用于监视树木生长的方法和装置的制作方法

专利名称：用于监视树木生长的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及森林管理系统，并且特别涉及用于检测呈现出异常生长的林分的系统。
背景技术：
林地的管理者负责管理在广袤地理面积上伸展的林分的生长和采伐。为了管理林分，管理者需要获知如下的事情，诸如，何时林分需要施肥、何时林分已经受到诸如风暴和雪崩等自然灾害的影响、或者何时受到害虫或者疾病的感染。因为森林管理涉及的区域太大，所以采用常规方法来对区域中的每个林分进行物理检查通常在成本上是不可行的。因此，需要一种系统，其能够使用远程收集的数据，来提醒森林管理者林分可能需要物理检查和/或主动管理。

发明内容
为了解决这些和其他的问题，本发明涉及一种使用远程收集的数据，对呈现出异常生长的林分进行识别的系统和方法。计算机系统接收包括许多林分的关注区域的至少两个图像。所述图像包括关注区域的先前图像和当前图像的红色和近红外像素数据。在一个实施例中，林分区域的边界重叠在图像上，并且确定在每个林分的区域中的像素的平均红色和红外数据值。根据平均红色和近红外值，计算每个林分的区域的植被指数(VI)值。确定根据先前图像为林分区域计算的VI值和根据当前图像计算的VI值之间的关系。将根据当前图像为林分区域计算的VI值与根据所述关系确定的相同林分的预测VI值进行比较。 将具有计算和预测VI值之间的足够大差值的那些林分标记为表现出可能的异常生长率的林分。在另一实施例中，本公开涉及存储有一系列指令的计算机存储介质，所述指令可以由计算机执行来实现下述方法通过在存储器中存储关注区域的第一图像和第二图像来识别关注区域中表现出非预期生长的林分，其中，所述第一和第二图像包括近红外和红色可视光像素数据。所述指令包括下述指令把第一图像和第二图像中的像素划分到与多个林分相关的组，以及确定第一图像和第二图像中与每一林分相关的像素组的植被指数值。 所述指令还包括如下的指令计算根据第一图像确定的VI值和根据第二图像确定的VI值之间的关系；把所确定的第一图像中与林分相关的像素组的VI值与通过所计算的关系确定的相同林分的预测VI值做比较以确定差值；以及使用所述差值来识别表现出非预期生长的关注区域中的林分。提供上述概述以用简化的形式介绍将在具体实施方式
部分中详细描述的概念。该概述无意标识所要求保护的主题的关键特征，也无意用来帮助确定所要求保护的主题的范围。


结合附图，通过参考以下的详细说明，将更好地理解所公开的技术的上述方面和很多伴随的优点，并且因此能够更容易地理解本发明的上述方面和伴随的优点，在附图中图1示出了根据本公开的能够实施用于监视树木生长的系统的计算机系统的一个实施例；图2示出了关注区域的时间间隔的图像对，和根据每个图像计算的植被指数的比较；图3示出了用于监视树木生长的根据本公开的一个实施例执行的步骤；以及图4示出预测植被指数值和计算的植被指数值之间差的曲线图。
具体实施例方式如上所述，本公开的主题涉及用于远程监视分散在所关注的地理区域的多个林分的树木生长的系统和方法。通常，森林管理者把林区内的树木划分或者分类到若干林分。这些林分通常被定义为包括同质树木的组，即，相同种类的树木、相同树龄的树木、在相同土壤类型中生长的树木等。替代地，可以按照诸如特定山坡上的树木或者由同一个人或者公司拥有的树木等等的法律或者地理边界来定义林分。森林管理者的一个任务是决定哪些林分需要检查和主动管理。主动管理可以包括诸如施肥、处理害虫或者疾病、间伐或者采伐的任务。如上所述，主动管理的大多数森林分散在广阔的地理区域中，使得采用常规方法来对每个林分进行物理检查变得花费太大或者变得不现实。因此，森林管理者必须常常在不实际检查每个林分的情况下决定如何来管理各种林分。管理林分的一个常用方法是使用远程获得的森林的图像，诸如卫星或者航拍图像。可以对这样图像进行分析以检测森林遮蔽的变化，其可以指示诸如风暴、山崩、雪崩等的自然灾害、或者害虫或者疾病的存在。