重视，存在着概念模糊、测定方法粗放等问题，不能满足林业经营管理与生态评价的需要。在林学与生态学中，与郁闭度相关的概念主要有林冠盖度、林冠密度、林冠开阔度等。郁闭度指从林地一点向上仰视，被树木枝体所遮挡的天空球面的比例，在生产中通常多次测量求均值作为该样地的森林郁闭度。

当前郁闭度的测定方法主要有样点抬头观测法、树冠投影法、郁闭度测定器法、遥感图像判读法及理论计算法等。在诸多方法中，树冠投影法精度高，但效率较低；仪器测定法(麇角观测仪(moosehorn)、球面密度计(speherical densiometer)、郁闭度测定器、冠层分析仪)设备成本昂贵，难以广泛推广应用；遥感影像判读和理论计算法则需具备专业操作技能与知识储备。因此，这些方法大多用于科学研究层面，在生产实践中仍较多地采用抬头观测法、样线法等不应用仪器的样点法，制约了郁闭度在林业生产与生态研究中的应用，可见探索一种精确度高、操作简便且成本低、易携带的测量设备及方法具有很强的现实意义。

发明内容

本发明目的是为了解决现有郁闭度的测定方法效率低、设备成本昂贵的问题，提供了一种应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法。

本发明所述应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，在待测森林中随机选择多处有代表性的观测点进行郁闭度计算，则森林郁闭度为多处观测点郁闭度的平均值，每处观测点郁闭度的获取方法包括以下步骤：

步骤一、采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片；

步骤二、应用Photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像；

步骤三、在Matlab中读取步骤二获取的用于计算森林郁闭度的冠层图像，并生成灰度图像；

步骤四、根据所述灰度图像获取直方图，并根据该直方图判断出天空部分灰度临界点阈值T，所述天空部分灰度临界点阈值T按公式

$T=\frac{x_{\max 1}+x_{\max 2}}{2}$ 获取，

式中x_max1为直方图中左半部分最大的灰度值，

x_max2为直方图中右半部分最大的灰度值，

步骤五、根据所述临界点阈值将所述灰度图像二值化，将灰度图像中小于所述临界点阈值的像素的灰度值置1，代表天空部分；将灰度图像中大于等于所述临界点阈值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成二值化图像；

步骤六、统计二值化图像中灰度值为1的像素个数，并利用公式

获取该处观测点的森林郁闭度，

公式中f表示该处观测点的森林郁闭度，

a表示二值化图像中灰度值为1的像素个数，

s表示二值化图像中总像素个数。

本发明的优点：

本发明能够克服传统测量方法的主观性、粗糙性与仪器测定法成本昂贵难以大范围推广的不足，提高森林郁闭度在林业生产与生态研究中的应用，是一种精确度高、可操作性强、成本低、便携性高的测量方法和设备，能够快速准确地获取森林郁闭度信息。

附图说明

图1是本发明所述应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法的流程图；

图2是待测森林的鱼眼照片；

图3是截取的适合于森林郁闭度计算的冠层图像照片；

图4是图3的灰度图像；

图5是根据图4生成的直方图；

图6是分成天空部分与植被冠层部分的二值化图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，在待测森林中随机选择多处有代表性的观测点进行郁闭度计算，则森林郁闭度为多处观测点郁闭度的平均值，每处观测点郁闭度的获取方法包括以下步骤：

步骤一、采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片；

步骤二、应用Photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像；

步骤三、在Matlab中读取步骤二获取的用于计算森林郁闭度的冠层图像，并生成灰度图像；

步骤四、根据所述灰度图像获取直方图，并根据该直方图判断出天空部分灰度临界点阈值T，所述天空部分灰度临界点阈值T按公式

$T=\frac{x_{\max 1}+x_{\max 2}}{2}$ 获取，

式中x_max1为直方图中左半部分最大的灰度值，

x_max2为直方图中右半部分最大的灰度值，

步骤五、根据所述临界点阈值将所述灰度图像二值化，将灰度图像中小于所述临界点阈值的像素的灰度值置1，代表天空部分；将灰度图像中大于等于所述临界点阈值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成二值化图像；

步骤六、统计二值化图像中灰度值为1的像素个数，并利用公式

获取该处观测点的森林郁闭度，

公式中f表示该处观测点的森林郁闭度，

a表示二值化图像中灰度值为1的像素个数，

s表示二值化图像中总像素个数。

所述天空部分灰度临界点阈值T的确定在对比原始彩图与二值化图的基础上完成的，以反映出精细特征为准。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一中采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片的方法为：

将单反相机固定在三脚架上，三脚架的高度在90～130cm之间，并使单反相机主光轴与水平面垂直，在该处观测点进行拍照，获取该处观测点林冠鱼眼照片。

鱼眼镜头是一种焦距极短并且视角接近或等于180°的镜头。16mm或焦距更短的镜头。它是一种极端的广角镜头，“鱼眼镜头”是它的俗称。为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径且呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此而得名。鱼眼镜头属于超广角镜头中的一种特殊镜头，它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围。因此，鱼眼镜头与人们眼中的真实世界的景象存在很大的差别，因为我们在实际生活中看见的景物是有规则的固定形态，而通过鱼眼镜头产生的画面效果则超出了这一范畴。

