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一種植被冠層間隙大小分布算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于評估植被冠層聚集效應的間隙大小分布算法，該算法收集植被冠層冠底間隙大小分布數(shù)據(jù)，創(chuàng)建測量間隙大小分布曲線Fm和冠層要素隨機分布條件下的間隙大小隨機分布曲線Fr；當Fm中間隙大小類型大于設(shè)定參數(shù)時，移除Fm中最大的一個間隙大小類型，創(chuàng)建新的曲線Fm及其對應的Fr，否則計算終止；開始間隙大小移除循環(huán)，當Fm中間隙大小類型數(shù)量大于默認參數(shù)，或者兩次之差大于默認參數(shù)，或者Fm曲線位于Fr曲線上時，循環(huán)繼續(xù)，當循環(huán)終止時得到Fmr；以Fm和Fmr數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算得到植被冠層聚集指數(shù)。該算法可大幅度提高算法的穩(wěn)定性及可靠性，為植被冠層葉面積指數(shù)地面測量及冠層聚集效應定量評估提供基礎(chǔ)參數(shù)。
【專利說明】一種植被冠層間隙大小分布算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及植被冠層聚集效應定量評估【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種植被冠層間隙大小分布算法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)為無量綱,它可定義為單位地表面積上所有綠色植物器官表面積的一半。作為表征植被冠層結(jié)構(gòu)的核心參數(shù)之一，LAI控制著植被冠層的多種生物物理和生理過程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環(huán)、降水截獲和能量交換等。目前LAI已廣泛應用于植被生長及生產(chǎn)力模型、作物生長模型、凈初級生產(chǎn)力模型、大氣模型、水文模型等模型以及林學、植物學、生態(tài)學、農(nóng)學等領(lǐng)域。[0003]植被冠層地面LAI測量方法主要分為直接測量方法和間接測量方法。直接測量方法歷史悠久、技術(shù)成熟、測量精度較高，但由于需破壞性采樣，費時費力，僅適用于小范圍測量。間接測量方法指通過測量其它相關(guān)參數(shù)來間接推導LAI，與直接測量方法相比具有經(jīng)濟、高效等特點，因此一般情況下植被冠層地面LAI測量均采用間接測量方法。間接測量方法包括相對生長測定法、斜點樣方法和光學測量法。目前主要采用光學測量方法測量植被冠層LAI，該測量方法所使用的儀器主要包括LA1-2000、HemiView, TRAC, DHP (DigitalHemispheral Photography,半球攝影方法)和SunScan等。大量研究表明，與直接測量方法相比，LAI光學測量方法通常會低估LAI約20%~50%，地面LAI光學測量方法低估主要由植被冠層聚集效應引起，因此開展植被冠層聚集效應定量評估對應地面LAI間接測量精度及可靠性至為重要。
[0004]傳統(tǒng)LAI光學測量方法理論模型均為間隙率模型，該模型假設(shè)冠層基本組分為混濁介質(zhì)，即空間分布為隨機分布。實際上絕大部分植被冠層的基本組分空間分布均不隨機，即冠層基本組分存在聚集效應。植被冠層內(nèi)部兩個尺度(冠層基本組分和冠層基本組分內(nèi)部)均存在聚集效應，因而可分為冠層基本組分聚集效應和冠層基本組分內(nèi)部聚集效應，因而聚集指數(shù)又可分為冠層基本組分聚集指數(shù)(Ωβ)和木質(zhì)組分聚集指數(shù)(Ω》。鑒于植被冠層三維結(jié)構(gòu)的高度復雜性和異質(zhì)性，目前常見的冠層聚集效應定量評估算法不多，主要有3種:間隙大小分布算法、有限長度平均算法和偏析系數(shù)理論算法。間隙大小分布算法認為在同一植被冠層間隙率條件下，不同的冠層聚集效應其所對應的間隙大小分布數(shù)據(jù)各不相同，因而間隙大小分布數(shù)據(jù)可用于定量描述植被冠層要素聚集效應。間隙大小分布數(shù)據(jù)中非隨機分布的間隙大小類型則采用間隙移除法逐一移除，其采用間隙移除法移除大間隙前后的間隙大小分布數(shù)據(jù)可直接用于植被冠層聚集指數(shù)計算。間隙大小分布算法目前已被TRAC、DHP測量方法所采用。