虽然使用卫星或者航拍图像减小了物理检查地点的需求，但是这样的图像没有提供可给出与图像中包括的其他林分相比的特定林分的生长情况如何的信息。对于森林管理者而言有用的是，能够识别没有如预期那样生长的林分，从而可以做出在何处应用资源来改进林分的健康，或者对树木进行采伐的决定。图1示出了计算机系统50的框图，其用于识别没有如预期那样生长的关注区域中的林分。在所示的实施例中，从卫星20或者航空器(未示出)获取森林10的图像。在一个实施例中，从地球资源卫星成像系统(Landsat satellite imaging system)获取图像， 所述成像系统产生具有可视和近红外光谱带中的像素数据的图像。来自卫星或者航空成像系统的图像通常存储在远程计算机30中以用于诸如公有或者私有公司、大学、政府或者个人的感兴趣者购买和/或下载。计算机系统50执行在诸如CD-ROM、DVD、硬盘、闪速存储器等的计算机可读存储介质52中包含的一系列指令，其使得计算机系统分析森林的图像以及向森林管理者指示以非预期的速率生长的任何林分的标记等等。森林的图像可以显示在视频显示单元56上，利用打印机58打印在纸张或者其他介质上，或者存储在诸如硬盘(未示出)的计算机可读存储介质中供以后来分析。计算机系统50获得并且存储两个或者更多森林的图像。在一个实施例中，这些图像是指先前图像和当前图像。可以经由诸如因特网60的有线或者无线通信链路从远程计算机系统30获取这些图像。替代地，图像可以被存储在诸如⑶-ROM、硬盘等计算机可读存储介质中，并且可以从中检索出来。图2示出了森林的图像对70、72。图像优选的是时间上间隔的，诸如按一年的间隔获取的图像。此外，当前图像和先前图像还优选地在年度的相同时间获取，使得树木的树叶将会处于相似的生长阶段。在所示的示例中，第一图像70是先前图像，并且第二图像72是当前图像。通常，当前图像是在最近一年获取的森林图像。在先前图像和当前图像中的每个像素具有包括红色可视带和近红外带的多个带的光谱数据。如上所述，在一个实施例中， 图像是地球资源卫星(Landsat)图像。然而，也能够使用包括红色光谱和近红外光谱数据的其他卫星或者航拍图像。森林区域中的各单独林分的边界74重叠在图像70、72上，使得森林管理者能够同时查看森林的图像和各单独林分的边界。如上所述，可以通过法律或者地理边界来定义这些林分，或者可以通过诸如树木种类、树木年龄、土壤类型或者定义同质树木组的其他因素的其它标准来定义这些林分。为识别未如预期那样生长的林分，计算每个林分的植被指数(VI)。为了计算植被指数，对先前图像和当前图像中的林分的边界内的像素确定红色光谱带和近红外带的平均数据值。根据平均值，通过林分区域的平均红外数据值除以该林分区域的平均红色光谱数据来计算植被指数(VI)。然而，如本领域技术人员了解的，也可以使用用来计算植被指数的其他公式，例如，平均红色和红外光谱数据的总和与差值之间的比例。为了识别未如预期那样生长的林分，确定根据先前图像70计算的植被指数值和根据当前图像72计算的植被指数值之间的关系76。在本公开技术的一个实施例中，关系 76是回归函数，其定义了在根据森林的先前图像计算的植被指数值和根据森林的当前图像计算的植被指数值之间的最佳拟合线。回归函数通常采取下面的等式1的形式。VIx = α+C · VIp1+ε ⑴其中，VIx是根据在当前图像中的光谱数据计算的VI值，VIx^1是根据先前图像的光谱数据计算的VI值，α表示先前图像和当前图像之间的林分的整体生长率，并且C是回归的斜率，其表示具有较小植被指数的树木是否比具有较大植被指数的树木生长得更多， 或者反过来。值ε是误差值，表示当前图像中的林分的预测VI值与根据近红外和红色光光谱数据确定的VI值之间的差。在计算的VI值和预测VI值之间的误差或者差值是一林分较之关注区域的图像中包含的所有其他林分生长得如何的度量。为了识别没有如预期那样生长的林分，根据当前图像计算每个林分的VI值，并且与预测VI值比较。