本公開涉及農(nóng)業(yè)氣象觀測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、葉面積指數(shù)(leaf?area?index，lai)是描述植被冠層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，對監(jiān)測作物生長狀況、評估生態(tài)環(huán)境變化及研究全球氣候變化等具有重要意義。傳統(tǒng)的lai測量方法如直接測量法、圖像分析法等，通常需要消耗大量的時間和人力，并且在測量時會對植被產(chǎn)生破壞性作用，不利于作物的持續(xù)監(jiān)測，為了解決上述問題，遙感觀測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于作物生長參數(shù)的定量估算中。
2、近年來，激光雷達(dá)(light?detection?and?ranging,lidar)技術(shù)因其高精度、高效率和無損測量的特點，在植被結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取方面展現(xiàn)出巨大潛力。通過激光雷達(dá)技術(shù)獲取的三維點云數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對植被冠層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述，進(jìn)而用于lai的反演。例如，利用地基激光雷達(dá)(terrestrial?laser?scanning,tls)獲取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過體素化的方法對植被葉片回波點云進(jìn)行分割，這種方法的引入顯著提高了lai反演的準(zhǔn)確性。然而，現(xiàn)有的基于激光雷達(dá)技術(shù)的lai反演方法仍存在一些不足。例如，部分方法在數(shù)據(jù)處理過程中存在算法復(fù)雜、計算量大等問題，限制了其在實際應(yīng)用中的推廣。此外，針對不同生長階段、不同品種的植被，其冠層結(jié)構(gòu)特征存在差異，如何進(jìn)一步提高lai反演的精度和適用性，仍是當(dāng)前研究的重點。
3、綜上所述，本發(fā)明旨在提供一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)lai反演方法，該方法能夠充分利用激光雷達(dá)技術(shù)在獲取植被結(jié)構(gòu)參數(shù)上的優(yōu)勢，結(jié)合優(yōu)化的算法和模型，實現(xiàn)對植被lai的準(zhǔn)確、快速、無損測量，為精準(zhǔn)植被生長監(jiān)測和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本公開提供了一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演方法及系統(tǒng)，解決了植被生長監(jiān)測不及時不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。
2、根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演方法。該方法包括：
3、獲取植被生長全周期的激光點云數(shù)據(jù)；其中，激光點云數(shù)據(jù)包括植被冠層回波點云和地面回波點云；
4、對所述激光點云數(shù)據(jù)中的高度數(shù)據(jù)以預(yù)設(shè)時間間隔進(jìn)行概率密度統(tǒng)計并確定梯度最大點的高度；
5、根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面回波點云；
6、基于比爾朗伯原理對剔除地面回波點云后的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到植被葉面積指數(shù)。
7、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進(jìn)一步提供一種實現(xiàn)方式，所述獲取植被生長全周期的激光點云數(shù)據(jù)還包括：
8、對激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正后進(jìn)行異常值剔除。
9、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進(jìn)一步提供一種實現(xiàn)方式，所述根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面點包括：
10、采用循環(huán)布料模擬隨機濾波剔除地面回波點云，若剔除的地面回波點云最高超過所述梯度最大點的高度，則基于比爾朗伯原理對剔除地面回波點云后的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行反演；若否，則繼續(xù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面回波點云。
11、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進(jìn)一步提供一種實現(xiàn)方式，根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面點還包括：
12、以預(yù)設(shè)時間間隔進(jìn)行概率密度統(tǒng)計并確定第一個梯度下降最快的高度作為分割地面回波點云的最高高度，從而限制布料模擬隨機濾波的循環(huán)次數(shù)。
13、如上所述的方面和任一可能的實現(xiàn)方式，進(jìn)一步提供一種實現(xiàn)方式，基于比爾朗伯原理計算葉面積指數(shù)用公式表示為：
14、
15、
16、其中，fcover為植被冠層覆蓋度，p(θ)為孔隙度，μ為太陽天頂角的余弦cosθ，θ為激光雷達(dá)掃描角/太陽天頂角，g為單位面積內(nèi)所有植被葉子在與太陽入射垂直平面的平均投影，取經(jīng)驗值0.5，λ0為尼爾遜參數(shù)，取經(jīng)驗值-1，ncrop為植被冠層回波點云，ncropland為總點云。
17、根據(jù)本公開的第二方面，提供了一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：
18、獲取模塊，用于獲取植被生長全周期的激光點云數(shù)據(jù)；其中，激光點云數(shù)據(jù)包括植被冠層回波點云和地面回波點云；
19、處理模塊，用于對所述激光點云數(shù)據(jù)中的高度數(shù)據(jù)以預(yù)設(shè)時間間隔進(jìn)行概率密度統(tǒng)計并確定梯度最大點的高度；
20、處理模塊，用于根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面回波點云；
21、反演模塊，用于基于比爾朗伯原理對剔除地面回波點云后的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到植被葉面積指數(shù)。
22、根據(jù)本公開的第三方面，提供了一種電子設(shè)備。該電子設(shè)備包括：存儲器和處理器，所述存儲器上存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如以上所述的方法。
23、根據(jù)本公開的第四方面，提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如根據(jù)本公開的第一方面和/或第二方面的方法。
24、首先獲取植被生長全周期內(nèi)的激光點云觀測數(shù)據(jù)，將具有明顯數(shù)據(jù)缺失或錯誤的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，之后利用概率密度統(tǒng)計以及布料模擬隨機濾波方法濾除地面回波點云，最后基于比爾朗伯原理對剔除地面回波點云后的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到植被葉面積指數(shù)。
25、本公開的有益效果包括：(1)提高生產(chǎn)效率：自動化的植被葉面積指數(shù)lai監(jiān)測能夠幫助精確監(jiān)測以及判定植被的發(fā)育情況，采取合適的措施，提高植被的品質(zhì)；
26、(2)降低植被監(jiān)測成本：傳統(tǒng)觀測手段需要依靠人工進(jìn)行觀察和記錄，使用算法進(jìn)行植被葉面積指數(shù)lai的自動化監(jiān)測能夠大大減輕人力負(fù)擔(dān)和勞動成本；
27、(3)推進(jìn)智能發(fā)展：基于物理模擬的方法對植被葉面積指數(shù)lai進(jìn)行觀測，有利于提高生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平和科技含量，從而促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展；
28、(4)提供數(shù)據(jù)分析與研究：通過收集大量植被葉面積指數(shù)lai，發(fā)現(xiàn)植被生長和發(fā)育規(guī)律的科學(xué)依據(jù)，有利于改進(jìn)種植技術(shù)和管理。
29、應(yīng)當(dāng)理解，
技術(shù)實現(xiàn)要素：
部分中所描述的內(nèi)容并非旨在限定本公開的實施例的關(guān)鍵或重要特征，亦非用于限制本公開的范圍。本公開的其它特征將通過以下的描述變得容易理解。
1.一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演方法，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取植被生長全周期的激光點云數(shù)據(jù)還包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面點包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述梯度最大點的高度對所述激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行布料模擬隨機濾波剔除地面回波點云還包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于比爾朗伯原理計算葉面積指數(shù)用公式表示為：
6.一種基于激光點云的植被葉面積指數(shù)反演系統(tǒng)，包括：
7.一種電子設(shè)備，包括：
8.一種存儲有計算機指令的非瞬時計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述計算機指令用于使所述計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的方法。