全 文 ：第 wu卷 第 x期
u s s y年 x 月
林 业 科 学
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基于高空间分辩率影像的林分冠幅估计 3
冯益明 李增元 张 旭
k中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 以高空间分辨率遥感影像 ±∏¬¦®…¬µ§的全色波段为数据源 o应用空间统计学半方差理论 o对郁闭度较高的
人工白皮松林冠幅尺寸进行较为准确地估计 ∀结果表明 }空间统计学半方差方法可以作为郁闭度较高纯林林分冠
幅估计的一种有效方法 ∀研究为解决林分冠幅的自动估计问题 o提供了一种新的手段与方法 ∀
关键词 } ±∏¬¦®…¬µ§影像 ~空间统计学 ~半方差 ~冠幅
中图分类号 }≥zx{ 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsx p stts p sw
收稿日期 }ussx p sw p tt ∀
基金项目 }国家 {yv课题/数字林业平台技术研究与应用0kussv„„us|sysl o国家自然科学基金/利用遥感技术预测人工林木材性质和利用
价值的研究0kvsuvswusl部分内容 ∀
3 李增元为通讯作者 ∀
Εστιµατινγ Φορεστ Στανδ Χροων Βασεδ ον Ηιγη Σπατιαλ Ρεσολυτιον Ιµαγε
ƒ ±¨ª ≠¬°¬±ª ¬ ±¨ª¼∏¤± «¤±ª ÷∏
k Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ρεσουρχεσ ανδ Ινφορµατιον Τεχηνιθυεσo ΧΑΦ Βειϕινγtsss|tl
Αβστραχτ } ˜¶¬±ª·«¨ ³¤±¦«µ²°¤·¬¦º¤√¨ ¥¤±§²©«¬ª«¶³¤·¬¤¯ µ¨¶²¯∏·¬²±µ¨°²·¨¶¨±¶¬±ª¬°¤ª¨2±∏¬¦®…¬µ§¤¶·«¨ §¤·¤¶²∏µ¦¨ o·«¨
¦µ²º± ²©³¯¤±·¤·¬²± • «¬·¨ …¤µ®°¬±¨ k Πινυσβυνγεαναl º¬·«µ¨ ¤¯·¬√¨ «¬ª«¦µ²º± ¦¯²¶∏µ¨ º¤¶¤¦¦∏µ¤·¨¯¼ ¶¨·¬°¤·¨§¥¼¤³³¯¼¬±ª·«¨
¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤°·«¨²µ¼²©¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶qŒ·¬¶¦²±¦¯∏§¨§·«¤··«¨ ¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤° °¨ ·«²§²©¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶°¤¼ ¥¨ ¤¶¤± ©¨©¨¦·¬√¨
°¨ ¤±¶²© ¶¨·¬°¤·¬±ª·«¨ ¦µ²º±²©³∏µ¨ ©²µ¨¶·¶·¤±§º¬·«µ¨ ¤¯·¬√¨ «¬ª«¦µ²º± ¦¯²¶∏µ¨ q׫¬¶¶·∏§¼³µ²√¬§¨¶¤±¨ º º¤¼¤±§°¨ ·«²§©²µ
¶²¯√¬±ª·«¨ ³µ²¥¯ °¨ ²©¤∏·²°¤·¨§ ¶¨·¬°¤·¬²± ²©©²µ¨¶·¶·¤±§¦µ²º±q
Κεψ ωορδσ} ±∏¬¦®…¬µ§¬°¤ª¨ ~¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶~¶¨°¬√¤µ¬²ªµ¤°~¦µ²º±
利用遥感技术测算森林资源一直是林业工作者不断探索和实践的内容 o过去林业上卫星遥感主要应用 א
测算蓄积量 ∀这种图像上很难测定出与蓄积量相关的测树因子 o只能采用大量的间接因子建立数学模型对林
