本发明涉及地面测量领域，尤其涉及一种基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法。
背景技术：
叶面积指数的地面测量是山区资源环境调查、叶面积指数遥感反演算法构建的前提，其对于国土资源信息普查、遥感产品的标定与验证等至关重要，目前叶面积指数地面测量普遍采用光学观测方法，常用的仪器包括鱼眼相机、lai-2000等。这些测量方法在地形平坦情况下已经具备了较高精度，但是直接应用于山地这类具有复杂地形特征的地表时会带来较大的不确定性。
山地叶面积指数测量的不确定性根源于地形对植被宏观结构特征的调制，直观表现为相同观测高度角情况下，上坡方向植被在目视效果上比下坡方向浓密，这引起了叶面积指数地面测量方法中隐含的孔隙率在方位角方向的旋转不变性失效。孔隙率在方位角方向旋转不变性的失效本质上由光线传递的几何距离(即路径长度)的畸变决定。为了抑制地形对叶面积指数地面测量带来不确定性，已有处理方法是将仪器平行于倾斜地表摆放，这种处理方法虽然一定程度上减小了孔隙率在方位角方向的不对称性，但是由于植被的叶倾角空间分布特征主要受重力影响，其旋转不变性表现在全局坐标系而非局地坐标系中，因此平行于坡面摆放仪器将严重违背植被的向地生长性，最终引起叶面积指数测量误差；并且在野外实际操作时很难将仪器安置为严格平行于坡面的姿态；因此，有必要研究一种适用于山地的叶面积指数测量方法来提高山地叶面积指数的测量精度。
技术实现要素：
本发明目的是针对上述问题，提供一种有效提高测量精准度的基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，包括以下步骤：
s1、使用测量仪器得到山地植被孔隙率数据，并收集坡度、坡向以及观测天顶角、观测方位角数据；
s2、计算山地植被孔隙率与平地植被孔隙率之间的转换系数；
s3、通过转换系数将山地植被孔隙率数据转换为平地植被孔隙率数据；
s4、通过平地植被孔隙率数据计算得到叶面积指数。
进一步的，所述步骤s2中山地植被孔隙率与平地植被孔隙率之间的转换系数计算公式为：
其中，λ为平地植被孔隙率与山地植被孔隙之间的转换系数，θ为观测天顶角，φ为观测方位角，α为坡度，β为坡向。
进一步的，所述步骤s3中通过转换系数将山地植被孔隙率数据转换为平地植被孔隙率数据的转换公式为：
pf＝(ps)λ；
其中，pf为平地植被孔隙率，ps为山地植被孔隙率，λ为平地植被孔隙率与山地植被孔隙之间的转换系数。
进一步的，所述步骤s4中通过反向推导比尔定律计算出叶面积指数，比尔定律计算公式为：
其中，p为植被孔隙率，e为指数函数，即exponentialfunction，θ为观测天顶角，φ为观测方位角，l为路径长度，g为叶片投影函数，ρ为叶面积体密度；叶面积指数为叶面积体密度与天顶方向路径长度的乘积(由于植被的向地生长性，在天顶方向上，平地和山地的路径长度相同)。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明提出了一种基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，其基于植被辐射传输基本机理，考虑由地表倾斜引起的光线传输路径长度的畸变，首先将山地孔隙率转换为等效平地孔隙率，然后通过等效平地孔隙率来估算山地叶面积指数，克服了现有方法违背植被向地生长性、不便于实际操作的缺陷，显著提高了山地条件下叶面积指数的测量精度，并且本方法机理完备、计算简单且易于操作，具有显著的市场应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的框架流程图；
图2为真实平地孔隙率、山地孔隙率及等效平地孔隙率的比较示意图；
图3为不同山地叶面积指数估算方法的计算精度比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1、图2和图3所示，本发明由植被辐射传输基本机理出发，通过路径长度地形改正，实现山地孔隙率到等效平地孔隙率的转化，最后基于等效平地孔隙率来估算山地叶面积指数。
为了方便理解，首先对于技术方案中的关键词汇进行描述：
叶面积指数：单位水平地表面积上所有植被叶片表面积的一半，表征了植被、大气之间能量、物质交互的有效截面积，与植被的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等密切相关。
