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树冠信息是不可少的林分调查因子,反映了林木长期竞争水平[1-2]。无论是林业工作者还是研究人员越来越重视树冠信息的获取,随着航空航天遥感的发展,林业工作持续向精细化推进[3]。树冠冠幅是光学遥感测量的重点,准确测量地面树冠垂直投影面积对遥感冠幅提取的精度验证有较大帮助。
在一个开放、没有竞争、养分充足的理想环境中,树木通常会生长出非常对称的冠形,树冠的垂直投影区域会一直趋近于圆形[4-6]。但是实际环境中,为了获取更大的生长优势,无论是天然林还是人工林总会存在对生存环境的竞争现象,对于光线的竞争直接影响了树冠冠形,而此时的林木通常会形成不规则不对称的冠形,树冠偏向更为优势的生长空间,通常这种情况叫做树冠的偏冠现象[7]。由于偏冠现象的存在,林木不同方向上活枝长度会有较大差异,导致树冠垂直投影区域通常不会呈正圆形,传统的树冠投影面积计算方法是测量树冠活枝边缘投影到地面的位置到树干的水平距离[8-9],计算树冠不同方向的平均冠幅,将树冠视作正圆和椭圆计算出树冠垂直投影面积,可能会与真实面积存在一定差异。地面测量不同方向冠幅后绘制的树冠垂直投影区域图像与现在光学遥感影像提取的树冠冠幅区域对比是当前判定树冠提取精度的重要手段。
怎样通过获取的森林遥感影像有效的进行森林参数提取是当前研究的重点。单木分割,树种分类等研究都需要对整幅影像进行分割处理,只有在地面测量精度较高的情况下,以此来进行林业遥感的地面验证才具有实际意义,所以怎样获取真实冠幅面积的重要性大大增加,无人机遥感进行树冠冠幅提取的精度验证通常是对比单木东西冠幅,南北冠幅[10-12]或利用东西冠幅,南北冠幅进行树冠垂直投影面积[13-15]计算,对树冠采用近似圆的方法进行树冠面积计算时,由于实际林木生长情况的不同,林内竞争压力的不同,从而产生树冠偏冠现象,可能导致最终计算的树冠投影面积与真实值相差较大,因此,直接对树冠投影形状进行面积测量更为准确,本研究提出一种直接对树冠投影区域面积计算的方法,并研究了偏冠对于树冠投影面积计算的影响,证明基于树冠投影区域形状的面积计算能够更加准确的计算树冠投影区域面积,为林业遥感的进一步发展提供一定的参考。
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Bezier曲线现在广泛运用于各类图形处理软件中,在ArcGIS中的Smooth polygon命令中选择Bezier算法实现树冠投影面积平滑,结果如图4。
Figure 4. Calculation results of vertical projection area of tree crown (a. Straight line connection of crown width, b. smooth connection of Bezier curve, c. superposition comparison of two kinds of crown width)
由图4可以看出,相较于直线连接的树冠边界,经过Bezier曲线平滑之后的树冠垂直投影面积更加真实树冠投影形状。所以选择Bezier曲线平滑后的图形面积作为真实树冠垂直投影面积。
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在ArcGIS中生成的树冠面图形,可以通过属性中的面积字段,直接计算当前面的面积。传统的树冠垂直投影面积计算,是将树冠投影图像作为圆或者椭圆,以平均冠幅作为圆的半径,以东西或南北冠幅作为长轴或短轴。本研究分别选择4向和8向冠幅的正圆和椭圆面积计算方法,结果见图5。
Figure 5. Different calculation methods of canopy vertical projection area and difference of canopy vertical projection area
由图5可以看出,8向冠幅正圆面积计算方法和椭圆面积计算方法和树冠垂直投影面积所得RMSE分别为0.423 0 m2和0.743 3 m2,4向冠幅正圆面积计算方法和椭圆面积计算方法和树冠垂直投影面积所得RMSE分别为1.368 5 m2和1.390 5 m2。可以看出,测量冠幅半径数量越多,计算结果越接近真实冠幅面积,同时,相比于椭圆的计算方法,把树冠视为正圆计算的结果更加接近真实树冠垂直投影面积。
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根据式5计算出每个树冠的CAI值,由CAI计算方法可以看出,树冠不同方向的冠幅长度直接影响了树冠偏冠指数的结果,将不同树冠垂直投影面积计算方法所得结果和树冠垂直投影面积差值与CAI进行相关性分析,结果见图6,表1。
8向椭圆面积差值
8-directional
crown ellipse
area D-value8向正圆面积差值
8-directional
crown circle
area D-value4向椭圆面积差值
4-directional
crown ellipse
area D-value4向正圆面积差值
4-directional
crown circle
area D-value0.315** 0.522** 0.180** 0.172** 0.000 0.000 0.000 0.000 Table 1. Correlation between CAI and vertical projection area of tree crown
由表1可以看出,不同树冠垂直投影面积计算方法所得结果和树冠垂直投影面积差值与CAI呈显著正相关。在计算树冠垂直投影面积时,正是由于树冠偏冠的存在,才导致了不同面积计算方式与真实面积的差异。
Effect of Partial Crown on Calculation of Vertical Projection Area of Crown
- Received Date: 2021-03-10
- Accepted Date: 2021-04-23
- Available Online: 2022-02-20
Abstract: