专利名称：一种快速测量林窗光环境的方法
技术领域：
本发明涉及林学与生态学领域中关于林窗光环境的测量方法，具体地说是一种测量林窗内任意位置光照强度的方法。
背景技术：
1947年林窗(gap)概念由英国生态学家Watt首次提出，它主要指森林群落中老龄树死亡或因偶然因素(如干旱、台风、火灾等)导致成熟阶段优势树种的死亡，从而在林冠层造成空隙的现象。林窗是森林群落中经常发生的重要中小尺度干扰，是森林演替的一个重要阶段，它不仅是森林群落演替的驱动要素，也在森林结构、物种组成、动态和演替中起着重要作用，已成为当前森林生态学研究最活跃的领域之一。
光是植物进行光合作用并赖以生长的环境因子，影响植物的存活、生长以及形态结构。林窗的形成导致光环境发生剧烈的时空变化，同时，林窗光环境异质性也影响着其它环境因子，如林窗内地表温度、空气温/湿度等热力特征，而光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，从而导致林窗环境异质性。环境异质性决定了林窗更新，在森林动态及演替过程中起着重要作用。
林窗光照强度不仅存在日变化和季节变化，同时，也表现出复杂的空间异质性。除光照强度外，光组成成分的差异也对植物生理生态过程有着重要作用。林窗内全光(total light)可分为直射光(direct light)和散射光(diffuse light)，直射光指太阳直接照射到林窗内的光，散射光指从各个方位反射到林窗内的光。直射光受太阳位置的变化、林窗面积、林冠高度、林窗形状、坡度和坡向等因素的影响，由于太阳位置时刻发生着变化，林窗中直射光比散射光存在更复杂的时空变化，因此，在林窗不同位置直射光和散射光对全光的贡献不同。直射光和散射光的光量子密度(photon flux density)差异大，不同植物对直射光和散射光有着不同的反应，环境因子(如土壤和空气温/湿度)和生物因子(如昆虫丰富度)对直射光和散射光也有着不同反应。因此，研究林下光组成成分对理解林窗中环境异质性及其对植物更新的作用具有重要意义。
林窗光环境的测量方法是生态学家十分关注的问题，测量方法比较多，但均存在各自的缺点。测量林窗内光环境的方法可分成三类直接测量法、模型估测法和相片法。直接测量法采用光量子探头进行直接测量，精度最高，但最费时费力，成本昂贵，且不能区别直射光和散射光；模型估测法最简单，可快速估测林窗任意位置光环境，区分直射光和散射光，但精度最差；在林窗内使用装置鱼眼镜头的相机垂直向上拍摄半球面影像，然后基于半球面影像计算相片拍摄点光环境的方法称之为相片法，相比直接测量法，相片法野外工作量少，使用简单，且具有较好的精度，可计算直射光和散射光。但使用相片法测量林窗光环境异质性时，需要在林窗不同位置拍摄大量的半球面影像，因此，相片法也十分费时，尤其对于大林窗，更加费时。
由于缺乏快速、准确测量林窗光环境的方法，目前，在林窗光环境异质性的研究中样点数量过少，取样点主要分布在林窗南北和东西2个轴，无法详细地描绘林窗光环境异质性。Canham et al.把林窗简化为圆柱体，然后采用林窗光指数首次绘制了林窗内地面层光环境空间分布格局的等值线图，讨论了林窗大小、林窗边缘木高等因素对林窗光环境的影响，但简化处理极大地降低了精确度，影响研究结果和结论。目前，林窗植物更新与光强关系的研究仅涉及林窗内与林下光强差异或林窗中心与边缘光强差异的比较，并没有讨论复杂的林窗光强异质性对植物更新的影响。深入研究林窗光强异质性在林窗植物更新过程中的作用有助于解释林窗物种组成、揭示林窗与多样性的关系，有助于揭示控制林窗中植被演替和物种更新过程的机制。因此，找到一种快速、客观、准确测量林窗光环境的方法是林窗研究的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速测量林窗光环境的方法，能够客观、精确、快速测量林窗光环境。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是 一种快速测量林窗光环境的方法，包括以下步骤1)测量林窗立体结构、坡度和坡向；2)计算林窗坐标；3)将林窗坐标转换成半球面影像；4)处理半球面影像，计算全光、直射光和散射光。
