CN110579420B - 一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法 - Google Patents

一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生态环境保护技术领域，尤其涉及一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，包括：无人机飞行参数设置与影像数据获取；建立乔木冠层三维模型，计算冠层体积；测算冠层单位体积的叶面积；建立常见乔木叶面积‑体积换算系数数据库；叶片采集与单位面积滞尘量测算；整株乔木滞尘量测算。基于无人机倾斜摄影技术高效获取植被冠层体积数据，并基于不同植物冠层体积‑叶面积换算系数数据库和滞尘量调查数据，可高效准确测算整株乔木滞尘量，有助于指导城市园林植物配置，以改善空气质量。

Description

一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法
技术领域
本发明属于生态环境保护技术领域，尤其涉及一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法。
背景技术
大气污染是我国现今最突出的环境问题之一，也是世界上所有国家在城市化进程中普遍面临的一个难题。大气颗粒物是指气溶胶中分散的固体或液体颗粒，包括粉尘、烟、灰、雾、霭、霾、烟尘和烟雾。大气颗粒物污染将影响大气环境、植物生长和人体健康。大量研究表明，植物可以有效地吸收大气颗粒物或者作为大气颗粒物的承载体，从而降低大气粉尘浓度，因此利用植物滞尘是一种从大气环境去除颗粒物的有效途径。植物的滞尘方式主要包括滞留、附着和粘附，绿地可通过光合作用、吸收作用、蒸腾作用、隔离阻挡作用对大气颗粒物的滞留、沉降与吸附起着重要的作用。
绿地在改善空气质量方面发挥着巨大作用，植物滞尘量是最直观的表征参数。已有研究表明，由于风向、高度等差异，植物在其不同方向和高度的滞尘量也存在显著差异；此外，绿地具有垂直结构，尤其是乔木具有各异的冠层结构；因此，对整株植株滞尘量的测算能更好的反映其滞尘能力。然而，现有研究均是对单位叶面积/单位质量滞尘量的测算，对植物整体滞尘量的表征存在明显不足。
近年来，由于无人机遥感具有高时效、低空飞行、高机动性、高空间分辨率等特点，基于无人机技术的环境监测技术飞速发展。三维地理信息系统比二维地图更能全面、直观、真实地反映地物和地形的形状、纹理和环境信息。机载倾斜摄影测量技术是获取三维空间数据的主要手段倾斜摄影技术，该技术主要内容包括倾斜影像数据获取技术和倾斜影像数据处理技术。当前，在植物滞尘测算方面，无人机倾斜摄影技术的应用尚不成熟。因此，结合无人机技术建立一种整株乔木滞尘量测算方法对于进一步准确评估植物滞尘能力和滞尘效果具有重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术的不足，该发明提供一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，通过结合传统的地面滞尘量调查和高效的无人机植被影像数据获取和处理技术，高效准确测算整株乔木滞尘量。
为了实现上述目的，该发明提供一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，包括以下步骤：
S01、无人机飞行参数设置与影像数据获取；
S02、建立乔木冠层三维模型，计算冠层体积；
S03、测算冠层单位体积的叶面积，获取乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数；
S04、建立常见乔木叶面积-体积换算系数数据库；
S05、乔木叶片单位面积滞尘量测算；
S06、整株乔木滞尘量测算。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S01中，无人机飞行参数主要为飞行高度，无人机在设置的飞行高度对乔木进行环飞，并通过无人机可见光倾斜摄影和正射影像获取乔木的影像数据，其中飞行高度至少包括树高1.5倍、树同高和树高0.5倍三个高度。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S02中，采用Smart3D软件处理步骤S01获取的乔木影像数据，建立乔木冠层三维模型，并以冠层垂直投影最大面积、剔除树干体积的圈选原则，通过立方柱积分计算冠层体积。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S03中，通过单位体积的镂空框在乔木的样点处进行框选，然后确定单位体积内的叶片数量，并采用纸称重法测定该点位单位体积内的叶面积，继而计算出该点冠层体积和叶面积之间的换算系数；进一步地，获取乔木各个方向和不同高度点的冠层体积和叶面积之间的换算系数，最后取平均值获得单株乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S04中，选取年龄、生长状态相同的同种乔木获取乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数，进而建立常见乔木叶面积-体积换算系数数据库。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S05中，采集乔木叶片通过水洗法测定叶片上颗粒物质量和相应叶片面积，则单位面积滞尘量为叶片上颗粒物质量与叶片面积之比；进一步地，获取乔木各个方向和不同高度点单位面积滞尘量，最后取平均值获得整株乔木叶片单位面积滞尘量测算。
