[发明专利]一种利用植被冠层阴影提取叶面积指数与平均叶倾角的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用植被冠层阴影提取叶面积指数与平均叶倾角的方法，它与数字图像处理以及植被冠层分析有关，属于农业与生态学技术领域。 

背景技术

植被叶面积指数(Leaf Area Index:LAI)与平均叶倾角(θ_L)属于植被的结构信息，它们是影响太阳辐射在冠层内进行重新分配的重要因素。因此，获取LAI和θ_L对于研究植被对太阳入射能量的利用能力以及植被的生长发育状态具有重要的意义。 

从数字图像中提取LAI和θ_L是目前常用的冠层分析测量方法。根据测量仪器所采用的成像镜头的视场角大小不同，可以细分为常规视场摄影以及广角(半球)摄影。利用普通的数码相机配备常规的镜头(一般最大视场角小于60度)即构成了常规视场摄影，而广角摄影技术则是在普通的数码相机上配备广角镜头(最大视场角可以到达180度)，也有人称之为半球摄影。 

专利CN102538717A.叶面积指数自动观测系统及其方法及专利CN102778212A.一种利用数码相机获取水稻冠层叶面积指数的方法及装置的发明内容即是属于常规视场摄影技术，这些专利大都是基于单一时刻下的拍摄图像。由于利用单一时刻的常规摄影技术图像仅能提取一个观测天顶角下的冠层间隙率，因此，无法同时估算以上所述的两个冠层结构参数。专利CN101916438A.半球摄影法获取水稻冠层叶面积指数和平均叶倾角的方法利用半球摄影法能够同时获取这两个结构参数，但是，采用半球摄影的方法一方面增加了摄影传感器的成本，另一方面，半球投影成像的方式会造成成像区域边缘部分的变形，也会带来一定的数据处理困难。用以上方法进行冠层分析的时候，对于成像的条件有特定的要求，一般要求在天空散射光远远大于直射光条件下拍摄，即在阴天、 黎明或者黄昏时间，然后对拍摄图像通过数字图像处理，得到图像的分类图。从分类图中计算冠层间隙率，并进而估算LAI和θ_L，而对于单一角度图像，则只能得到LAI值，并且要求用户根据植被类型，预先指定θ_L的经验值。也就是说，在这种条件下，难以同时获取以上两个结构参数。一般情况下，在采用上述技术进行冠层分析的时候，难以做到全自动化处理，需要人工干预图像处理的过程。本发明针对当前冠层分析过程中难以同时获取LAI和θ_L的困难，实现了一种利用植被冠层阴影同时提取叶面积指数与平均叶倾角方法。利用太阳在一天内的入射角度变化，通过处理不同入射条件下的冠层照片，区分照片中冠层阴影与光照面积，提取多角度冠层阴影比，利用冠层投影理论进行冠层分析。由于本发明利用了太阳多角度观测数据，可以达到同时计算冠层叶面积指数与平均叶倾角的目的。与已有公开专利相比较，本发明具有分类方法简单，冠层分析过程自动化程度高的优点，对成像硬件设备要求简单，只需要与普通数字相机相结合，就能够做到冠层结构参数的自动估算。 

发明内容

1.目的：针对上述问题，本发明目的是提供一种利用植被冠层阴影提取叶面积指数与平均叶倾角的方法，它是利用从普通的数字照片中提取的植被阴影信息，实现植被冠层叶面积指数与平均叶倾角等结构参数的自动获取方法。 

2.技术方案：本发明为一种利用植被冠层阴影提取叶面积指数与平均叶倾角的方法，该方法由冠层阴影自动提取技术与冠层投影分析方法两部分组成，它们之间的连接关系如图1所示。 

2.1冠层阴影自动提取技术 

冠层阴影自动提取技术是从植被冠层照片中自动提取阴影在照片中所占的比例，我们称之为阴影比。该部分的实现流程如图2所示，具体实现步骤如下： 

步骤一：图像读入 

根据图像的路径信息读取图像内容到内存，并根据图像拍摄的标记信息，提取图像的拍摄时间，包括年、月、日、时、分、秒。每次读取一天之内的所有图像。 

步骤二：太阳高度角的计算 

根据用户提供的照片拍摄的经纬度信息以及成像时间信息，计算成像时的太阳高度角H。 

步骤三：颜色空间变换 

颜色空间变换是将影像的RGB(红、绿、蓝)颜色空间转变为HSV(色调、饱和度、亮度)空间，转换的过程是通过调用MatLab软件的RGB2HSV函数来实现的。 

步骤四：彩色图像灰度化 

彩色图像灰度化是通过从转换后的HSV空间中提取亮度维来实现的，由于亮度维能够反映冠层照片的整体亮度情况，利用亮度变化信息比较有利于区分图像中的阴影与光照部分。 

步骤五：背景阈值提取