CN109375236A - 一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法 - Google Patents

一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法。首先、基于地面三维激光扫描仪扫描单木生成的点云数据提取叶面积密度；其次、基于降雨测量装置获取林木穿透雨数据集；再而、构建基于叶面积密度的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；而后、验证并选择最优的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；最后、获取区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。本发明方法借助于地面三维激光雷达获取林木叶面积密度，穿透雨装置获取降雨数据，实现林木冠层垂直结构降雨减缓规律的测定。

Description

一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法
技术领域
本发明涉及林业领域，特别是一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法。
背景技术
水土流失是人类面临的全球性的严峻生态环境问题。林木垂直结构在降雨减蚀过程中发挥着两个功能作用：林木冠层对降雨的截留和林下植被对穿透雨及树干茎流的截留。其中林木冠层对降雨的截留，较大地减小了降雨对土壤的直接冲蚀力，是减少、控制水土流失的重要保障。对林木冠层垂直结构降雨减缓规律的测定不仅可以推算区域发生水土流失的可能性及流失量大小，亦可为林业部门制定相关的营林措施提供辅助。但现有的林木降雨减缓规律的测定中林木冠层参数多采用植被覆盖度的方法，存在以下不足：采用目视法确定植被覆盖度，精度低；将“三维”林木冠层“二维”化的植被覆盖度中未能有效表达出林木冠层垂直结构降雨减蚀功能的差异性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法，借助于地面三维激光雷达获取林木叶面积密度，穿透雨装置获取降雨数据，实现林木冠层垂直结构降雨减缓规律的测定。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法，包括如下步骤：
步骤S1、基于地面三维激光扫描仪扫描单木生成的点云数据提取叶面积密度；
步骤S2、基于降雨测量装置获取林木穿透雨数据集；
步骤S3、构建基于叶面积密度的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S4、验证并选择最优的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S5、获取区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
进一步的，所述步骤S1的实现方式为：布设样地，选择p棵单木，采用地面三维激光扫描仪分别扫描单木生成的点云数据，并对点云数据进行体素化处理，最后计算单木叶面积密度大小。
进一步的，所述步骤S1的具体实现步骤如下：
步骤S11、布设样地，在样地中选择p棵样木，采用地面三维激光扫描仪对每棵样木进行3次不同角度的扫描以获取样木的点云数据，并对获取的点云数据进行拼接和去噪以便进行树冠分层和3维体元模型的构建；
①单木树冠分层
对于处理后的数据按高度h为步长进行分层，得到m层冠层分层点云数据，通过点转栅格，重分类处理，获取分层栅格数，得到第m层点云数据的投影面积Sm；
②3维体元模型的构建
对预处理后的点云数据进行体元化；点云数据(X，Y，Z)以(Xmin，Ymin，Zmin)为起始点，以体元大小为步长，利用公式(1)对点云数据进行体元化：
式中，int为向下取整符；(x，y，z)为点云数据(X，Y，Z)对应的体元坐标；体元的体素值由体元内的激光点数决定，若体元内激光点数大于或等于1，则体元体素值为1，否则体素值为0；
步骤S12、对体元化后的点云数据采用公式(2)进行叶面积密度的计算：
式中，LADm为第m层叶面积密度；n为第m层中体素值为1的体元数；l为体元边长；Sm为第m层点云数据的投影面积；h为分层高度。
进一步的，所述步骤S2的实现方式为：在每棵单木林下布设穿透雨采集装置，并在样地外空旷处布设降雨测量装置；一旦下雨，记录单木降雨截留量，截留量为空旷处降雨采集量与林下穿透雨采集量之差。
进一步的，所述降雨截留量计算公式如下：
I(p,i)＝R0-(R(p,i)+Sp) (3)
式中，I(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨截留量，i＝1,2,3；R0为空旷处j个降雨量采集装置降雨量的平均值；R(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨量；Sp第p棵单木的树干茎流量。