在步骤1)中，采用罗盘仪或激光测距仪快速测量坡度和坡向；用“双半球面影像法”(现有技术)快速测量林窗立体结构，林窗立体结构可用下式表示 D＝f(θ)，H＝g(θ)，(0≤θ<360) (1) 式中，θ、D和H分别是林窗林冠边缘相对于林窗中心的方位角、水平距离和高度，H为负值表示该林冠边缘点在林窗中心点下方。
在步骤2)中，林窗坐标指一组在0～360之间递增的方位角对应的天顶角，天顶角指坐标原点与林窗林冠边缘点连线与垂直向上方向的夹角，林窗内不同位置所对应的林窗坐标不相同。林窗中心点即坐标原点O，P是待测点，是林窗内任意一点，位于平面xy上，极坐标为(d(θP)，h(θP))，θP是方位角，d和h分别是点P相对于坐标原点O的水平距离和垂直距离，位于平面xy中方向为α的射线PE与林冠林窗的垂直投影轮廓相交于点E，点T是投影于点E的林窗林冠边缘点，点T相对于原点O的方位角、水平距离、垂直距离分别为θE，f(θE)和g(θE)，点P到点T的仰角为ω，假定射线PE的方向α以S步长在0和360度之间变化，n(＝360/S)个Z便可以按照公式(8)进行计算，最后，点P对应的林窗坐标可表示为n对α和Z。
当h(θP)等于0时，位于平面xy中方向为α的射线PE的方程可表示为 DPE＝d(θP)·sinθP/sinθ，(α＝0) 式中，DPE是射线PE上任意一点到坐标原点O的距离，方位角θ在α和θP之间变化； 基于公式(1)和(2)，可求得射线PE与林冠林窗垂直投影轮廓的交点E的方位角θE，将θE代入到公式(1)中可求得点E到原点O的距离f(θE)，线段PE的长度可按下式计算 点P到点T的仰角ω可按下面公式计算 ω＝π/2，(PE＝0) ω＝arctan(g(θE)/PE)，(PE>0) (3) 当h(θp)不等于0时，仰角ω可按下式进行计算 (PE≠0) (4) 假定林窗所在地面坡度(γ)和坡向(β)恒定不变，并且点P位于地面上，那么，点P到坐标原点的垂直距离h(θp)可按下式计算 h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β) (5) 如果点P不在地面上，而距地面距离为(z)，那么，h(θp)可按下式计算 h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)+z (6) 假定林窗林冠顶点距地面的高度相同(Hc)，那么，方位角θ处林窗林冠顶点距坐标原点O的高度g(θ)可按下式计算 g(θ)＝-tanγ·f(θ)·cos(θ-β)+Hc (7) 把h(θ)和g(θ)代入公式(4)，便可计算其对应的仰角ω)，其对应的天顶角Z可按下式计算 Z＝π/2-ω (8) 在步骤3)中，将林窗坐标转换得到的半球面影像与采用装配鱼眼镜头的相机在林窗附近林下垂直拍摄的林冠半球面影像合并后形成半球面影像。
在步骤4)中，采用现有技术的GLA软件分析半球面影像，计算光环境指数，光环境指数包括直射光、散射光和全光。
本发明具有以下有益效果及优点可快速测量林窗任意位置的光环境；简化了林窗坐标的计算；具有较高的测量精度。
图1是10度间隔的林窗立体结构示意图(单位m)； 图2是林窗中方位角(θ)对应的天顶角(Z)； 图3是林窗坐标计算原理图； 图4是极坐标投影原理图； 图5是半球面影像的合并示意图。
具体实施例方式 (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252～1116m，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3.9～5.4℃，极端最高气温36.5℃，最低零下37.6℃。大于10℃的年活动积温2497.5～2943.0℃，无霜期120～139d，年平均日照2433h，年降水量700～850mm，降雨集中在6～8月份。植被隶属于长白山区系。
