技术摘要：
本发明提供了一种基于智能移动端的红树林郁闭度调查方法，以解决当下郁闭度调查时人工方法效率低、误差高、主观性强、数据可比性和精度差的问题。基于智能移动端的红树林郁闭度调查系统与方法，由硬件单元、软件单元和标准调查流程组成，其中标准调查的流程包括以下步  全部
背景技术：
郁闭度(Crown  density/Shade  density/Canopy  closure)是森林资源调查中的 重要指标，指林冠的垂直投影面积与林地面积之比。早期用十分法表示，近年来随着资源调 查工作的广泛开展，对精度要求有所增加，也可以用百分数表示(国家林业局调查规划设计 院，2011a)。郁闭度作为描述森林生态系统的重要指标，对森林、林地、有林地和疏林地、林 层、小班等多项定义的划定提供了参考依据(国家林业局调查规划设计院，2011b)。 当前，实地测定郁闭度的方法有以下几类：目测法、树冠投影法、样线法和样点法。 其中，精度最高的是树冠投影法，测量方法符合郁闭度定义，但该方法效率很低，难以开展 大规模调查；其它方法则需要进行人为预估或随机取样以获取预估的郁闭度。由于上述方 法均需要通过人为主观判断郁闭度，人为误差对测定结果的影响很大。此外，基于仪器/辅 助设备测定郁闭度的方法，如管观测法、郁闭度测定器法、球面密度计法、冠层分析仪法等， 这些方法虽然通过仪器操作避免了纯粹的人工判断，但读数时依然需要人为判断，主观误 差和低效的问题依旧存在(中国农业百科全书编辑部，1989；李永宁等，2008)；同时，在进行 大面积野外调查时需要携带额外的专业观测设备和相应操作人员，增加了工作量和人力消 耗。 随着图像处理技术的发展，基于图像信息提取生态环境参数的方法和技术逐渐受 到关注。当前的图像法绝大部分通过鱼眼图像进行郁闭度的计算，鱼眼图像具有涵盖面广 的特点，能在相同拍摄面积内容纳更多的图像信息(余付蓉，2018)。但鱼眼图像存在图像畸 变问题，不能客观的反映拍摄面内物体的实际特征；此外，基于图像处理法在计算郁闭度 时，忽略了冠层的垂直投影面积和采样面积，使得统计的空间尺度出现差异，仅仅作为一种 估值法存在，不能科学、准确地表征郁闭度的定义，不具备数值间的可比性，难以为资源调 查与评估以及后续的规划利用提供数据支持。 智能移动终端(智能手机等)的快速普及可为郁闭度测定带来便利，其常用、便携、 快速高效的特性大大减轻了资源调查中冠层图像获取的工作量，无需专业的仪器操作人员 和操作培训，有极高的应用价值。同时，通过设计和规范图像采集流程和图像处理方法，可 有效避免因人为判别导致的主观性误差，提高调查数据的准确性和科学性。集成智能移动 端 标准调查流程 快速图像处理技术，有助于实现红树林郁闭度的高效和准确调查。 基于上述背景，本发明建立了一种基于智能移动端的红树林郁闭度调查方法，将 有助于提高森林调查数据获取的简便性、准确性和科学性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于智能移动端的红树林郁闭度调查方法，以解决当 4 CN 111598874 A 说　明　书 2/7 页 下郁闭度调查时人工方法效率低、误差高、主观性强、数据可比性和精度差的问题。 本发明提供了一种基于智能移动端的红树林郁闭度调查方法，由硬件单元、软件 单元和标准调查流程组成。 根据郁闭度定义，郁闭度的计算公式为： 式中：C，郁闭度；Si，样方内单 株植物的冠层垂直投影面积；Sj，调查时划定的林地面积。根据公式，本发明提供的方法在 进行郁闭度调查和计算时，依照如下原理工作：在调查样地内使拍摄设备与地表水平，自下 向上采集冠层图像，该图像中包含林冠与天空背景；主要利用图像二值化技术，将林冠像素 与天空像素分离，可得到当前画面内林冠像素值占比。再使用本发明的“拟合方程”法，取得 当前图片的像素大小与实际大小比例，可进一步得到拍摄画面内林冠面积的大小。