辐射传输路径长度：光线由植被冠层顶传递到冠层底时经过的几何距离。
孔隙率：光线沿着一定方向由冠层顶到达冠层底时未被叶片截获的概率，与植被结构密切相关，是叶面积指数地面测量方法的依据。
观测方位角：观测方向在水平面的投影与磁北方向间的夹角。
观测天顶角：观测方向与水平法线方向的夹角。
理论推导
植被具有向地生长性，因此满足水平方向的均匀假设，则植被冠层底的孔隙率可由比尔定律描述，即：
式中θ、φ分别为观测天顶角、方位角，e为指数函数，l为路径长度，g为叶片投影函数，取决于叶倾角分布且独立于地形。ρ为叶面积体密度(m2/m3)。叶面积指数可表示为叶面积体密度与天顶方向路径长度的乘积。
生长于水平地表的植被的路径长度可表示为：
l(θ)＝1/cos(θ)；(2)
而山地植被的路径长度则可表示为：
式中α、β分别为山地的坡度、坡向。可见，山地植被的路径长度除了与观测几何(高度角、方位角)有关外，还受地形影响。
将式(2)、(3)均代入(1)，消去地形无关项，可得山地孔隙率(ps)与平地孔隙率(pf)存在以下转换关系：
pf＝(ps)λ；(4)
两者转换系数λ可表示为：
因此山地叶面积指数地面测量时可以首先使用式(4)将山地孔隙率转换为其等效平地孔隙率，然后使用已有平地估算方法来得到最终的叶面积指数。
本发明流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)数据采集：使用常用测量仪器(如lai-2000、鱼眼相机等)得到山地植被孔隙率观测数据，并收集样地坡度、坡向。坡度、坡向可以在野外观测时记录，也可以在业内作业时由已有的dem数据获得。
(2)等效转换：使用式(4)、(5)将山地孔隙率转换为等效平地孔隙率。
(3)参数估算：通过反演比尔定律由等效平地孔隙率得到叶面积指数估算结果。实际操作时可以使用已有的叶面积指数计算软件，也可以手动创建查找表。
为了验证本发明方法的有效性，使用计算机模拟分析了相同冠层结构下平地和山地孔隙率的差异情况(如图2所示)。可见由于地形的存在，使真实平地孔隙率中方位角方向的旋转不变性消失，且在上坡反向观测天顶角过大时会引起视线被坡面遮挡(图中右侧部分)，即地形掩膜。使用式(4)得到的等效平地孔隙率重现了真实平地孔隙率中的旋转不变性。值得指出的是，孔隙率的等效转化无法重构出地形掩膜处的信息，但是由于叶面积指数估算时使用的是各观测高度角的平均孔隙率，因此这部分信息损失不会对叶面积指数估算带来过大影响。
图3是不同方法估算的山地叶面积指数精度比较，由图3可见，常规方法得到的叶面积指数会存在明显低估，且坡度越大低估越明显。本技术方案的计算精度明显优于现有方法的叶面积指数计算精度，叶面积指数的低估现象基本被消除。
本发明提出了一种基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，其基于植被辐射传输基本机理，考虑由地表倾斜引起的光线传输路径长度的畸变，首先将山地孔隙率转换为等效平地孔隙率，然后通过等效平地孔隙率来估算山地叶面积指数，克服了现有方法违背植被向地生长性、不便于实际操作的缺陷，显著提高了山地条件下叶面积指数的测量精度，并且本方法机理完备、计算简单且易于操作，具有显著的市场应用价值。
1.一种基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
s1、使用测量仪器得到山地植被孔隙率数据，并收集坡度、坡向以及观测天顶角、观测方位角数据；
s2、计算山地植被孔隙率与平地植被孔隙率之间的转换系数；
s3、通过转换系数将山地植被孔隙率数据转换为平地植被孔隙率数据；
s4、通过平地植被孔隙率数据计算得到叶面积指数。
2.如权利要求1所述的基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，其特征在于：所述步骤s2中山地植被孔隙率与平地植被孔隙率之间的转换系数计算公式为：
其中，λ为平地植被孔隙率与山地植被孔隙之间的转换系数，θ为观测天顶角，φ为观测方位角，α为坡度，β为坡向。
3.如权利要求2所述的基于辐射传输路径长度改正的山地叶面积指数测量方法，其特征在于：所述步骤s3中通过转换系数将山地植被孔隙率数据转换为平地植被孔隙率数据的转换公式为：
pf＝(ps)λ；
其中，pf为平地植被孔隙率，ps为山地植被孔隙率，λ为平地植被孔隙率与山地植被孔隙之间的转换系数。
技术总结