枇杷冠层内光分布模拟及光截获分析

为定量分析植物冠层结构对光截获的影响,以枇杷树为研究对象,模拟冠层内光的空间分布以及随时间变化情况. 实地测量获取树木形态结构参数,建立精细的三维虚拟植物模型,运用辐射度算法模拟光在冠层内的传输过程,分析冠层内光分布并以可视化的形式表达. 采用光截获效率分析指标STAR和相对光合有效辐射RPAR,探索冠层内光截获效率空间分布和日变化情况. 结果表明,枇杷冠层内光主要分布在向阳面的外围及中上层区域,背阴面的内膛及中下层区域光截获效率较低.     

基于PCA-BP多特征融合的油菜水分胁迫无损检测

针对油菜水分胁迫的无损探测,研究了利用冠层反射光谱、多光谱图像和冠层温度多信息融合对油菜含水率进行定量分析的方法.采用逐步回归法对含水率的多传感特征进行提取,通过测量分析冠-气温差,结合环境温湿度信息,获取了水分胁迫指数(CWSI)特征,并对光强影响进行了特征补偿.研究发现960,1 450,1 650 nm的光谱特征,560 nm处的可见光图像,960,810 nm处的近红外图像均值及960,810 nm图像比值特征与油菜含水率的相关性均较高.利用主成分分析法(PCA)对特征空间进行变换和降维,进而BP神经网络建立了油菜含水率的多传感特征预测模型.结果表明,该方法能够利用多信息的综合作用优势实现对油菜水分胁迫的定量分析,模型精度与单一检测方法相比有显著提高.     

点云空间分布的树木点剔除方法

针对树木点影响三维激光扫描仪获取沉陷区DEM精度的问题,根据树木点云的空间分布特点,采用一种基于点云空间分布的树木点剔除方法,构建以点为中心的虚拟立方体,及包围立方体内点集的子立方体,通过比较子立方体体积的大小来识别树木点并剔除.研究结果表明:该方法可以较好的剔除树木点并保留地面点,同时将地面点错分为非地面点的误差较小,具有一定实用价值.     

基于多光谱冠层成像仪的单株植物冠层体积及总面积指数测量误差分析

基于多光谱冠层成像仪(MCI)测量方法,开展龙眼树冠层体积及总面积指数测量研究,以地面实测数据为基础,重点分析MCI外方位元素(测站三维坐标及三个姿态角)测量、测站距离及测量方案(测站距离、体元及影像分区大小参数组合)三大误差来源及其对测量精度影响.研究发现,测站外方位元素解算精度受控制点成像质量、分布方式、控制点数目等因素影响显著;当体元、影像分区大小固定时,冠层体积及PAI参数测量结果受测站距离、测量方案影响整体较小,且偏差范围均小于8%,但少量方案存在测量结果不稳定性现象,其体积及PAI测量偏差可高达15%.     

建筑密度对城市热岛影响的多孔介质数值模拟

根据城市空间结构与多孔介质的相似性,在城市热岛效应的研究中引入了多孔介质理论,采用体积平均技术和雷诺时均方程法建立了适用于城市湍流流动与换热的多孔介质数学模型,并利用微尺度数值模拟计算结果的空间体积平均对模型的有效性进行了验证.采用建立的城市多孔介质数学模型,合理地考虑城市热源在城市冠层内的空间分布,研究了建筑密度对城市热岛强度的影响.结果表明:城市区域热岛强度随着地面孔隙率的增大而减弱,地面孔隙率每增加0.1,就会引起城市热岛强度减小0.36 K;在城市游的乡村地区,随着离开城市距离的增加,热岛强度逐渐消失;城市冠层底部的热岛强要显著高于上部,热岛强度随高度的增加几乎呈线性减小;城市对上空气流的影响可以延伸至5倍的城市冠层高度.     

北京大学校园夏季气象场的数值模拟

北京大学校园北部有未名湖等水域和树木冠层绿地, 与南部教学、生活区建筑物路面为主的布局在下垫面热力性质上存在显著差异。为定量研究夏季校园内不同区域气象场、舒适度的空间分布和时间变化, 为校园活动和游览提供参考, 利用北京大学城市冠层模式, 结合校园实际下垫面分布情况, 进行数值模拟研究。研究结果表明, 9 月份校园北部温度低于南部, 15: 00 温差可达 6. 7℃。路面上 由于潜热通量小, 温度高于其他下垫面, 和水面温差最大可达 10. 6℃。空气湿度北部高于南部。温度分布影响局地风场变化, 在 15:00 产生低温辐散流场。引入表征人体舒适度的温湿指数(THI) , 路面上有 50% 时间处于 “热”等级, 高于其他下垫面的20% 。研究结果可以为评估校园环境规划的气象效应提供科学依据。     