分的蓄积量进行估测k赵宪文等 ousst ~侯长谋等 ousssl∀冠幅是测树中的一个重要因子 o如果能够准确地得到
林分的冠幅因子 o那么利用冠幅与胸径之间的相关性k许安芳等 ot||{ }盂宪宇 ot||| }邓宝忠等 oussvl o就可
以得到林分胸径等一些其他因子信息 o进而对林分蓄积进行较为准确地估计 ∀
随着遥感技术的飞速发展 o遥感图像的分辨率有了大幅度提高 o如 ±∏¬¦®…¬µ§卫星图像的空间分辨率现
已高达 s1yt ° o在这种高空间分辨率遥感影像上 o可以比较容易地直接测出散生木或者是郁闭度较小林分
的单株树冠幅k林辉等 ousswl ∀然而 o对于郁闭度较高的成片林分 o影像上无法识别到单株树 o直接测树冠很
难做到 ∀林分冠幅结构具有一定的空间分布特征k • ¤µµ¨± ετ αλqot||sl o从影像数据所表现的几何形状 !尺寸
和空间格局等角度去研究林分冠幅空间结构 o可以得到林分冠幅较为准确地估计k¬¯¯ ¶¨¤±§ ετ αλqot|{zl ∀
空间统计学是以区域化变量理论为基础 !以半方差函数为基本工具来研究分布于空间并呈现出一定的
随机性和结构性的自然现象的科学 ∀它提供了一个非常有效地分析和解释空间数据的方法k•²¥¨µ·¶²±o
t|{z ~ •²¶¶¬ετ αλqot||ul o其应用已被扩展到分析各种自然现象的空间异质性和空间格局 ∀本文选用空间统
计学中的半方差函数来研究影像数据的空间信息 o以期达到较为准确地估计林分冠幅的目的 ∀
t 半方差简介
111 半方差
区域化变量理论是以空间上任一距离分隔的两点上随机变量的差异为基础 o分析随机变量的空间自相
关性 ∀设 Ζkξl为区域化随机变量 o并且满足二阶平稳和本征假设 oη为两样本点空间分隔距离 oΖk ξιl和 Ζ
kξι n ηl分别是区域化变量 Ζk ξl在空间位置 ξι 和 ξι n η上的观测值 kι € t ou o, Νk ηll o则空间上具有相
同间距 η的 Νkηl对观测值的半方差计算公式为k • ¥¨¶·¨µot|{xl
Χkηl € tu Νkηl Ε
Νk ηl
ι € t
≈ Ζkξιl p Ζkξι n ηl u ktl
它是点对间差异的一半 o因此将 Χk ηl称为半方差 ∀
图 t 半方差图 v个基本参数
ƒ¬ªqt ׫µ¨¨¥¤¶¬¦³¤µ¤° ·¨¨µ¶²©¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤°
112 半方差图
以 Χk ηl为纵轴 oη 为横轴 o绘制出 Χ
k ηl随 η 增加的变化曲线为半方差图
k…∏µª¨¶¶ ετ αλqot|{s ~冯益明等 ousswl ∀从
图 t可以得到半方差图的 v个基本参数 }变
程 !基台值和块金方差 ∀变程 o它用来度量
空间相关性的最大距离 ∀一般来说 o随采样
点间距增大 o半方差值趋于增大 o使半方差
函数达到一定的平稳值时的空间距离叫做
变程 ∀当空间距离较变程大时 o半方差函数
仍保持其平稳值 ∀半方差函数在变程处达
到的平稳值叫基台值 o它反映采样数据的最
大差异量 ∀
u 试验数据
211 研究区状况
选择中国林业科学研究院内的白皮松
k Πινυσ βυνγεαναl人工纯林作为研究对象 o该林分是 t|u{年春用 v年生苗造林 o面积 s1xz «°u o株行距 t qyz °
≅ t qyz ° o现存活立木 {ss多株 o林分郁闭度大 ∀白皮松林分状况如图 u ∀
212 外业调查
对试验区进行了每木检尺调查 o实测了每株树位置 !东西方向与南北方向冠幅长 !胸径 !树高等因子 ∀数
据调查结果如表 t ∀
图 u 白皮松林分状况
ƒ¬ªqu ƒ²µ¨¶·¶·¤±§¶·¤·∏¶²© • «¬·¨ …¤µ® °¬±¨
表 1 外业调查数据表
Ταβ . 1 Ταβλε οφ φιελδ συρϖεψ δατα
树种
×µ¨¨¶³¨¦¬¨¶
