透光分层疏透度测定方法及摄影装置 【技术领域】
本发明涉及的技术领域属于林学与生态学，具体地说是用来表征林分内空隙分布特征量的透光分层疏透度测定方法。
背景技术
一般地讲，疏透度是表征条带状防护林(林带)结构最重要的指标之一，由于林带疏透度具有三维性，很难测定其具体值；因此，在实际应用中，以林带的透光疏透度代替林带疏透度。透光疏透度是疏透度的一个二维替代值，当林带十分窄的时候，透光疏透度接近于疏透度，因此透光疏透度就成为有效表征条带状防护林结构的重要指标；通过建立各个观测因子(防风效益，农田内各生态因子的变化等等)与林带的透光疏透度的相关关系，使得各个观测因子可通过调控透光疏透度来把握其动态。林带的透光疏透度是由林带的影象轮廓来测定的，目前的测定方法主要是应用数字图像处理法，即，用普通照相机摄取林带的垂直影象，经数字化后，确定其透光疏透度。
当我们考虑非条带状林分内各个生态因子，如风，光的时空分布，降水的再分配，昆虫分布，温度变化，生物多样性，森林健康危险评价等与林分结构的关系时，由于林分内的空隙分布明显直接或间接地影响上述因子，因此林分内的空隙分布与这些因子之间的关系就变的十分重要而具有现实意义。然而，迄今为止，有关林分内空隙分布的相关信息却知之甚少；而且，用测定林带的透光疏透度地方法来表征林分内的空隙分布显然是不可能的。为此，找出表征林分内空隙分布的特征变量就成为解决林分内的空隙分布与各个生态因子之间相互关系的关键之所在。
【发明内容】
本发明的目的就是针对上述问题，提供一个可用于准确表征林分内空隙垂直分布的特征变量，所给出的透光分层疏透度测定方法使林分内空隙垂直分布与林分内各个生态因子相关关系的建立成为可能；同时为林分的经营管理提供技术保障，为森林生态系统的详细研究提供新方法。
本发明将林分内空隙分布定义为分层疏透度。与林带疏透度一样，分层疏透度亦具有三维性，现有的技术与手段还很难测定其具体值；因此，以透光分层疏透度代替分层疏透度。
透光分层疏透度是用来描述林分内空隙的垂直分布，即，将林分在从林地开始到林冠顶部这一垂直方向上水平切割成若干薄片，再计算每个薄片的透光疏透度。当水平切割的薄片足够薄的时候，透光分层疏透度接近于分层疏透度。透光分层疏透度与林带的透光疏透度的本质区别在于：林带的透光疏透度是基于林带垂直方向的影象轮廓来定义的，而透光分层疏透度则是基于林分在从林地开始到林冠顶部这一垂直方向上任意一个水平薄片的影象轮廓来定义的；即，透光分层疏透度是将林带的透光疏透度变换90度来考虑的。
透光分层疏透度是分层疏透度的一个二维替代值，它可以被定义为：代表林分内一定高度的某一平面以上部分没有被树木要素(树干，枝，小枝及叶)遮挡的天空球面的比率。
在以往林学与生态学的文献中，与透光分层疏透度相类似的概念主要有：林冠盖度，林冠郁闭度，林窗，林冠密度，林冠开阔度以及林冠透明度等等。透光分层疏透度与上述概念的重要区别在于：以往林学与生态学中的这些概念只反映林分内某一高度(林地或相对较低的高度，通常是在1～2m)的部分天空信息；而透光分层疏透度则是将林分内任一高度的某一平面以上部分没有被树木要素遮挡的天空球面的比率，透光分层疏透度在垂直方向的分布变化是高度的函数，可用于表达林分的垂直结构；同时通过透光分层疏透度的测定能够更精确地得出上述林学与生态学中所用的各个参数。
林分内一定高度的某一薄片的透光分层疏透度亦可通过数字图像处理法计算获得，但是这里所指的图像与确定林带透光疏透度时的图像不同，它是指用全天照相机所摄取的全天照片(因普通照片很难实现上述目的)可由式Pz＝(Atz-Aoz)/Atz计算得出。
式中，Pz为透光分层疏透度，Atz为选择全天照片的总面积，用像素pixels表示；Aoz为选择全天照片上树木要素(树干，枝，小枝及叶)所占的总面积，用像素pixels表示。
本发明所采用的装置为：将带有鱼眼镜头变换器的全天照相机(照相机本体：Nikon，Coolpix 910，f＝7～21mm；鱼眼镜头变换器：180°，Nikon，FC-E8，f＝8～24mm)设置于轻质坚固的金属控制盒中，构成照相机系统；再将照相机系统与可伸缩测杆连接在一起，控制盒的底部与像机尾部支架固定螺孔对应处连接有垂直固定在林地上的可伸缩测杆的顶端，构成摄影装置；把摄影装置固定在林地上(事先将长2m、直径8cm的钢管插入选取的林地，以便固定摄影装置)，构成了可移动式透光分层疏透度测定装置，于不同高度摄取全天照片，经计算机数字化处理，通过式Pz＝(Atz-Aoz)/Atz计算获得透光分层疏透度。具体操作程序与方法见透光分层疏透度测定流程图。
本发明的特点：
1)透光分层疏透度是表征林分垂直结构的新参数，首次将林带透光疏透度的概念扩展到一般林分中，并通过全天照相机(照相机本体+鱼眼镜头变换器)与可伸缩测杆组成的测定装置实现了不同高度透光分层疏透度的测定。
2)通过透光分层疏透度的测定，可以更精确地确定林学与生态学中有关林冠分层的常用参数，如林冠盖度，林冠郁闭度，林窗，林冠密度，林冠开阔度，林分叶面积指数以及林冠透明度等。
3)林分内各个生态因子，如风，光的时空分布，降水的再分配，昆虫分布，温度变化，生物多样性，森林健康危险评价等均可建立与透光分层疏透度的相关关系，进而通过透光分层疏透度预测内各个生态因子的动态。
