专利名称：：一种测量林窗立体结构的方法
技术领域：
：本发明涉及林学与生态学中领域中关于林窗特征的测量方法，具体地说是一种测量林窗立体结构的方法。
背景技术：
：林窗(gap)指由一株以上林冠层树木死亡而形成的将由新个体占据与更新的空间，这一概念伴随森林循环的研究而产生。林窗干扰是森林群落中经常发生的重要的小尺度干扰，已成为当前森林生态学研究最活跃的领域之一。光是林窗中变化最剧烈的环境因子，由于受太阳高度角和方位角的曰变化和季节性变化、复杂的林窗立体结构(主要指大小、形状、不同方位林窗边缘木冠层高度)以及林窗微地形的影响，林窗光照不仅存在曰变化和季节变化，同时也表现出复杂的三维空间异质性。同时，光照的时空变化也引起林窗内地表温度、空气温/湿度等热力特征发生相应变化，而光照环境和热力特征又会影响土壤水分、理化性质、营养元素分解、土壤微生物活性等环境因子，从而导致林窗环境因子的异质性。由于光在林窗中不均匀分布且林窗中直接入射光存在日时间和季节性的变化，所以测量林窗内光环境十分困难。由于太阳高度角和方位角的变化，林窗中不同位置接受到的光照差异十分大，所以直接测量方法(如照度计和光量子探头)均只能监测到林窗中有限数量监测点的光照强度在监测时间里的变化。其它一些间接测量光环境的方法(鱼眼镜头法)虽具有简单、快速等优点，但一次也只能测量某一点的光照环境。此外，这些方法仅能估测林窗光照在同一平面上的变化。然而，植株的叶片分别位于不同的高度层，因此，测量林窗内距地面不同高度层的光照异质性才能准确地获得植物的光照环境。Canham提出的林窗光指数(gaplightindex,GLI)可估测林窗任意位置的光照条件。林窗立体结构是影响林窗内光照的重要因素，因此，是GLI的关键参数。GLI把林窗的立体结构简化为垂直圆柱体。林窗立体结构主要包括林窗大小、形状以及每个方位林窗边缘木冠层的高度。虽然已有不少测量林窗大小的方法，但至今，并没有一种简单、客观、通用的测量林窗大小的方法；同时，对林窗形状的测量研究极少，不少研究者简单地按照林窗长轴与短轴的比值把林窗划分为线形和非线形两类；此外，目前还没有研究涉及林窗边缘木在不同方位的冠层高度的测量方法。因此，找到一种快速、客观、准确测量林窗立体结构的方法对于林窗光照的研究具有重要意义。
发明内容为弥补现有技术中林窗立体结构测量方法的技术空白，本发明的目的在于提供一种能够客观、精确且易操作的测量林窗立体结构的方法。为实现上述目的，本发明釆用的技术方案是在林窗中任意一个位置的不同高度用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄两张半球面影像；测量林窗参数；对两张半球面影像进行处理，记录相片中林窗林冠边缘点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点及林窗参数计算林窗的面积、形状以及每个方位林窗林冠的高度。其中所述半球面影像的拍摄要求为选择无风、全阴天在林窗内任意位置，将装配有鱼眼镜头的数码相机安置在三角架上，在不同高度垂直向上拍摄2张半球面影像；拍摄时相机光圈调至最小，焦距调至无穷远，确保半球面影像的正上方为罗盘正北方向；所述釆用图像处理软件处理半球面影像，是以半球面影像的中心点为中心从0度方位角开始并以固定角度间隔记录相片中林冠边缘点的坐标，每张相片共记录『360/g个坐标点；所述林窗参数包括坡度及坡向。把林窗近似成"边形，通过以下公式计算林窗面积j=0.5tsin(2兀/")7=其中，/《为第/个坐标点的方位角，A,为^g方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。把林窗近似成w边形，林窗形状通过形状指数57计算式中P为林窗周长，^为林窗面积。所述林窗周长P通过以下公式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，/《为第/个坐标点的方位角，A.g为^g方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。把林窗近似成"边形，每个方位林冠边缘点距地面的高度"a通过以下公式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，a、p、Y分别为任意的方位角、坡向、坡度，札、Da分别为a方位林冠边缘点在镜头上方的高度和到鱼眼镜头光轴的垂直距离。