冠幅k东西向l
≤µ²º± ²©
º ¶¨·p¨ ¤¶·Π°
冠幅k南北向l
≤µ²º± ²©
¶²∏·«p±²µ·«Π°
胸径
⁄¬¤°¨ ·¨µ¥µ¨¤¶·
«¨¬ª«·Π¦°
树高
×µ¨¨
«¨¬ª«·Π°
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ v1zs v1ss uv1szz x tw1x
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ u1ts u1|s ty1xxu t tu1z
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ w1ys y1ws uw1t|t y tx1s
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ x1us v1zs uv1{zv u tx1s
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ v1ys v1{s t|1xww u tw1x
白皮松
• «¬·¨ …¤µ® °¬±¨ u1vs w1us tz1vwz | tx1s
, ,
213 影像选择
选择 ussv年 tt月 ±∏¬¦®…¬µ§全色波段影像为数据源 o空间分辨率 s1yz °∀影像情况及研究区状况如图
vk图中多边形区域部分l ∀以全站仪在研究区内测了建筑物的墙边 !道路交叉口等影像标志点作为地面控制
点 o在 ∞µ§¤¶{1x中 o对影像进行几何校正 o校正时 o每个控制点的均方根误差均控制在 t个像元以内 o以保证
纠正后的图像具有较高的精度 ∀
ttt 第 x期 冯益明等 }基于高空间分辩率影像的林分冠幅估计
图 v 影像及研究区
ƒ¬ªqv Œ°¤ª¨ ¤±§µ¨¶¨¤µ¦«µ¨ª¬²±¬±©²µ°¤·¬²±
v 方法与分析
311 白皮松实际冠幅尺寸
根据外业对白皮松林每木检尺调查结果 o计算白皮松林东西
与南北方向冠幅总体平均值 ∀东西方向冠幅总体尺寸为 v1tz ° ~
南北方向冠幅总体尺寸为 v1t{ ° o东西与南北方向冠幅总体尺寸
差异不明显 ∀
312 影像切片进行白皮松冠幅估计
在影像上沿不同方向选择切片 o本文影像切片选择如图 w !x ∀
在 ∞µ§¤¶中 o将选择的切片全色波段像素数据以 „≥≤ŒŒ形式导出 o借
用自主开发的空间统计分析程序 o对切片像素值进行半方差分析 ∀
对切片 t !u求解得到的半方差图分别见图 y !z ∀从图 y可以看出 o
试验半方差函数的变程大约是 v1tx ° o这与白皮松实际外业调查得到的平均冠幅直径相差很小 ~从图 z可以
看出 o试验半方差函数的变程大约是 v1zs ° o这比白皮松实际外业调查得到的平均冠幅直径要大 o但差异并
不明显 ∀因此 }对郁闭度高的人工纯林林分 o由切片半方差函数可以粗略估计林分冠幅大小 ∀从图 y !z可
见 o切片半方差函数值表现出了一定的周期性 o这其中暗含着林分沿切片方向其冠幅具有某种重复性的空间
格局k≤∏µµ¤±ot|{{ ~• ²²§¦²¦® ετ αλqot|{{l ∀
图 w 影像切片 t
ƒ¬ª1w ƒ¬µ¶·¬°¤ª¨ ·µ¤±¶¨¦·¬²±
图 x 影像切片 u
ƒ¬ª1x ≥ ¦¨²±§¬°¤ª¨ ·µ¤±¶¨¦·¬²±
图 y 切片 t半方差图
ƒ¬ª1y ≥ °¨¬√¤µ¬²ªµ¤° ²©©¬µ¶·¬°¤ª¨ ·µ¤±¶¨¦·¬²±
图 z 切片 u半方差图
ƒ¬ª1z ≥¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤° ²©¶¨¦²±§¬°¤ª¨ ·µ¤±¶¨¦·¬²±
313 整体影像进行白皮松冠幅估计
在 ∞µ§¤¶中 o将整个白皮松林分影像全色波段像素值以 „≥≤ŒŒ形式导出 o借用自主开发的空间统计分析