(二)野外测量 选择7个大小不同的天然林窗为调查对象，选择无风、全阴天，在每个林窗的中心点安置三角架，垂直安置配有鱼眼镜头(FC-E8，183°视角，尼康，东京，日本)的数码相机(Coolpix995，尼康，东京，日本)，在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1m；拍摄时相机光圈调至最小，焦点调至无穷远。然后，采用“双半球面影像法”测量林窗立体结构(图1)；同时，采用森林罗盘仪和角规测量每个林窗的坡度、坡向以及林窗边缘木高，林窗的参数列于表1。
表1.实验林窗参数
为了检验本方法测量林窗光环境的精确度，采用实拍半球面影像的相片法来检验本方法的精确度，野外相片拍摄过程为采用配有鱼眼镜头的数码相机在此7个天然林窗的南北轴上的93个位置各拍摄一张垂直向上的半球面影像，此外，在林窗附近的林冠下方拍摄1张垂直向上的半球面影像。
(三)数据处理 以林窗中心为原点建立坐标系，x轴和y轴分别指向磁场东向和北向，记录93个相片拍摄点的坐标，使用软件Computation of Gap coordinates for GLI(V2.2)计算林窗内每个坐标点的林窗坐标(包括36组方位角和天顶角)，林窗坐标指一组方位角对应的天顶角，如图2所示，天顶角指坐标原点与林窗林冠边缘点连线与垂直向上方向的夹角(如图2中的Z)，如图3所示，林窗中心点即坐标原点O，P是待测点，位于平面xy上，即它的z坐标值为0；θP和d(θP)分别是点P到坐标原点的方位角和距离；位于平面xy中方向为α的射线PE与林冠林窗的垂直投影轮廓相交于E点；T点是投影于E点的林窗林冠边缘点，T点相对于原点O的方位角、水平距离和垂直距离分别为θE，f(θE)和g(θE)，点P到点T的仰角为ω。
根据鱼眼镜头的极坐标投影原理(或等角投影原理，图4)可将林窗坐标转换成半球面影像，图4是极坐标投影原理θ/90＝r/R，林窗林冠边缘点E到相机的水平距离D在半球面影像中的投影为r，θ为E对应的天顶角，R为当θ＝90时的投影；然后按照图5所示方法将转换得到半球面影像(图5A)与林下的半球面影像(图5B)进行合并得到图5C，在图5中，图5A是根据林窗坐标转换得到的半球面影像，图5B是采用装配鱼眼镜头的相机在林窗附近林下垂直拍摄的林冠半球面影像，图5C是图5A和5B合并后形成的半球面影像，这3个半球面影像具有相同的视角和相片大小，它们的上、左、下和右分别对应罗盘正北、东、南和西方向。最后采用现有技术的GLA软件分析半球面影像计算7个林窗内93个坐标点的全光、直射光和散射光。对于实拍摄的半球面影像也采用GLA软件计算全光、直射光和散射光。
借助专业数据统计分析软件Statistical Product and Service Solutions(SPSS，v13.0)，计算2种方法之间的相关性，用配对t检验比较2种方法之间的差异。
(四)结果与分析 本方法所测得的林窗内全光、直射光和散射光分别与实拍相片法的全光、直射光和散射光具有极显著正相关性(表2)。配对t检验结果表明本方法所测得的全光和散射光与实拍相片法不存在显著差异，但本方法所测得的直射光与实拍相片法存在显著差异。综合以上分析，得到以下结论本方法测得的林窗内全光、直射光和散射光均具有较好的精度，可用于快速测量林窗内任意位置光环境。
表2.统计分析结果
注*p<0.001。
权利要求
1、一种测量林窗光环境的方法，其特征在于包括根据林窗立体结构、坡度和坡向计算待测点P的林窗坐标，将林窗坐标转换成半球面影像，处理半球面影像，计算全光、直射光和散射光。
2、按照权利要求1所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于林窗立体结构用下式表示
D＝f(θ)，H＝g(θ)，(0≤θ<360) (1)
式中，θ、D和H分别是林窗林冠边缘点相对于坐标原点的方位角、水平距离和高度，H为负值表示该林冠边缘点在坐标原点下方。