在一个实施例中，林分的预测VI值由公式α+OVIjri来确定，其中，α 和C是通过计算的回归函数而确定的常数，而VIjri是使用先前图像中的光谱数据对该林分计算的VI值。森林管理者对具有超过某一预定阈值的误差值ε (即根据当前图像计算的 VI和预测VI值之间的差)的那些林分进行标记作为可能表现出异常生长率的林分。在本发明的一个实施例中，已经发现用于一年间隔的地球土地资源图像的典型的回归函数具有以下形式VIx = 0. 805+0. 77VIX-1+ ε (2)其中，VIx^1是根据先前图像中的光谱数据确定的VI值，并且VIx是根据当前图像中的光谱数据确定的实际VI值。
图3示出了根据所公开技术一个实施例的通过计算机执行的一系列步骤，以识别没有如预期那样生长的林分或者树木的区域。虽然按照特定的顺序描述了示出的步骤，但是应该理解的是，可以以不同的顺序来执行所述步骤，或者可以执行替代的或者额外的步骤来实现所描述的功能。在100，计算机系统获取所关注的森林或者其他区域的至少一个当前图像和至少一个先前图像。在102，计算机系统将定义为多边形的林分边界重叠到当前图像和先前图像上。通常，通过森林管理者或者森林管理计算机程序来设置林分多边形，并且将其存储在数据库中，或者以其他的计算机可读格式来存储。在104，确定先前图像和当前图像中的林分多边形的区域中的像素的平均红色和近红外光谱数据值。在106，计算当前图像和先前图像中的每个林分多边形的VI值。在108，确定根据关注区域的先前图像计算的VI值和根据当前图像计算的VI值之间的关系。在一个实施例中，确定回归函数，其描述了对当前图像和先前图像中的林分计算的VI值之间的最佳拟合线。在110，计算机系统分析当前图像中的每一个林分多边形，并且确定根据当前图像计算的VI值和根据回归函数确定的预测VI值之间的差。在112，确定根据当前图像计算的林分的VI值与预测VI值相比，差值是否超过阈值。在一个实施例中，阈值被设置为大约 0. 5。替代地，森林管理者可以基于经验或者其他统计数据来设置阈值，以确定如何构成指示林分呈现异常生长的误差或者差值。如果在为林分计算的预测VI值和实际VI值之间的差大于阈值，则在114，对林分进行标记，以便于森林管理者或者职员进行可能的查看和/或物理检查。标记可以包括将林分涂上与周围林分不同的颜色，使得在视频图像或者在打印出的森林的图像的上能够视觉地分辨。替代地，计算机可以生成描述被标记林分的位置的列表。在116，确定是否已经分析了所有的林分多边形。如果是，则在118结束处理。如果否，则分析下一个林分多边形， 并且处理返回步骤110，直到已经分析了每个林分多边形。图4示出了在为当前图像中的林分计算的VI值与通过回归函数确定的预测VI值之间的差的代表性曲线。具有大于预测VI值的计算的VI值的那些林分通常表示健康的林分，并且其可能不需要进行任何额外的主动森林管理技术。然而，诸如点150表示的计算的 VI值和预测VI值之间的大的正差值可以表示诸如杂草的其它植被物正在林分的位置处生长。因此，还可以标记具有计算的VI值和预测VI值之间的异常大的正差值的林分，以用于可能的检查和/或处理。诸如通过点152所示的林分的计算的VI值和预测VI值之间大的负差值可以表示在该林分处已经发生了环境事件，诸如树木在风暴、山崩、或者雪崩中被吹倒。替代地，该处的树木也可能被非法采伐，或者受到了病虫害。因此，可以标记这些林分，以用于物理检查和可能的主动管理技术。可以标记诸如通过点巧4表示的中等的负差值，以用于检查或者可能的主动管理，诸如施肥，以改进相关林分中的树木生长。如本领域技术人员将理解的，本公开的技术允许森林管理者或者其他个人识别关注区域中呈现出异常生长的林分。森林管理者可以使用识别出的林分来确定是否要采用某些措施来改进林分中的树木健康。替代地，本发明还能够用于识别生长得特别好的林分。这样的信息可以用于研究这种良好生长的原因，其可以包括基因上容易导致高生长率的树木的识别。 