进一步的，所述步骤S3的实现方式为：对林木叶面积密度及对应的穿透雨数据集划分为建模集和验证集；针对建模集，采用线性、幂、对数、指数、二次多项式函数构建林木冠层垂直结构降雨减缓模型。
进一步的，所述步骤S4的实现方式为：基于验证集的单木叶面积密度和降雨截留量数据，采用步骤S3中构建的线性、幂、对数、指数、二次多项式模型估算降雨截留量，并与实际降雨截留量进行比较，确定林木冠层垂直结构降雨减缓最优模型。
进一步的，所述步骤S5的实现方式为：基于步骤S4中得到的林木冠层垂直结构降雨减缓最优模型，结合区域状况，揭示区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法借助于地面三维激光雷达获取林木叶面积密度，比使用植被覆盖度对林木冠层垂直结构的刻画更为准确，可有效指示林木冠层垂直结构；通过林木叶面积密度与降雨截留量的数学模型，实现林木冠层垂直结构降雨减缓规律的测定。
附图说明
图1为本发明林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法，包括如下步骤：
步骤S1、基于地面三维激光扫描仪扫描单木生成的点云数据提取叶面积密度；
步骤S2、基于降雨测量装置获取林木穿透雨数据集；
步骤S3、构建基于叶面积密度的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S4、验证并选择最优的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S5、获取区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
以下为本发明的具体实现过程。
图1是本发明林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法实现方式的流程图，具体包括如下操作：
(1)基于地面三维激光扫描仪扫描单木生成的点云数据提取叶面积密度
首先，布设样地，在样地中选择p棵样木，采用地面三维激光扫描仪(如StonexX300激光扫描仪)对每棵样木进行3次不同角度的扫描以获取样木的点云数据，并在对应的软件中(如Cyclone软件)对获取的点云数据进行拼接和去噪以便进行树冠分层和3维体元模型的构建
①单木树冠分层
对于处理后的数据按高度h为步长进行分层，得到m层冠层分层点云数据并导入到ArcGIS10.2软件中，通过点转栅格，重分类处理，获取分层栅格数，得到第m层点云数据的投影面积Sm；
②3维体元模型的构建
对预处理后的点云数据进行体元化；点云数据(X，Y，Z)以(Xmin，Ymin，Zmin)为起始点，以体元大小(体元为边长为l的正方体)为步长，在Excel软件中利用公式(1)对点云数据进行体元化：
式中，int为向下取整符；(x，y，z)为点云数据(X，Y，Z)对应的体元坐标；
体元的体素值由体元内的激光点数决定，若体元内激光点数大于或等于1，则体元体素值为1，否则体素值为0；
对体元化后的点云数据采用公式(2)进行叶面积密度的计算：
式中，LADm为第m层叶面积密度(m2/m3)；n为第m层中体素值为1的体元数；l为体元边长；Sm为第m层点云数据的投影面积；h为分层高度。
(2)基于降雨测量装置获取林木穿透雨数据集
在每棵单木林下布设3个穿透雨雨量采集装置(可采用路格LG-YL雨量记录仪或自制简易雨量测定仪)，第1个布设在距离树干小于1/3冠长处，第2个布设在距离树干1/3到2/3之间冠长处，第3个布设在距离树干大于2/3冠长处，同时记录各个穿透雨采集装置距树干的距离、方向等，并在样地外空旷处布设j个降雨量采集装置。同时，在树干胸径处(1.3m)布设树干茎流量采集装置。一旦下雨，记录林木冠层对降雨截留量，降雨截留量可以由公式(3)计算：
I(p,i)＝R0-(R(p,i)+Sp) (3)
式中，I(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨截留量，i＝1,2,3；R0为空旷处j个降雨量采集装置降雨量的平均值；R(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨量；Sp第p棵单木的树干茎流量。
(3)构建基于叶面积密度的林木冠层垂直结构降雨减缓模型
确定了单木叶面积密度和降雨截留量数据集后，在Excel软件中将数据集随机划分为建模集和验证集。对于建模集，采用公式(4)构建降雨截留量与叶面积密度间的关系：
I＝f(LAD) (4)
式中：I为降雨截留量；f为降雨截留量与叶面积密度之间的数学关系，此处采用线性、幂、对数、指数、二次多项式函数，若考虑方位及距离等其他因素，可采用多元回归、支持向量机、随机森林等其它数学模型；LAD为叶面积密度。
(4)验证并选择最优的林木冠层垂直结构降雨减缓模型