[0005]傳統(tǒng)的間隙大小分布算法在間隙大小分布數(shù)據(jù)較少時，其間隙大小移除方案無法自動終止間隙大小移除循環(huán)，從而導致算法計算結(jié)果異常，同時算法未提供合理的間隙大小移除方案，從而引起不同的間隙大小移除方案其計算結(jié)果不一。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種植被冠層間隙大小分布算法，該算法準確度高，穩(wěn)定可靠，使用效果好。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種植被冠層間隙大小分布算法，包括以下步驟:
步驟10:收集植被冠層冠底間隙大小分布數(shù)據(jù)；
步驟11:統(tǒng)計步驟10獲取的數(shù)據(jù)中各間隙大小類型累積間隙率，并按間隙大小升序排列，形成第一測量間隙大小分布曲線;
步驟12:計算所述第一測量間隙大小分布曲線/^對應的冠層要素隨機分布條件下的第一間隙大小隨機分布曲線/^1 ;
步驟13:當所述第一測量間隙大小分布曲線Awl的間隙大小類型數(shù)量小于等于第一默認參數(shù)，或第一測量間隙大小分布曲線/部分位于第一間隙大小隨機分布曲線A1之下時，間隙大小移除步驟結(jié)束，所述第一測量間隙大小分布曲線即為最終的曲線/^并轉(zhuǎn)至步驟17 ；
步驟14:移除所 述第一測量間隙大小分布曲線/^中最大的一個間隙大小類型，形成第二測量間隙大小分布曲線&2，并計算所述第二測量間隙大小分布曲線/對應的冠層要素隨機分布條件下的第二間隙大小隨機分布曲線A2;當所述第二測量間隙大小分布曲線的間隙大小類型數(shù)量小于等于第一默認參數(shù)，或由第二測量間隙大小分布曲線計算得到的-1|1[兄2(0)]與由第一測量間隙大小分布曲線/^1計算得到的-ln[i?al(0)]之差的絕對值
小于等于第二默認參數(shù)，或第二測量間隙大小分布曲線/部分位于第二間隙大小隨機分布曲線/^2之下時，間隙大小移除步驟結(jié)束，所述第二測量間隙大小分布曲線&即為最終的曲線/7,并轉(zhuǎn)至步驟17 ；
步驟15:進行間隙大小移除循環(huán):移除所述第二測量間隙大小分布曲線/^中最大的一個間隙大小類型，形成第三測量間隙大小分布曲線&3，并計算所述第三測量間隙大小分布曲線對應的冠層要素隨機分布條件下的第三間隙大小隨機分布曲線A3 ;
步驟16:當所述第三測量間隙大小分布曲線/的間隙大小類型數(shù)量大于第一默認參
數(shù)，且由第二測量間隙大小分布曲線&計算得到的_1η[^2(0)]與由第三測量間隙大小分布曲線/計算得到的-to[&3(O)]之差的絕對值大于第二默認參數(shù)，且第三測量間隙大小
分布曲線/全部位于第三間隙大小隨機分布曲線G3之上時，將所述第二測量間隙大小分布曲線數(shù)值清空，并將所述第三測量間隙大小分布曲線Fmz的值賦給所述第二測量間隙大小分布曲線&2，同時返回步驟15繼續(xù)循環(huán)，否則循環(huán)終止，所述第三測量間隙大小分布曲線Z^3即為最終的曲線/^ ;
步驟17:以步驟11得到的第一間測量隙大小分布曲線兄i，以及步驟13、14、15、16得到的曲線為基礎(chǔ)，基于間隙大小分布算法計算公式得到植被冠層聚集指數(shù)。
[0008]進一步的，所述步驟10中，采用包括光學測量、激光雷達測量等測量手段收集植被冠層冠底間隙大小分布數(shù)據(jù)。
[0009]進一步的，所述步驟11中，所述第一測量間隙大小分布曲線其橫坐標為間隙大小，縱坐標為該間隙大小在樣線的總間隙率。[0010]進一步的，所述步驟12中，所述第一間隙大小隨機分布曲線A1的計算步驟如下: 步驟121:累加所述第一測量間隙大小分布曲線兄i中所有間隙大小的間隙率，得到總
間隙率4 ;