作为本发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法的进一步说明：所述步骤S06中，整株乔木滞尘量测算，包括适用于已建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算，以及适用于未建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算，适用于已建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算采用以下公式：TM＝C＊V＊P，其中C为相应乔木冠层体积-叶面积换算系数，V为基于无人机技术测算的冠层体积，P为单位面积滞尘量；
适用于未建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算采用以下公式：
Figure BDA0002203958770000041
其中Vi为基于无人机技术建立的三维模型分别获取乔木不同点位对应的等分体积数据，Ci为乔木不同点位的冠层体积和叶面积间的换算系数，Pi为乔木不同点位的单位面积滞尘量。
有益效果
该发明一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，基于无人机倾斜摄影技术高效获取植被冠层体积数据，并基于不同植物冠层体积-叶面积换算系数数据库和滞尘量调查数据，准确测算乔木整株滞尘量，进一步指导城市园林植物配置，以改善空气质量。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例中小叶榕冠层三维模型体积计算示意图；
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
该发明提供的一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，具体包括以下步骤：S01、无人机飞行参数设置与影像数据获取；
S02、建立乔木冠层三维模型，计算冠层体积；
S03、测算冠层单位体积的叶面积，获取乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数；
S04、建立常见乔木叶面积-体积换算系数数据库；
S05、乔木叶片单位面积滞尘量测算；
S06、整株乔木滞尘量测算。
实施例：
下面结合小叶榕滞尘量测算的实施例详细说明本发明，包括如下步骤：
S01、无人机数据获取：采用无人机可见光倾斜摄影和正射影像，获取乔木无人机监测数据。具体飞行参数为：飞行高度：树高1.5倍、树同高和树高一半的三个位置，对小叶榕进行环飞，获取无人机影像数据，其中高度参数可以根据树形进行调整。
S02、冠层体积计算：采用Smart3D软件，处理步骤S01获取的无人机数据，获取乔木冠层三维模型，测量树冠体积数据(V)。具体的采用圈选原则：冠层垂直投影最大面积，剔除树干体积，计算原理：立方柱积分。获取冠层东、南、西、北的上、中、下层共12个单元体的冠层体积数据以及冠层总体积。本实施例中获取的小叶榕冠层总体积为225.73m3。
S03、单位体积的叶面积测算：同步地，调查相应单元体单位体积内叶片数量。采用25cm*25cm*25cm立方体的镂空筐，在相应点位处框选，确定单位体积的叶片数量，每个点位3个重复。具体的，在上述每个点位采集20～30片叶子，并采用纸称重法测定单位体积内叶面积，取一张规则的A4纸，面积已知S1i，称取其重量W1i，将晾干的叶片放于纸上，用笔描出其叶片轮廓，然后用剪刀将描好的轮廓剪下，称取其重量Wi，则各位置待测叶片的面积(Si)为：Si＝S1i＊Wi/W1i，如此，可获得单株小叶榕在各个方向和不同高度的叶面积数据，继而计算出该冠层在各个方向和不同高的体积和叶面积之间的换算系数，最后取平均值获得单株乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数。
S04、建立常见乔木换算系数数据库：具体的，选取生长状态相同的同种乔木(n≥10)，基于上述方法获得该种乔木的换算系数，建立数据库。本实施例中，测算获得的小叶榕冠层体积和叶面积之间的换算系数为7.6。
