本發明屬林業，特別涉及一種基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法。

背景技術：

1、光照是植物光合作用的能量來源，植物的光合產物為其中的無數生物提供他們所需要的食物、氧氣和能源。林內太陽輻射的分布特征對作物接受的光輻射量有著至關重要的影響。目前對林下遮蔭范圍的確定主要分為實測和理論模型兩種方法，對光照模擬模型的研究則主要集中于幾何模型和統計模型兩大類別。樹冠的形態對太陽輻射傳輸模型的構建有著至關重要的作用，單株樹冠投影長度的定量計算、投影形狀和變化的定性討論、單株樹冠投影面積的近似幾何運算及采用簡單累加或矩形法近似計算非單株樹冠投影面積等均為構建模型的重點，但因為冠層結構存在較大的異質性，上述計算出現錯誤造成模型出現誤差。且針對光照分布研究方面僅限于運用經驗公式進行推導，或采用規整幾何形狀模擬林帶的遮陰狀態，而忽略了樹木本身的透光空隙，造成誤差。

2、如今，地面激光掃描儀(tls)的應用開啟了對理論遮蔭三維模擬的新篇章。不同于過去依賴于簡約三維結構的方法，tls技術能夠捕捉到樹木的詳細和真實的三維形態數據，利用這些詳細的點云數據，能夠創建出既準確又具有高度真實感的樹木三維模型。一系列三維輻射傳輸模型的開發也為理解冠層與太陽輻射之間的精細相互作用提供了可能。其中less(large-scale?remote?sensing?data?and?image?simulation?framework)光輻射傳輸模型可以模擬光子在整個場景中的傳播過程，從而模擬防護林帶對太陽輻射的削弱，是一個既能表達真實場景結構又能高效率模擬大場景的三維輻射傳輸模型。因此，less光輻射傳輸模型為林網內遮蔭面積的研究提供了高度精確和可視化的工具，具有廣泛的應用前景和重要的科學意義。

技術實現思路

1、本發明針對當前林網內光照分布研究僅限于運用經驗公式進行推導，或采用規整幾何形狀模擬林帶的遮陰狀態，忽略了樹木本身的透光空隙，造成誤差缺點，提出利用激光雷達技術獲取林帶點云數據，通過點云處理、單木分割、模型構建與模擬等步驟，精確快速獲得農田防護林網遮蔭面積方法。本發明采用如下技術方案：

2、一種基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，包括如下步驟：

3、步驟1)使用激光雷達掃描農田防護林帶，獲取農田防護林帶三維點云數據；

4、步驟2)對獲取的三維點云數據進行點云預處理；

5、步驟3)采用所述預處理過的點云數據構建單木體素空間；

6、步驟4)對單木體素空間采用less光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊進行遮蔭范圍模擬。

7、可選的，所述步驟1)中，采用地基式激光雷達掃描儀在林帶中布站點掃描，采集農田防護林帶中所有樹木的三維點云數據。

8、可選的，所述步驟2)中，所述預處理包括：點云拼接、點云裁剪、去噪、抽稀。

9、可選的，所述步驟2)中點云拼接包括：為采用激光雷達的gps定位系統完成自動拼接。

10、可選的，所述步驟2)中利用cloud?compare軟件進行點云裁剪、去噪、抽??；

11、所述抽稀采用基于空間的抽稀方法，并設置采樣距離為0.005米。

12、可選的，所述步驟3)中，所述單木體素空間中的單個體素大小定義為10cm。

13、可選的，所述步驟3)中，采用cloud?compare軟件對點云進行單木分割的方式來獲取單木點云，采用單木點云構建單木體素空間。

14、可選的，所述步驟3)中構建單木體素空間包括：通過計算點云中每個點相對于點云空間最小坐標點的偏移，來確定每個點屬于哪個體素，遍歷所有可能的體素位置，計算體素的中心點，并將所述中心點添加到新的點云數據集，對于新點云中的每個點，根據體素的尺寸創建以這些點為中心的立方體，所有的立方體集合得到最后的樹木骨架。

15、可選的，所述步驟4)中對單木體素空間采用less光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊進行遮蔭范圍模擬包括：采用less光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊對每個像素所屬的四分量進行計算，所述四分量包括：光照土壤分量；光照葉片分量；陰影土壤分量；陰影葉片分量；根據像素的四分量中陰影土壤分量所占比例的最大時，判定該像素為陰影土壤像素；最后將全部陰影土壤像素的面積求和即形成遮蔭范圍。

16、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

17、本發明借助激光雷達技術和計算機建模算法，改善了傳統林網遮蔭面積觀測工具及方法的局限性，提高了精確度和全面性。

技術特征：

1.一種基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟1)中，采用地基式激光雷達掃描儀在林帶中布站點掃描，采集農田防護林帶中所有樹木的三維點云數據。

3.根據權利要求1所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述預處理包括：點云拼接、點云裁剪、去噪、抽稀。

4.根據權利要求3所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟2)中點云拼接包括：為采用激光雷達的gps定位系統完成自動拼接。

5.根據權利要求3所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟2)中利用cloud?compare軟件進行點云裁剪、去噪、抽??；

6.根據權利要求1所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述單木體素空間中的單個體素大小定義為10cm。

7.根據權利要求6所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟3)中，采用cloud?compare軟件對點云進行單木分割的方式來獲取單木點云，采用單木點云構建單木體素空間。

8.根據權利要求7所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟3)中構建單木體素空間包括：通過計算點云中每個點相對于點云空間最小坐標點的偏移，來確定每個點屬于哪個體素，遍歷所有可能的體素位置，計算體素的中心點，并將所述中心點添加到新的點云數據集，對于新點云中的每個點，根據體素的尺寸創建以這些點為中心的立方體，所有的立方體集合得到最后的樹木骨架。

9.根據權利要求1所述的基于less光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，其特征在于，所述步驟4)中對單木體素空間采用less光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊進行遮蔭范圍模擬包括：采用less光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊對每個像素所屬的四分量進行計算，所述四分量包括：光照土壤分量；光照葉片分量；陰影土壤分量；陰影葉片分量；根據像素的四分量中陰影土壤分量所占比例的最大時，判定該像素為陰影土壤像素；最后將全部陰影土壤像素的面積求和即形成遮蔭范圍。

技術總結
本發明提出了一種基于LESS光輻射傳輸模型進行農田防護林網遮蔭面積模擬的方法，包括如下步驟：步驟1)使用激光雷達掃描農田防護林帶，獲取農田防護林帶三維點云數據；步驟2)對獲取的三維點云數據進行點云預處理；步驟3)采用所述預處理過的點云數據構建單木體素空間；步驟4)采用LESS光輻射傳輸模型的四分量模擬板塊進行遮蔭范圍模擬。

技術研發人員：肖輝杰,郭文芳,李宛盈,賈肖肖
受保護的技術使用者：北京林業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28