步驟122:將所述總間隙率&代入公式(1)計算總面積指數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟10:收集植被冠層冠底間隙大小分布數(shù)據(jù)； 步驟11:統(tǒng)計步驟10獲取的數(shù)據(jù)中各間隙大小類型累積間隙率，并按間隙大小升序排列，形成第一測量間隙大小分布曲線Awl; 步驟12:計算所述第一測量間隙大小分布曲線/^對應的冠層要素隨機分布條件下的第一間隙大小隨機分布曲線Fr1 ; 步驟13:當所述第一測量間隙大小分布曲線Awl的間隙大小類型數(shù)量小于等于第一默認參數(shù)，或第一測量間隙大小分布曲線/部分位于第一間隙大小隨機分布曲線A1之下時，間隙大小移除步驟結(jié)束，所述第一測量間隙大小分布曲線即為最終的曲線/^并轉(zhuǎn)至步驟17 ； 步驟14:移除所述第一測量間隙大小分布曲線/^中最大的一個間隙大小類型，形成第二測量間隙大小分布曲線&2，并計算所述第二測量間隙大小分布曲線/對應的冠層要素隨機分布條件下的第二間隙大小隨機分布曲線A2;當所述第二測量間隙大小分布曲線的間隙大小類型數(shù)量小于等于第一默認參數(shù)，或由第二測量間隙大小分布曲線計算得到的-ln{Fm2(O)]與由第一測量間隙大小分布曲線/^1計算得到的-1η[&(?)]之差的絕對值小于等于第二默認參數(shù)，或第二測量間隙大小分布曲線/部分位于第二間隙大小隨機分布曲線/^2之下時，間隙大小移除步驟結(jié)束，所述第二測量間隙大小分布曲線&即為最終的曲線/7,并轉(zhuǎn)至步驟17 ； 步驟15:進行間隙大小移除循環(huán):移除所述第二測量間隙大小分布曲線/^中最大的一個間隙大小類型，形成第三測量間隙大小分布曲線&3，并計算所述第三測量間隙大小分布曲線對應的冠層要素隨機分布條件下的第三間隙大小隨機分布曲線A3 ; 步驟16:當所述第三測量間隙大小分布曲線/的間隙大小類型數(shù)量大于第一默認參數(shù)，且由第二測量間隙大小分布曲線&計算得到的-ln[i^2(0)]與由第三測量間隙大小分布曲線/計算得到的-lMJUCD)]之差的絕對值大于第二默認參數(shù)，且第三測量間隙大小分布曲線/全部位于第三間隙大小隨機分布曲線G3之上時，將所述第二測量間隙大小分布曲線數(shù)值清空，并將所述第三測量間隙大小分布曲線F價的值賦給所述第二測量間隙大小分布曲線42，同時返回步驟15繼續(xù)循環(huán)，否則循環(huán)終止，所述第三測量間隙大小分布曲線Z^3即為最終的曲線/^ ; 步驟17:以步驟11得到的第一間測量隙大小分布曲線/以及步驟13、14、15、16得到的曲線為基礎(chǔ)，基于間隙大小分布算法計算公式得到植被冠層聚集指數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于:所述步驟10中，采用包括光學測量、激光雷達測量等測量手段收集植被冠層冠底間隙大小分布數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于:所述步驟11中，所述第一測量間隙大小分布曲線兄i，其橫坐標為間隙大小，縱坐標為該間隙大小在樣線的總間隙率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于:所述步驟12中，所述第一間隙大小隨機分布曲線A1的計算步驟如下: 步驟121:累加所述第一測量間隙大小分布曲線兄i中所有間隙大小的間隙率，得到總間隙率4; 步驟122:將所述總間隙率&代入公式(1)計算總面積指數(shù):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于:所述間隙大小移除的方法為:每次從對應的間隙大小分布曲線中移除間隙大小最大的一個間隙大小類型，而不管該間隙大小類型是否在對應的間隙大小分布曲線中存在多個數(shù)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植被冠層間隙大小分布算法，其特征在于:所述步驟17中，所述植被冠層聚集指數(shù)的計算方法如下:
【文檔編號】G01B11/28GK103900501SQ201410114451
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】鄒杰 申請人:福州大學