基于真实三维结构的玉米冠层生化参数垂直分布的定量化分析

为了定量研究作物生化参数在冠层中的垂直分布情况,本文以2000年栾城实验测量的玉米冠层自上而下不同叶位叶片的光谱数据为基础,利用PROSPECT模型进行反演,获得每层叶片的叶绿素(a b)含量、等效水厚度、干物质含量等叶片的生化参数.通过比较发现:玉米冠层叶绿素等含量生化参数具有明显的随高度垂直分层现象,最明显的就是叶片的叶绿素含量,最大和最小叶绿素含量的相对差值甚至可以达到最大值的79.1%.在此基础上,根据实测玉米冠层结构,利用扩展L系统生成玉米真实三维结构冠层场景.通过统计计算每层叶片的生化参数,进而得到冠层生化参数的垂直分布.这为进一步基于冠层光谱的参数反演和定量分析以及农业应用等研究奠定了理论基础.     

城市街谷内流场及污染物的实测分析

目的研究街谷内污染物质量浓度的日间变化规律和空间分布特征,温度和车流量与街谷内污染物质量浓度的关系,以便于分析城市绿化灌木对街谷内大气环境的影响.方法根据沈阳市典型街谷内的实测数据,采用ORIGIN软件分析沈阳市可吸入颗粒物的空间分布特征及其与风速、温度、车流量等要素的相关性.结果实测条件下街谷内的污染物分布受多种因素的影响,污染物质量浓度日变化呈现一定的规律性,峰谷值周期性出现;测量结果表明,在空间上,街谷内颗粒污染物质量浓度的垂直分布具有明显的分层特征,水平方向上则呈现近似对称分布的特点.结论微风条件下,街谷内颗粒污染物质量浓度主要受两个因素的影响:一个是背景质量浓度的变化;另一个是机动车排放物在街谷内的累积.街谷内污染物质量浓度的日间变化规律与背景质量浓度变化相似,与车流量并无直观的相关性.城市街谷内绿化树木对街谷内污染物分布与扩散的影响作用比较复杂.绿化树木对颗粒物有一定的吸附作用,但其也能阻碍污染物向街谷外扩散,从而引起街谷内污染物质量浓度的升高.     

颗粒增强复合材料有效模量的Voronoi单元有限元法分析

Voronoi单元有限元法在计算多相复合材料时比普通位移有限元法效率高,并且能够反映夹杂分布的随机性.用考虑界面脱层的Voronoi单元有限元法对代表性体积单元进行模拟得到应力场,再用直接均匀化方法进行平均,得到能够反映界面脱层对材料有效性能影响的平均应力-应变曲线和有效弹性模量.利用编写的可以对含任意夹杂代表性体积单元进行大规模计算的程序,对多个模型进行了数值模拟,分析了夹杂的形状、体积分数、空间分布等因素对材料有效弹性模量的影响,结果表明:具有较大有效弹性模量的模型一般在界面处有较大的应力集中,在加载过程中较早发生界面脱层.     

基于空间障碍球冠的UAV保角映射避碰决策

提出了一种基于空间速度障碍球冠的三维无人飞行器(UAV)最优避障方法.该方法采用空间速度障碍球冠,量化了UAV感知到的多动态障碍影响,通过对空间速度障碍球冠进行保角映射,使得对多威胁障碍物避碰问题的分析求解过程更加简单和直观,同时降低了多威胁障碍避碰分析的复杂度;在此基础上,给出了确定UAV对威胁障碍避碰的最优速度矢量方向决策方法.将其应用于在线路径规划,仿真结果验证了该方法的有效性和可行性.     

基于无人机遥感的绿化园林三维绿量估算与分析——以福州大学校区为例

三维绿量能够从立体空间上描述城市绿地的空间分布和定量评价城市绿化的环境效益。本文以福州大学为研究区，探讨了利用可见光无人机影像估算绿化树木三维绿量的方法，并对校园生态效益进行定量分析。首先获取高于10cm分辨率的无人机可见光遥感影像；其次结合可见光波段的光谱特征与无人机数据点云的高程特征获得研究区的冠层高度模型；然后通过局部最大值算法与标记控制分水岭算法提取单木树高、株数以及冠径参数，通过野外实测数据构建“树高-冠高”关系模型得到冠高；最后结合树种分布情况，按照不同的树冠形状构建三维绿量估算模型，并基于三维绿量估算校园不同树种的生态效益。结果表明：研究区内三维绿量总量达到了804405m3，其中休闲区的三维绿量总量为428566m3，占总绿量的53.3%，而科技园区的三维绿量总量为26568m3，仅占总绿量的3.3%；而常见树种中，三维绿量贡献最大的为榕树，达到404405m3，占三维绿量总量的50.3%，而丹桂贡献的三维绿量仅为509m3，占总绿量的0.063%。研究认为：基于无人机遥感数据，能够较好的估算出研究区内绿化树木的三维绿量。     