3、按照权利要求1或2所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于待测点P的林窗坐标指待测点P到林窗林冠边缘点的方位角α以某一固定角度间隔S在0～360度之间递增对应的一组天顶角Z，即，点P对应的林窗坐标可表示为n(＝360/S)对α和Z；天顶角指待测点P与林窗林冠边缘点连线与垂直向上方向的夹角，角度间隔越小林窗立体结构越精细。
4、按照权利要求3所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于方位角α对应的天顶角Z可按下式计算
Z＝π/2-ω(8)
式中，ω是待测点P沿方位角α到林窗林冠边缘点T的仰角。
5、按照权利要求4所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于当点P位于平面xy上时，点P到点T的ω仰角的计算如下
ω＝π/2，(PE＝0)
ω＝arctan(g(θE)/PE)， (PE>0)(3)
式中，线段PE位于平面xy中方位角等于α的一条射线上，点P是射线的顶点，该射线与林冠林窗的垂直投影轮廓相交于点E；点T是投影于点E的林窗林冠边缘点，θE，f(θE)和g(θE)分别是点T相对于原点O(林窗中心点)的方位角、水平距离和垂直距离。
6、按照权利要求5所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于线段PE的方程按下式计算
DPE＝d(θP)·sinθP/sinθ，(α＝0)
式中，DPE是线段PE上任意一点到坐标原点O的距离，方位角θ在α和θP之间变化；基于公式(1)和(2)，可求得线段PE与林冠林窗垂直投影轮廓的交点E的方位角θE，将θE代入到公式(1)中可求得点E到原点O的距离f(θE)，线段PE的长度可按下式计算
式中，θP是P点方位角，d(θP)，h(θP)分别是点P相对于坐标原点O的水平距离和垂直距离。
7、按照权利要求4所述所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于当点P不位于平面xy上时，点P到点T的ω仰角的计算如下
当点P位于地面上时，点P到坐标原点的垂直距离h(θP)按下式计算
h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β) (5)
式中，γ和β分别是地面坡度和坡向；
当点P不在地面上，距地面距离为(z)时，h(θP)按下式计算
h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)+z。(6)
8、按照权利要求2所述所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于假定林窗林冠顶点距地面的高度相同(Hc)时，方位角θ处林窗林冠顶点距坐标原点O的高度g(θ)按下式计算
g(θ)＝-tanγ·f(θ)·cos(θ-β)+Hc。(7)
9、按照权利要求1所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于根据鱼眼镜头的极坐标投影原理将林窗坐标转换成半球面影像。
10、按照权利要求1或9所述的测量林窗光环境的方法，其特征在于将转换的半球面影像与采用装配鱼眼镜头的相机在林窗附近的林下垂直向上拍摄的半球面影像合并后形成新的半球面影像，根据最后这张半球面影像计算待测点P的光环境。
全文摘要
本发明涉及一种测量林窗光环境的方法，包括以下步骤1)测量林窗立体结构、坡度和坡向；2)计算林窗坐标；3)将林窗坐标转换成半球面影像；4)处理半球面影像，计算全光、直射光和散射光。本发明具有以下有益效果及优点本发明首次提出了基于林窗立体结构快速计算林窗光环境的方法，具有较高的测量精度；可快速测量林窗任意位置的光环境；林窗坐标计算的简化。
文档编号G01J1/00GK101398329SQ20081017217
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者胡理乐, 李俊生, 罗建武, 肖能文, 冉 屈 申请人:中国环境科学研究院