a方位林冠边缘点在镜头上方的高度7/a和到鱼眼镜头光轴的垂直距离Da计算方法如下i/a=〖t,,a)-t,a))+Da=小tan机a)t肌(0,a)/(tan(0a)-tan(0,a))式中，AA分别为两次拍摄时镜头的高差、低处拍摄时镜头离地面的高度，e,，a、e^分别为低处和高处拍摄时a方位林冠边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角。所述天顶角通过以下方法得到分别在两张半球面影像中记录每个方位林冠边缘点的坐标，根据坐标值计算每个方位林冠边缘点的方位角a及其投影点到相片中心点的距离r,根据鱼眼镜头的极坐标投影原理公式求每个方位边缘边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角e:6/90="/式中，i为6=90时投影点在半球面影像中的半径距离。本发明具有以下有益效果及优点1.首次提出测量林窗立体结构方法，可快速、客观地测量林窗面积、形状以及每个方位林窗边缘木的高度；2.使用简单，测量林窗大小和形状时仅需拍摄2张半球面影像，计算每个方位林窗边缘木高度时仅需添加坡度和坡向2个参数；3.具有较高的测量精度；4.测量结果不受测量位置的影响。图1为半球面影像的极坐标投影原理图2A为本发明双半球面影像法测量林窗大小和形状的原理图2B为本发明双半球面影像法测量林窗边缘木高度原理图3A为本发明双半球面影像法数据处理示意图3B为图3A的局部放大图4为本发双半球面影像法计算所得的一个实例图。具体实施方式(一)实验地点实验地点选取自某森林生态实验站(41°51.102'N,124°54.543'E),海拔2521116m，气候属暖温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季炎热多雨。年平均气温3.95.4°C,极端最高气温36.5°C，最低零下37.6。C。大于10。C的年活动积温2497.5~2943.0。C,无霜期120139d,年平均日照2433h，年降水量700850mm，降雨集中在68月份。植被隶属于长白山区系，以天然次生林为主，建群种有花曲柳(Frax&MW2>77c/2op/^/a)、)、胡桃楸(Jwg/arama"(is/7Mn.ca)等,并有部分长白落叶松(丄an'xo/gera/s)人工林和红松(A:ora/e腦、)。选择12个大小不同的人工林窗为调查对象，选择无风、全阴天，在每个人工林窗中心点和2个随机点安置三角架，垂直安置配有鱼眼镜头的数码相机，在每个位置2个不同高度各拍摄1张半球面影像，2次拍摄高差为0.5m,较低处拍摄点鱼眼镜头比地面高lm;拍摄时相机光圈调至最小，焦点调至无穷远，同时，在每个林窗中随机选5株林窗边缘木测量平均高度//,并测量坡度Y和坡向P。此外，在每个林窗中心点安置森林罗盘仪，测量沿16个罗盘方向(0,22.5,45,...，337.5度)到林冠边缘垂直投影点的平行于坡面的距离。(三)林窗面积的计算(1)双半球面影像法的使用过程选择全阴且无风天在林窗内任意位置将装配有鱼眼镜头的数码相机垂直安置在三角架上；相机光圈调至最小，焦点调至无穷远；垂直向上拍摄2张半球面影像，2次拍摄在林窗同一位置但有一个高度差/2，并确保半球面影像的正上方为罗盘正北方向。然后将照片输入电脑中，用图像处理软件(如,AdobeIllustrator)处理:从0度开始以g度间隔记录相片中林窗林冠边缘点的坐标，每张相片共记录"=360^个坐标点。最后林窗的大小、形状以及《方位林窗边缘木的高度可根据下面介绍的方法计算得到。(2)双半球面影像法的原理半球面影像的成像方式是极坐标投影方式(如图l所示)，即，林窗林冠边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角e与投影点到相片中心点的距离r成线性关系(公式1)。6/90=Wi(1)式中，i为6=90时投影点在半球面影像中的半径距离。对于两张相片中每个方位a林冠边缘点的坐标，可求得r,然后根据公式(1)可分别求得a方位林冠边缘点在低处、高处拍摄的半球面影像中的天顶角e,，a、e^,a。根据几何关系(如图2A所示)，可得到公式2、3:Wa=,tan机a)/(tan队a)-tan(0,a))+/z(2)Da=〖tan机,a).tan^)/(tan(0;,a)-tan^a》(3)式中，Da为a方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离，//a为a方位林冠边缘点在鱼眼镜头上方的高度，么/z分别为两次拍摄时镜头的高差、低处拍摄时镜头离地面的高度，e,，a、e^分别为低处和高处拍摄时a方位林冠边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角。