4)透光分层疏透度在林内的分布模型遵从于光在介质中的传递理论，即Lambert定律，据此可以判别林冠的分层，为森林生态学研究提供新的理论与方法。
5)虽然透光分层疏透度最初用于森林内空隙分布的描述，但是透光分层疏透度这一原理适用于包括生态学，农学的相关研究中。
【附图说明】
图1为本发明的测定方法流程图。
图2为本发明所用摄像设备结构示意图；图2中的1为控制盒，2为水准仪，3为鱼眼镜头转换器，4为快门控制，5为快门，6为照像机本体，7为控制线，8为与可伸缩测杆接点，9为可伸缩测杆，10为林地，11为钢管。
图3为本发明用摄像设备所摄的图片。
图4为本发明用摄像设备摄制后的编辑图像。
【具体实施方式】
(1)于东经138°56′16.8″，北纬37°52′41.3″选择片状日本黑松海岸防护林为研究对象，并对其进行三个强度的间伐，包括对照共4个处理，即，处理1为20％间伐，处理2为30％间伐，处理3为50％间伐，处理4为0％间伐(无间伐)(参照表1)。
(2)于各间伐区中心部附近应用可移动式摄影装置，通过数字全天照相机摄取不同高度的全天照片(每一高度重复至少3次)。间隔高度为1m(至林冠顶部区0.5m)。测试使用的可移动式摄影装置可测高度达1～12m，如果改造可伸缩测杆的构造，或使用更轻便的照相机都将使观测高度增加。
(3)对所摄得的照片进行计算机处理，得出不同处理下各个高度的透光分层疏透度值，进而得到林分内空隙的垂直分布规律模型。表2给出测定结果；表3给出了基于透光分层疏透度测定值模拟出的透光分层疏透度分布模型的参数及其检验结果。
表1不同间伐强度处理海岸林平均林分特征
枝下高 树高 株数间 断面间
胸径 密度 断面积处理No.
(H0) (H) H0/H 伐比率 伐比率
(cm) (stem·ha-1) (m2·ha-1)
(m) (m) (％) (％)处理1 9.8 4.0 8.5 2517 21.27 0.47 20.2 19.8处理2 9.8 3.2 7.0 2100 16.91 0.45 31.6 32.5处理3 10.8 4.1 8.2 1483 15.48 0.49 46.7 50.2处理4 9.3 3.7 7.2 3600 26.13 0.44 0.0 0.0
表2不同间伐处理下的透光疏透度测定值
(采用全天照片面积3/4计算的透光分层疏透度值，照片为363168像素pixels)高度
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 6.5 7.0 7.5(m)
0.252 0.270 0.295 0.315 0.393 0.518 0.725处理1
(0.023) (0.013) (0.008) (0.019) (0.012) (0.012) (0.034)
0.281 0.293 0.344 0.474 0.667 0.928 0.995处理2
(0.007) (0.016) (0.005) (0.017) (0.002) (0.006) (0.001)
0.367 0.367 0.403 0.418 0.440 0.534 0.627 0.834处理3
(0.001) (0.010) (0.012) (0.011) (0.007) (0.005) (0.020) (0.008)
0.192 0.203 0.312 0.380 0.482 0.818 0.968处理4
(0.010) (0.006) (0.021) (0.017) (0.024) (0.011) (0.005)
*注：括弧内的数字为测定标准差。
表3透光分层疏透度分布模型的参数(κ)及
其检验结果(分为树冠层和树干层)
间伐处理
处理1 处理2 处理3 处理4
树冠层 树干层 树干层 树干层 树干层 树干层 树干层 树干层回归的统计显著性检验R2决定系数 0.973 0.935 0.934 0.815 0.982 0.829 0.969 0.991标准差 0.063 0.034 0.083 0.052 0.055 0.043 0.007 0.110F-值 179.237 26.755 52.839 17.351 148.155 6.037 33.052 20.170显著性F 0.000 0.003 0.001 0.014 0.000 0.005 0.002 0.006参数的回归统计t检验参数κc，κt-1.97 -0.24 -1.76 -0.68 -1.67 -1.06 -2.54 -1.40标准差 0.077 0.009 0.014 0.011 0.003 0.011 0.050 0.005T-值 -25.58 -26.67 -125.71 -61.82 -556.67 -96.36 -50.80 -280.00显著性p 0.000 0.003 0.001 0.014 0.000 0.005 0.002 0.006透光分层疏透度分布模型：
式(1)为树干透光分层疏透度分布模型，式(2)为树冠层透光分层疏透度分布模型。
式中，z为任意高度(m)，Pz为透光分层疏透度(相对值)，P0为透光分层疏透度的初始值(树冠以上P0＝1)，H为林冠平均高(m)，H0为枝下平均高(m)，κc为树冠层透光分层疏透度分布参数，κt为树干层透光分层疏透度分布参数，exp表示为指数函数。