虽然已经示出和描述了示出的实施例，但是应该明白，可以在不脱离本发明的范围的情况下，对其进行各种变化。例如，虽然用回归函数来描述根据先前图像和当前图像计算的VI值之间的关系，但是应该理解的是，也能够使用诸如曲线最佳拟合线等其他数值数据作图函数。因此，本发明旨在通过以下的权利要求以及其等价物来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于识别关注区域中呈现非预期生长率的林分的系统，包括计算机，所述计算机执行一系列程序指令，所述程序指令使所述计算机在存储器中存储关注区域的当前图像和先前图像，其中，所述当前图像和先前图像包括近红外和红色可视光像素数据；把所述当前图像和先前图像中的像素划分到与林分相关的组； 确定所述当前图像和先前图像中与林分相关的像素组的植被指数(VI)值； 计算根据所述先前图像确定的VI值和根据所述当前图像确定的VI值之间的关系； 把所确定的所述当前图像中与林分相关的像素组的VI值与根据所述关系确定的相同林分的预测VI值做比较，以确定差值；以及使用所述差值来确定所述林分是否正呈现出非预期生长。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述关系是回归函数。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，通过确定与林分相关的像素的近红外像素数据和红色可视像素数据的平均值的比率来计算与该林分相关的像素组的VI值。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机执行一系列指令，以打印被确定呈现非预期生长的林分的列表。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机执行一系列指令，所述指令使所述计算机显示林分的图像，其中，被确定为呈现非预期生长的林分被高亮显示。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述计算机执行一系列指令，所述指令使所述计算机存储那些被确定为呈现非预期生长的林分的指示。
7.一种存储有一系列指令的计算机可读存储介质，所述指令可由计算机执行，使得通过下述步骤执行识别关注区域中呈现非预期生长的林分的方法在存储器中存储所述关注区域的第一和第二图像，其中所述第一图像和第二图像包括近红外和红色可视光像素数据；把所述第一图像和第二图像中的像素划分到与若干林分相关联的组； 确定所述第一图像和第二图像中与每个林分相关的像素组的植被指数(VI)值； 计算根据所述第一图像确定的VI值和根据所述第二图像确定的VI值之间的关系； 把所确定的所述第一图像中与林分相关的像素组的VI值与根据所计算的关系确定的相同林分的预测VI值做比较，以确定差值；以及使用所述差值，以识别关注区域中呈现非预期生长的林分。
8.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，进一步包括用于在视频监视器上显示识别出的林分的指令。
9.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，进一步包括用于打印识别出的林分的列表的指令。
全文摘要
一种用于识别关注区域中呈现出异常生长的林分的系统确定根据关注区域的第一和第二图像确定的植被指数(VI)值之间的关系。根据该关系，确定每一个林分的预期或者预测VI值，并且将其与根据第一图像对于该林分计算的实际VI值进行比较。实际和预测VI值之间的差超过阈值的林分被识别为呈现出异常生长。
文档编号G06K9/00GK102265287SQ200980152613
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月4日 优先权日2008年12月24日
发明者马振魁 申请人:韦尔豪泽Nr公司