把林冠林窗近似为"边多边形，则林窗的面积J和周长户根据公式(4)和(5)可求得，爿=0.5力Z),g.sin(2兀/")(4)7=1尸!W(Ag-"o-iu谓(2兀/"))2+("(,—))g.sin(2兀/"))2(5)/=1釆用形状指数(S/)计算林窗形状，57=尸/2V^Z(6)不考虑微地形的影响(即坡面的坡度和坡向均为定值)，a方位林冠边缘点距地面的高度Z/t,a可根据公式(7)求得(见图2B):a=7fa+Da.cos(a-j3)tan("(7)式中，(3、Y分别为坡向和坡度。=//_tan(c0-"y.cOs(y_j8)_/z(8)上述各式中，/z为镜头距地面的高度，/《为第/个坐标点的方位角，Ag为/《方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离，最后一个点/=+1也是起始点/=1。(3)等角16边形法(equiangularsixteen-sidedpolygonmethod,ESM)(比照例)把平行于坡面的距离换算为水平距离，记作6,A的罗盘方向为0度，其它/的方位角以22.5度依次增加，至/76罗盘方向为337.5度。等角多边形法的计算公式具体为16^=0.5Z/,+1./,.sin(2;r/"),=i其中，当/="时，/,+;等于/;。(4)数据处理如图3A、3B所示，在图像处理软件Illustrator中，将半球面影像放大至1600%。在半球面影像中从0度开始并以10度为间隔记录林窗林冠边缘点坐标，根据坐标值计算每个方位林冠边缘点的r,最后根据双半球面影像法原理计算每个林窗的大小、形状以及36个方位林窗林冠的高度。图4为双半球面影像法测得的林窗立体结构的一个实例。(四)结果与分析分别计算双半球面影像法(THP)的面积、边缘木平均高度、等角16边形法的面积。借助专业数据统计分析软件StatisticalProductandServiceSolutions(SPSS,v13.0)(现有技术),计算各方法间的相关性，用配对Z检验(pairedMest)比较上述各方法之间的差异，用方差分析(ANOVA)检验半球面影像法是否受拍摄的影响。各种方法计算林窗面积的结果列于表1。_表l.不同方法测得的林窗面积和平均边缘木高度<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>双半球面影像法在林窗中心点测得的林窗面积(JTHP)、形状指数(57)和边缘木平均高度(/Z丁HP)分别为248.6±66.5m2、1.35±0.03、16.9±0.7m，等角16边形法测得林窗面积(JESM)为220.1±55.3m2，实测的边缘木平均高度(//)为17.4±0.4m(见表l)。^THP和^THP与其检测值(JESM和^)分别存在极显著相关性，相关系数分别去i2=0.991(;<0.001)、i2=0.615<0.05)。配对/检验表明JTHP和//THP与其检测值之间没有显著差异，检测结果分别为f=2.07(p>0.05)和f=0.874(p>0.05)。JTHP比y4ESM大13.2士5.1%,7/THP比//小画2.8±3.4%。方差分析(ANOVA)表明，半球面影像法在林窗内不同位置测得的林窗面积(F=0.165,j9>0.05)、林窗形状指数57(F=3.205，;>0.05)、边缘木平均高度(尸=0.184,/7>0.05)均没有差异，即半球面影像法不受拍摄位置的影响。综合以上分析，得到以下结论双半球面影像法是一种客观、精确且易操作的测量林窗立体结构(包括林窗大小、形状以及不同方位林窗边缘木高度)的方法，且半球面影像拍摄位置对测量结果不存在显著的影响；通过时间系列固定位置拍摄的林窗的半球面影像，该方法可很好地监测林窗立体结构的变化，因此，该方法对于林窗特征长期地、比较性研究具有重要意义。权利要求1.一种测量林窗立体结构的方法，其特征在于在林窗中任意一个位置的不同高度用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄两张半球面影像；测量林窗参数；对两张半球面影像进行处理，记录相片中林窗林冠边缘点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点及林窗参数计算林窗的面积、形状以及每个方位林窗林冠的高度。2.按照权利要求l所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于半球面影像的拍摄要求为选择无风、全阴天在林窗内任意位置，将装配有鱼眼镜头的数码相机安置在三角架上，在不同高度垂直向上拍摄2张半球面影像；拍摄时相机光圈调至最小，焦距调至无穷远，确保半球面影像的正上方为罗盘正北方向。