S05，叶片采集与单位面积滞尘量计算：选取距最近一次雨量大于15mm的降雨7天以上进行采样(滞尘量调查时间为雨后经过连续时间观测确定的达到最大滞尘量时间)，根据树冠高度，将树冠等分为上、中、下3部分，使用枝剪在树冠东、西、南、北4个方向共12个方位采集25片状态良好没有虫害的健康叶片(对于叶片较小的榕树，相应增加叶片数量)，直接放在带编号的密封袋中，小心地进行收集，使得表面上的颗粒数量不受影响。为减少采样时间不同导致的误差，所有样品采集均在1天内完成。采用水洗法测定颗粒物质量：将采集的叶片放入浸泡在蒸馏水中2h，然后用镊子将叶片从浸洗液中小心取出，冲洗干净，使用连接到真空泵的15mm布氏漏斗过滤溶液，将溶液依次通过一系列干燥的、预称重的滤膜过滤，所述过滤器由聚碳酸酯制成，孔径为10μm、3μm和0.15μm，设置三个空白组以进行对照。之后将滤膜在60℃下烘24h，然后置于干燥箱中放置恒温，再用万分之一天平称重，分别计算在过滤器上聚集的2个颗粒部分质量：3-10μm粗颗粒和0.15-3μm细颗粒，总质量为△mi。叶片面积测定(纸称重法)：取一张规则的A4纸，面积已知S1i，称取其重量W1i，将晾干的叶片放于纸上，用笔描出其叶片轮廓，然后用剪刀将描好的轮廓剪下，称取其重量Wi，则各位置待测叶片的面积(Si)为：Si＝S1i＊Wi/W1i；单位面积滞尘量(Pi)为：Pi＝Δmi/Si。本实施例中，小叶榕不同高度和方向的单位叶面积滞尘量如下表1所示，单位面积滞尘量为12个点位的均值，即滞尘量为0.0128mg/cm2。
Figure BDA0002203958770000081
表1
S06，乔木整株滞尘量测算：在库中检索匹配小叶榕冠层体积和叶面积换算系数(7.6)，将冠层体积数据换算为面积，进而计算乔木冠层滞尘总量(TM)：TM＝C＊V＊P＝7.6＊225.73＊10000＊0.0128＝219.59g/株，式中C为小叶榕冠层体积-叶面积换算系数；V为基于无人机技术测算的冠层体积；P为单位面积滞尘量，是12个点位的均值。
则通过以上步骤可以有效准确地测算处乔木整株滞尘量，为城市园林植物配置提供有效的数据信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01、无人机飞行参数设置与影像数据获取,无人机在设置的飞行高度对乔木进行环飞，并通过无人机可见光倾斜摄影和正射影像获取乔木的影像数据；
S02、建立乔木冠层三维模型，计算冠层体积,建立乔木冠层三维模型，并以冠层垂直投影最大面积、剔除树干体积的圈选原则，通过立方柱积分计算冠层体积；
S03、测算冠层单位体积的叶面积，获取乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数,通过单位体积的镂空框在乔木的样点处进行框选，然后确定单位体积内的叶片数量，并采用纸称重法测定该点位单位体积内的叶面积，继而计算出该点冠层体积和叶面积之间的换算系数；
S04、建立常见乔木叶面积-体积换算系数数据库；
S05、乔木叶片单位面积滞尘量测算,采集乔木叶片通过水洗法测定叶片上颗粒物质量和相应叶片面积，则单位面积滞尘量为叶片上颗粒物质量与叶片面积之比；
S06、整株乔木滞尘量测算,适用于已建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算采用以下公式：TM＝C*V*P，其中C为相应乔木冠层体积-叶面积换算系数，V为基于无人机技术测算的冠层体积，P为单位面积滞尘量；
适用于未建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算采用以下公式：
Figure FDA0003508059380000021
其中Vi为基于无人机技术建立的三维模型分别获取乔木不同点位对应的等分体积数据，Ci为乔木不同点位的冠层体积和叶面积间的换算系数，Pi为乔木不同点位的单位面积滞尘量。
2.根据权利要求1所述一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：所述步骤S01中，无人机飞行参数主要为飞行高度，无人机在设置的飞行高度对乔木进行环飞，其中飞行高度至少包括树高1.5倍、树同高和树高0.5倍三个高度。
3.根据权利要求1所述一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：所述步骤S03中，获取乔木各个方向和不同高度点的冠层体积和叶面积之间的换算系数，最后取平均值获得单株乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数。
4.根据权利要求1所述一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：所述步骤S04中，选取年龄、生长状态相同的同种乔木获取乔木冠层体积和叶面积之间的换算系数，进而建立常见乔木叶面积-体积换算系数数据库。
5.根据权利要求1所述一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：所述步骤S05中，获取乔木各个方向和不同高度点单位面积滞尘量，最后取平均值获得整株乔木叶片单位面积滞尘量测算。
6.根据权利要求1所述一种基于无人机的整株乔木滞尘量测算方法，其特征在于：所述步骤S06中，整株乔木滞尘量测算，包括适用于已建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算，以及适用于未建立起叶面积-体积换算系数数据库的整株乔木滞尘量测算。
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