由于拍 摄的照片相当于将画面内所有内容压缩到一个假想的二维平面上，因此拍摄的图片可理想 化为拍摄物的垂直投影面，计算得到的林冠面积即理想化的Si；整体图片的面积为理想化 的Si。由于单次拍摄的图像面积有限，不能完全覆盖调查样地；因此，为了满足资源调查中 对样地面积的要求，需要进行n次拍摄以取得指定要求的面积范围内图像。本发明中，采用 五点法布设样格内的图像采集点，方便后期图像标准化处理与数据提取。 具体的，所述硬件单元包括智能移动终端模块、拍摄固定模块、测距模块和服务器 模块；所述软件单元包括智能移动端程序模块和服务器端程序模块，采用C/S架构。 进一步的，所述硬件单元中的智能移动终端模块，包括但不限于搭载安卓系统、可 运行移动端程序模块的智能手机。 进一步的，所述硬件单元中的拍摄固定模块，指固定安卓智能终端的稳定装置。优 选的，智能安卓手机可使用自拍杆。 进一步的，所述硬件单元中的测距模块，指通过光学方法完成距离测定的仪器；优 选的，可使用便携的手持式激光测距仪。 进一步的，所述硬件单元中的服务器模块，指搭载Windows系统，可运行服务器端 程序模块的计算机。 进一步的，所述软件单元中的移动端程序模块，指在安卓系统上运行的应用程序， 通过该程序完成数据采集、资料传输、数据导出与显示。智能移动端程序模块具有“新建图 像”功能、“数据管理”功能、“郁闭度计算”功能和“终端账户管理”功能。 进一步的，所述软件单元中的服务器端程序模块，指在Windows系统上运行的程 序，通过互联网与移动端建立联系并完成图像处理和数据管理等操作。服务器端程序模块 具有数据管理功能、数据处理功能(包括郁闭度计算等)和用户管理功能。 具体的，所述标准调查流程，其特征在于，通过以下步骤实现郁闭度的测定：S101 软件和硬件的配置、S102调查样方与图像采集标准设计、S103图像数据采集、S104数据计算 和管理。 所述步骤S101，包括如下步骤：(1)移动端和服务器端程序安装；(2)建立用户账 户；(3)数据模版建立；(4)拟合方程建立；(5)拍摄固定模块和测距模块调试。 进一步的，所述步骤S1012，指通过移动端申请并建立的用户账户。 进一步的，所述步骤S1013，指通过移动端“新建图像”功能中的“模板管理”子功 能，建立自定义的数据模板。优选的，可参考预设模板建立需要的数据模板。 5 CN 111598874 A 说　明　书 3/7 页 进一步的，所述步骤S1014，通过移动端“新建图像”功能中的“拟合方程”子功能， 建立当前移动设备与拍摄物间的拍摄距离拍摄面积关系的线性拟合方程。经测试，拍摄物 的直线距离与拍摄物的像素值符合线性函数关系，即： 式中：Y，拍摄物到拍摄 点的直线距离；Xp，拍摄物在图像中的像素值；a、b，移动设备决定的常数值。由于手机拍摄 照片的长宽像素是固定的，在确立了拟合方程后即可通过计算得到拍摄面的实际面积。 进一步的，所述步骤S1015，指确保模块的状态良好，使拍摄固定模块能正常固定 移动设备不滑落，测距模块能准确测定直线距离。 所述步骤S102，指在进行森林资源调查时，遵循五点法图像采集原则，提前设计方 案并实地选取标准调查样地的过程。优选的，面积标准为：一个标准样方有600m2，由6个10m ×10m的样格组成，且每个样格周边需要预留10m的缓冲区。图像采集标准为：在样格中按照 五点取样法进行图像采集，即在样格2条对角线的四等分点采集图像，中心位置只采集一 次；图像采集时，按顺时针顺序先采集四个角的图像，再采集中间的图像，依次编号为时间- 样地编号-样方编号-样格编号-图像编号(依次为1/2/3/4/5)。不适用先四角再中间的情 况：对于一些较高的树(10m以上)，可能单次测量就超过100m2，此时只需采集一次图像即可 满足样格面积，这种情况下不在四角取样，需要在样格的中心取样。 所述步骤S103，包括如下步骤：(1)数据组建立；(2)图像采集；(3)参数录入；(4)图 像覆盖总面积初判。 