基于多站扫描的点云特征参数与材积结构动态分析

【目的】采用地面激光雷达(TLS)进行多站点扫描获取立木的点云信息,提取有关点云分布的特征参数,拓展立木测树因子,建立基于特征参数的材积模型。【方法】以马褂木(Liriodendron chinense)人工林为研究对象,利用点云数据提供的立木上部直径(d)、树高(H)等因子对两期(2014、2017年)林分结构变化进行分析;设计并提取基于TLS点云的特征参数高度累计百分比,同时提取了其他与高度相关的特征参数作为一组变量;将提取的立木胸径(DBH)与特征参数作为另一组变量;最后分析特征参数、胸径与材积的相关性,通过逐步回归法分别建立基于两组变量的材积模型,并分析两期材积的动态变化。【结果】选用特征参数H₂₅与H_{t, var}(点云高度方差)拟合两期材积模型,其决定系数R²分别为0.771 1、0.742 6;利用特征参数H₂₅与胸径拟合,模型预测精度有明显的提升。以上两组材积模型预测各径阶材积变化,其模型值与实测值无显著差异,R²均高于0.9。【结论】研究提取的高度累计百分比与立木测树因子紧密相关,可以很好地反演林木的动态结构。研究建立的材积模型均有较高的精度,可用于林木材积动态变化监测,为地面激光扫描点云参与森林资源动态监测提供理论参考。     

基于TLS数据的杨树削度方程建立及材积估算

【目的】削度方程可以很好地描述树干直径随树高变化的情况,基于地基激光雷达(terrestrial laser scanner, TLS)的高精度三维点云数据建立准确的削度方程并进行立木材积估算,对活立木尺度的材积估计具有重要意义。【方法】以江苏省黄海海滨国家森林公园杨树人工林为研究对象,获取4块样地的TLS点云数据,通过MATLAB 2020a软件计算点云平坦度和法向量以提取单木主干,采用圆拟合方法进行不同高度处的直径拟合,利用32株样木的数据,选取6种削度模型进行建模,得到杨树树干削度方程最优拟合模型,并进行材积估算。【结果】利用TLS数据提取的胸径能替代实测胸径,其平均误差小于0.90 cm。通过对6种模型的拟合优度检验,Schumacher and Hall模型为该地区杨树削度方程最优拟合模型,模型的决定系数R²=0.984,均方根误差为1.00 cm,相对百分误差为2.79%,平均预估误差为0.271%。利用Schumacher and Hall 削度方程最优拟合模型进行活立木材积的估算,经与二元材积方程估计结果进行对比,其相对差异为3.34%,二者在统计上无显著差异。【结论】该方法可以减少地面调查对树木造成的永久性破坏,为人工林的蓄积量调查提供有效的技术支持。     

影像重叠率和地面分辨率对基于无人机影像的树高估测精度的影响

植被冠层高度是一个重要的生态度量指标;无人机遥感技术为森林和城市景观中的树高快速估测提供了更经济、高效的途径,但目前基于无人机影像的采集条件对精确获取森林结构参数的影响还存在许多不确定的因素。本文以福州大学旗山校区为研究区,采集不同地面分辨率/航向/旁向重叠率无人机影像（5cm/90%/80%、10cm/90%/80%、5cm/65%/60%）,并实测了树高及冠幅。在软件中对无人机影像进行处理,生成研究区正射影像和三维点云;然后评价生成的地面数字高程模型的精度以及基于点云的局部最大值法提取树高;最后比较不同影像重叠率及地面分辨率下的树高估测精度。实验结果表明：较小的地面分辨率及较大的重叠率下的采集参数不仅生成的点云密度较高,重建更为完整,单木检测的F测度及树高估测精度更高,尤其是对于高度和冠幅较小的梧桐,而且当林下无灌木丛时有助于减小DEM误差。     

基于激光点云的树木三维几何建模系统的设计与实现

根据树木的几何拓扑原理,直接利用地面激光扫描仪扫描获得的活立木点云数据,提出了一种基于点云数据的树木三维高精度、真实感的快速重建技术,重点解决了树木骨架点的提取、枝条系统分级重建、模型交互式编辑等关键技术.应用结果表明,基于点云的树木三维几何建模系统能够克服传统树木建模精度低、效率低、形态逼真度差等不足,依据点云数据能快速高效地重建出忠实于现实树木形态结构的三维真实感模型.系统具有良好、灵活的交互性以及较强的实用性,可广泛应用于森林资源管理、精准农业、古树名木管理、园林规划设计等领域.     