基于验证集单木不同高度分层的叶面积密度和降雨截留量数据，采用上述构建的线性、幂、对数、指数、二次多项式模型估算降雨截留量，根据决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MAE)，对验证集降雨截留量的实测值与估测值进行交叉验证，并以R2最大，RMSE和MAE最小确定林木冠层垂直结构降雨减缓最优模型。
式中：yi为第i个数据降雨截留量实测值；为第i个样点降雨截留量估测值；为降雨截留量实测值的平均值。
(5)获取区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律
通过最优模型，可揭示不同分层不同叶面积密度的降雨减缓规律，结合单木的相关参数(如树种)，可有效表达区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
本发明实施例提供的技术方案，借助于地面三维激光雷达获取林木叶面积密度，降雨量采集装置获取降雨截留量，分析叶面积密度与截留量之间的数学关系，实现林木冠层垂直结构降雨减缓规律的测定。通过本发明，可以获取有效指示林木冠层垂直结构的参数—叶面积密度，比使用植被覆盖度对林木冠层垂直结构的刻画更为准确，为森林结构的监测、森林经营决策、水土流失量的监测等方面提供有效的评估方法。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、基于地面三维激光扫描仪扫描单木生成的点云数据提取叶面积密度；
步骤S2、基于降雨测量装置获取林木穿透雨数据集；
步骤S3、构建基于叶面积密度的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S4、验证并选择最优的林木冠层垂直结构降雨减缓模型；
步骤S5、获取区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的实现方式为：布设样地，选择p棵单木，采用地面三维激光扫描仪分别扫描单木生成的点云数据，并对点云数据进行体素化处理，最后计算单木叶面积密度大小。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现步骤如下：
步骤S11、布设样地，在样地中选择p棵样木，采用地面三维激光扫描仪对每棵样木进行3次不同角度的扫描以获取样木的点云数据，并对获取的点云数据进行拼接和去噪以便进行树冠分层和3维体元模型的构建；
①单木树冠分层
对于处理后的数据按高度h为步长进行分层，得到m层冠层分层点云数据，通过点转栅格，重分类处理，获取分层栅格数，得到第m层点云数据的投影面积Sm；
②3维体元模型的构建
对预处理后的点云数据进行体元化；点云数据(X，Y，Z)以(Xmin，Ymin，Zmin)为起始点，以体元大小为步长，利用公式(1)对点云数据进行体元化：
式中，int为向下取整符；(x，y，z)为点云数据(X，Y，Z)对应的体元坐标；体元的体素值由体元内的激光点数决定，若体元内激光点数大于或等于1，则体元体素值为1，否则体素值为0；
步骤S12、对体元化后的点云数据采用公式(2)进行叶面积密度的计算：
式中，LADm为第m层叶面积密度；n为第m层中体素值为1的体元数；l为体元边长；Sm为第m层点云数据的投影面积；h为分层高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2的实现方式为：在每棵单木林下布设穿透雨采集装置，并在样地外空旷处布设降雨测量装置；一旦下雨，记录单木降雨截留量，截留量为空旷处降雨采集量与林下穿透雨采集量之差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述降雨截留量计算公式如下：
I(p,i)＝R0-(R(p,i)+Sp) (3)
式中，I(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨截留量，i＝1,2,3；R0为空旷处j个降雨量采集装置降雨量的平均值；R(p,i)为第p棵单木第i个降雨装置位置的降雨量；Sp第p棵单木的树干茎流量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3的实现方式为：对林木叶面积密度及对应的穿透雨数据集划分为建模集和验证集；针对建模集，采用线性、幂、对数、指数、二次多项式函数构建林木冠层垂直结构降雨减缓模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S4的实现方式为：基于验证集的单木叶面积密度和降雨截留量数据，采用步骤S3中构建的线性、幂、对数、指数、二次多项式模型估算降雨截留量，并与实际降雨截留量进行比较，确定林木冠层垂直结构降雨减缓最优模型。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S5的实现方式为：基于步骤S4中得到的林木冠层垂直结构降雨减缓最优模型，结合区域状况，揭示区域林木冠层垂直结构降雨减缓规律。
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