本实施方式选择视角为180°的定焦全幅镜头，将单反数码相机与鱼眼镜头组合测定林分郁闭度，完成外业鱼眼照片的测量。在图像获取时应该注意的问题有以下几点：

1)同一样地要随机选择多个有代表性的观测点进行拍照，获取林冠影像。

2)由于鱼眼镜头视角较大，勿将操作人员和设备摄入影像。

3)尽量将相机固定在三脚架上，在90～130cm之间为宜，并使相机主光轴与水平面垂直。

4)拍照应尽量避免光照过强、曝光过度及不清晰等因素的影响。对于拍摄时空中有云或较强光照的照片，区分林冠与天空信息较难，会产生误分的像素数据。

获取的鱼眼照片为彩色图片。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤二中应用Photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像的过程为：

步骤21、在Photoshop中利用椭圆选框工具从所述林冠鱼眼照片中提取直径为1500px～2000px的圆形区域，将该圆形区域作为待分析处理的冠层图像；

步骤22、将所述待分析处理的冠层图像中的树干部分从该图像中分离出去，生成适合于森林郁闭度计算的冠层图像。

本实施方式中观察截取的待处理图像，如果冠层图像中存在一定比例的林木主干，则会直接影响郁闭度的测量结果。这时，要采用Photoshop多边形套索工具和魔棒工具，根据统计特征，设置合适的容差，而后利用从选区中减去的选择模式，将林木主干从林冠影像中分离。如果主干中还残存有部分干扰信息，可使用橡皮擦工具消除。

具体实施方式三：下面结合图2至图6说明本实施方式，本实施方式给出一个具体的实施例，

1)预处理，图2为待处理的林冠鱼眼照片，在Photoshop中利用椭圆选框工具从鱼眼照片中提取直径为1500px的圆形区域，生成待处理的冠层图像，如图3所示。

2)对于图形区域内有林木主干信息的图像，利用Photoshop多边形套索工具和魔棒工具，根据统计特征，设置合适的容差，而后利用从选区中减去的选择模式，将林木主干从林冠影像中分离。

3)完成预处理后，利用Matlab软件进行分析计算。

4)读入待处理图像，即图3；

5)将其灰度化，如图4所示；

6)确定天空部分灰度临界点阈值T＝165，根据该天空部分灰度临界点阈值T生成二值化图，如图5所示；

7)在灰度图中，小于165的置1，这部分代表天空；大于等于165的置0，这部分代表林冠，分成天空部分与植被冠层部分的二值化图如图6所示；

8)统计1的像素个数，并根据公式

计算出森林郁闭度。

Claims (3)

1.应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，其特征在于，在待测森林中随机选择多处有代表性的观测点进行郁闭度计算，则森林郁闭度为多处观测点郁闭度的平均值，每处观测点郁闭度的获取方法包括以下步骤：

步骤一、采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片；

步骤二、应用Photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像；

步骤三、在Matlab中读取步骤二获取的用于计算森林郁闭度的冠层图像，并生成灰度图像；

步骤四、根据所述灰度图像获取直方图，并根据该直方图判断出天空部分灰度临界点阈值T，所述天空部分灰度临界点阈值T按公式

$T=\frac{x_{\max 1}+x_{\max 2}}{2}$ 获取，

式中x_max1为直方图中左半部分最大的灰度值，

x_max2为直方图中右半部分最大的灰度值，

步骤五、根据所述临界点阈值将所述灰度图像二值化，将灰度图像中小于所述临界点阈值的像素的灰度值置1，代表天空部分；将灰度图像中大于等于所述临界点阈值的像素的灰度值置0，代表林冠部分；生成二值化图像；

步骤六、统计二值化图像中灰度值为1的像素个数，并利用公式

获取该处观测点的森林郁闭度，

公式中f表示该处观测点的森林郁闭度，

a表示二值化图像中灰度值为1的像素个数，

s表示二值化图像中总像素个数。

2.根据权利要求1所述应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，其特征在于，步骤一中采用鱼眼镜头获取林冠鱼眼照片的方法为：

将单反相机固定在三脚架上，三脚架的高度在90～130cm之间，并使单反相机主光轴与水平面垂直，在该处观测点进行拍照，获取该处观测点林冠鱼眼照片。

3.根据权利要求1所述应用Photoshop和Matlab快速提取森林郁闭度的方法，其特征在于，步骤二中应用Photoshop对所述林冠鱼眼照片进行预处理，获取用于计算森林郁闭度的冠层图像的过程为：

步骤21、在Photoshop中利用椭圆选框工具从所述林冠鱼眼照片中提取直径为1500px～2000px的圆形区域，将该圆形区域作为待分析处理的冠层图像；

步骤22、将所述待分析处理的冠层图像中的树干部分从该图像中分离出去，生成适合于森林郁闭度计算的冠层图像。

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