Triangular Mesh Model Reconstruction from Scan Point Clouds Based on Template

For mesh reconstruction problems of point cloud models which have similar topological structure, a rapid and efficient method is presented to reconstruct triangular mesh surface. Based on projections of point cloud slicing that correspond to template sectional curves, the method constructs topological relevant information among discrete points, which makes unorganized points ordering and builds up optimal approximated B-spline curve, resamples every curve according to its curvature distribution and performes triangular mesh division on it. Finally, surface reconstruction is achieved. The experimental results demonstrate that the surface reconstruction is done as the point cloud hole is filled simultaneously.     

Triangular Mesh Model Reconstruction from Scan Point Clouds Based on Template

For mesh reconstruction problems of point cloud models which have similar topological structure, a rapid and efficient method is presented to reconstruct triangular mesh surface. Based on projections of point cloud slicing that correspond to template sectional curves, the method constructs topological relevant information among discrete points, which makes unorganized points ordering and builds up optimal approximated B-spline curve, resamples every curve according to its curvature distribution and performes triangular mesh division on it. Finally, surface reconstruction is achieved. The experimental results demonstrate that the surface reconstruction is done as the point cloud hole is filled simultaneously.     

基于无人机LiDAR的单木生物量估测

单木生物量是遥感反演大尺度森林生物量的基础,为提高森林单木生物量估测精度和效率,利用无人机LiDAR点云精确估算桉树、马尾松的单木生物量。首先通过优化算法,提取树高和冠幅,然后采用改进的凸包算法计算树冠面积与体积,把单木结构参数引入CAR模型,构建单木生物量估测模型,并与线性模型进行比较。结果表明：（1）桉树样地树高、冠幅相关性系数R2分别为0.92、0.72;马尾松样地相关性系数R2分别为0.94、0.78,算法提取的树木参数与实测数据相关性较好。（2）改进的CAR模型的精度优于线性模型,桉树和马尾松样地R2分别为0.821、0.830,RMSE分别为17.731、19.149 kg/株。（3）CAR模型引入冠幅面积、体积等树冠因子的生物量模型拟合度更好、精度更高,其中桉树、马尾松样地R2提高了0.102、0.115,RMSE下降了4.484、5.683 kg/株。利用无人机LiDAR数据提取单木结构参数进行生物量估测可取得很好拟合优度和精度。     

浙江天童受损常绿阔叶林实验生态学研究(Ⅱ)：主要常绿树种的生长格局

运用年轮解析技术对中国东部常绿阔叶林常见树种米槠、木荷以及石栎的生长特征进行了研究.结果表明：(1) 米槠的径向生长和高生长速度均快于石栎和木荷;相比于米槠和石栎,木荷个体间的生长速度差异较大,不同径级之间的差异也较大;这表明木荷具有较强的生长可塑性和耐荫性,而米槠和石栎的生长较为稳定.(2) 依据个体由幼苗生长至林冠过程中（林冠进层）所经历的释压和抑制事件的多少划分了6种林冠进层类型,对比不同类型以及不同物种间的平均生长速度表明,个体所经历的释压和抑制事件越多,其平均生长速度越慢;木荷相比于米槠经历的释压和抑制事件较多,这扩大了两者林冠进层速度的差异.(3) 米槠和木荷表现出不同的生长格局——“米槠以不变应万变,木荷则随机应变”.因而在常绿阔叶林中,作为对光环境变化不同适应对策的综合体现,生长格局的分异是物种共存的重要机制.     

面向点云数据的复杂几何模型对象优化方法研究

针对高精度、高保真的点云数据在精简后点云数据重构网格精度降低误差增大的问题,提出了面向点云数据的复杂几何模型对象优化方法.首先通过空间八叉树法建立点云数据和网格的拓扑关系,并利用原始点云到重构网格的距离确定网格的误差,以目标精度为阈值,然后利用增点法对面片进行划分,最后根据插入点算法重新定位插入点.实验验证表明：利用该文方法对兔子和龙进行一次细分使得精简率90%兔子重构网格误差由0.81 mm提升到0.48 mm,精简率90%龙重构网格误差由0.36 mm提升到0.11 mm.