程序 o对整个林分影像像素值进行半方差分析 ∀整个林分影像像素值半方差函数计算分东西 !南北 u个方
向 o用以确定林分影像像素值的半方差函数值是否存在各向异性 o结果如图 { ∀从图 {可以看出 o影像像素
utt 林 业 科 学 wu卷
值的半方差函数各向趋于同性 ∀为此 o对整个影像像素值半方差函数以各向同性进行计算 o结果如图 | ∀从
图 |可以看出 o整个影像像素值半方差函数的变程大约是 v qtz ° o这与白皮松实际外业调查得到的平均冠幅
直径基本吻合 ∀因此 o对郁闭度高的人工纯林林分 o整个林分影像像素值半方差函数的变程可以作为林分冠
幅尺寸的准确估计值 ∀从图 |还可以看出 o整个林分影像半方差函数值比较平滑 o缺乏切片半方差函数值所
表现出的周期性 o这是因为整个影像半方差函数值它所体现的是整体的一种平均 ∀
图 { 整个影像 sβ与 |sβ方向半方差图
ƒ¬ª1{ ≥¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤° ²© º«²¯¨¬°¤ª¨ ¬± sβ ¤±§|sβ §¬µ¨¦·¬²±
图 | 整个影像全方向半方差图
ƒ¬ª1| ’°±¬§¬µ¨¦·¬²±¤¯ ¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤° ²© º«²¯¨¬°¤ª¨
w 结论与讨论
空间统计学半方差方法 o可以作为对郁闭度较高的人工纯林林分冠幅进行有效估计的一种工具 ~影像切
片像素值半方差函数的变程 o可以作为人工纯林林分冠幅的粗略估计 o切片半方差函数值表现出了一定的周
期性 o体现了林分冠幅的某种重复性的空间格局 ~整个影像像素值半方差函数的变程 o可以作为人工纯林林
分冠幅尺寸较为准确地估计 o整个影像半方差函数值缺乏周期性 o它体现的是林分整体的一种平均 ∀
本文仅考虑了单一纯林中郁闭度较大林分的冠幅估计 o尚有如下问题需要进一步深入研究 }tl对纯林
林分 o但不同郁闭度 o应用半方差理论对冠幅估计的情况 ~ul对混交林分 o不同郁闭度 o其冠幅的估计情况 ~
vl对同种林分 o林分处于不同的经营阶段 o其冠幅的估计情况 ~wl不同空间分辩率影像对冠幅估计的影响 ∀
参 考 文 献
邓宝忠 o王素玲 o李庆君 qussv1 红松阔叶人工天然混交林主要树种胸径与冠幅的相关分析 q防护林科技 ow }t| p ut
冯益明 o唐守正 o李增元 qussw1 空间统计学在林业中应用 q林业科学 owskvl }zy p {v
侯长谋 o杨燕琼 o黄 平 o等 1usss q基于 • ≥ oŠŒ≥的马尾松林分蓄积量判读模型的研究 1 林业资源管理 ox }xx p x{
林 辉 o吕 勇 o宁晓波 1ussw q基于高分辨率卫星图像的立木材积表的编制 1林业科学 owskwl }vv p v|
孟宪宇 qt||| q测树学 1 北京 }中国林业出版社 oxt p {y
许安芳 o吴隆高 o胡中成 o等 1t||{1 杉木地理种源胸径与冠幅相关检验及其应用 q浙江林学院学报 otxkul }tvt p tvz
赵宪文 o李崇贵 qusst q基于/ v≥0技术的森林资源定量估测 o北京 }中国科学出版社 ot{ p wt
…∏µª¨¶¶×  o • ¥¨¶·¨µ• qt|{s q ’³·¬°¤¯ ¬±·¨µ³²¯¤·¬²± ¤±§¬¶¤µ¬·«°¬¦ °¤³³¬±ª ²©¶²¬¯ ³µ²³¨µ·¬¨¶Œ}·«¨ ¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤° ¤±§³∏±¦·∏¤¯ ®µ¬ª¬±ªq²∏µ±¤¯ ²© ≥²¬¯
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k责任编辑 石红青l
vtt 第 x期 冯益明等 }基于高空间分辩率影像的林分冠幅估计