进一步的，所述步骤S1031，指通过移动端“新建图像”功能的“选择组”子功能建立 数据储存组，该组可用来管理单条数据，并查看当前组内的总测定面积。可按照“日期-样 地-样方”的格式进行数据组命名。数据组在新建时将设定数据模板，之后作为组的固有属 性存在。 进一步的，所述步骤S1032，指通过移动端“新建图像”功能，对调查样地进行图像 数据的采集操作。优选的，使用手机自带的陀螺仪校正角度，使X轴≤±1 .5°且Y轴≤± 1 .5°；通过五点取样法，在样格内的采集点上，以先顺时针四角后正中心位置进行图像采 集，保持手机朝向一致。 进一步的，所述步骤S1033，指通过拍照界面的“参数录入”选项，填写自定义模板 内的所有自定义数据；同时，使用测距模块测量移动设备到植被冠层的垂直直线距离，录作 “冠层高度”。测距点的选取需要注意冠层的集中情况，应选择最为集中的冠层区域进行测 量。 进一步的，所述步骤S1034，指通过拍摄界面的“组内面积”选项或“数据管理”功能 中的“数据查询”子功能——“数据组信息”，查看已采集样点是否达到样格的采样要求，即 覆盖10m×10m调查面积，在100-120m2最宜。 所述步骤S104，包括如下步骤：(1)移动端工作模式设置；(2)移动端的数据传输； (3)服务器端图像处理与郁闭度计算；(4)结果返回与管理。 进一步的，所述步骤S1041，指基于野外实地通讯状态选择智能移动终端的工作模 式，包括联网工作模式和断网工作模式2种。 进一步的，所述步骤S1042，指基于选择的工作模式进行已采集图像和相关数据的 上传或保存处理。联网工作模式下，选择相应图像数据，进行批量上传或实时上传，传输到 6 CN 111598874 A 说　明　书 4/7 页 服务器进行下一步的处理与计算。断网工作模式下，将已采集的图像数据批量保存在移动 终端，待通讯状态较佳时，进行传输操作；同时，可预约/设定传输情景，如通讯信号恢复时 立即自动传输、批量手动传输等。 进一步的，所述步骤S1043，指在服务器端对接收到的野外调查数据进行归类、标 准化和郁闭度提取。其中，(1)数据归类，是指根据设定好的命名规则，基于Python编辑器， 从服务器接收到的大批量数据中对同一样格和样方图像数据和距离数据进行归类整理，计 算和统计样格内各图像单位像素的实际面积。(2)数据标准化，是指基于单位像素实际面 积，确定图像数据放大/缩小倍数，并进行重采样；进一步地，基于经纬度和图像编号，通过 卷积运算实现图像拼接；最后，基于中心点生长法裁剪10m×10m区域的图像。(3)郁闭度提 取，是指基于Python调用matlab软件和图像二值化处理方法，实现郁闭度的快速和精确提 取；同时，以百分比形式，按照样格、样方和区域的层次逐级显示郁闭度、郁闭度均值、标准 差等参数。 进一步的，所述步骤S1044，指在服务器处理好数据后，将其传输回智能移动终端， 并在移动端实现以百分比形式，按照样格、样方和区域的层次逐级显示郁闭度、郁闭度均 值、标准差等参数。同时，可对处理结果进行可视化操作，如直方图、散点图等的简单可视化 显示；进一步地，可匹配经纬度坐标，在底图中进行红树林郁闭度的空间可视化显示和空间 插值操作。 本发明的有益效果是：建立了一种基于智能移动端的红树林郁闭度调查方法，集 成了智能移动端 标准调查流程 快速图像处理技术，有助于实现红树林郁闭度的高效精准 调查。基于便携的移动智能终端开展调查，可有效避免专业设备携带不便和专业操作人员 培训的问题，这种便携性在可进入性差的森林和红树林内具有显著的应用优势。同时，提供 联网和断网这两种工作模式以及图像文件的批处理功能，这对于在野外通讯信号较差区域 的大规模野外调查有突出的现实意义。此外，基于距离修正和图像处理的郁闭度快速提取 方法，可有效避免因人为判别导致的主观性误差，通过该方法能够准确、高效量化调查时获 得的采样面积，可精确、高效表征样地内的郁闭度特征。 附图说明 为了更清楚地说明本发明