3.按照权利要求1所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于釆用图像处理软件处理半球面影像，以半球面影像的中心点为中心从0度方位角开始并以固定角度(g)间隔记录相片中林冠边缘点的坐标，每张相片共记录^=360/^个坐标点。4.按照权利要求1所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于所述林窗参数包括坡度及坡向。5.按照权利要求1所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于把林窗近似成w边形，通过以下公式计算林窗面积(』)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，/《为第/个坐标点的方位角，A.g为z'《方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。6.按照权利要求l所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于把林窗近似成"边形，林窗形状通过形状指数(S/)计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中p为林窗周长，j为林窗面积。7.按照权利要求6所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于所述林窗周长(尸)的计算方法如下其中，/'g为第/个坐标点的方位角，A《为「g方位林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。8.按照权利要求l所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于把林窗近似成"边形，每个方位林冠边缘点距地面的高度(//t,a)通过以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，(x、(3、Y分别为任意的方位角、坡向、坡度，仏、Da分别为a方位林冠边缘点在镜头上方的高度和到鱼眼镜头光轴的垂直距离。9.按照权利要求8所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于a方位林冠边缘点在镜头上方的高度(//a)和到鱼眼镜头光轴的垂直距离(AJ计算方法如<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，么/7分别为两次拍摄时镜头的高差、低处拍摄时镜头离地面的高度，e&、e/Mx分别为低处和高处拍摄时a方位林冠边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角。10.按照权利要求9所述测量林窗立体结构的方法，其特征在于所述天顶角通过以下方法得到分别在两张半球面影像中记录每个方位林冠边缘点的坐标，根据坐标值计算每个方位林冠边缘点的方位角(a)及其投影点到相片中心点的距离(",根据鱼眼镜头的极坐标投影原理公式求每个方位边缘边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角(e):式中，7为6=90时投影点在半球面影像中的半径距离。全文摘要本发明涉及一种测量林窗立体结构的方法，具包括以下步骤在林窗中任意一个位置的不同高度用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄两张半球面影像；测量林窗参数；对两张半球面影像进行处理，记录相片中林窗林冠边缘点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点及林窗参数计算林窗的面积、形状以及每个方位林窗林冠的高度。本发明首次提出测量林窗立体结构方法，可快速、客观地测量林窗面积、形状以及每个方位林窗边缘木的高度，使用简单，测量林窗大小和形状时仅需拍摄2张半球面影像，计算每个方位林窗边缘木高度时仅需添加坡度和坡向2个参数，具有较高的测量精度，测量结果不受测量位置的影响。文档编号G01C11/02GK101319896SQ20071001163公开日2008年12月10日申请日期2007年6月8日优先权日2007年6月8日发明者朱教君,胡理乐申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所