法法術張仁華孫曉敏朱治林(中國科學院地理研究所,北京 100101)摘要本文論述了底視法測量葉面積指數(shù)的根本原理,并在中國科學院禹城綜合試驗遙感試驗場冠層分析儀對該方法進行了試驗,提出了刺柏針葉葉面積指數(shù)的新估算方法。過計算證明測定值和估算值具有較好的一致性這種底視法為根底的冠層分析儀可以用于植被定量遙感的快速地面定標。關鍵詞底視法冠層分析儀植被定量遙感言0區(qū)域植被定量遙感涉及到全球變化農(nóng)業(yè)林業(yè)氣象水文等諸多學科這是因為,植物在球的食物鏈中扮演著十分重要角色在太陽輻射電磁波的輻照下,植物吸入的O2和水發(fā)生光合作用,形成碳水化合物這一極其重要的過程不僅取決于太陽輻照及供水狀況,而且取決于植物的葉面積和冠層結構因為植被冠層結構和葉面積影響植物對太陽輻照和降水的截留比例,并與作物產(chǎn)量以及水分的蒸騰有密切關系特別是隨著學科研究的深入,植物定量研是必經(jīng)之1如何精確定量快速有效地獲得植物葉面積指數(shù)及其冠層結構,已成為遙感學科的研究熱點。在植物定量遙感研究中,關鍵是首先要在地面以一個快速的精確定量方法去獲得植物的面積指數(shù)及其冠層結構早期在農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)氣象中使用的直接測量葉面積指數(shù)的方法非?，嵸M力,要大面積地測量根本就不可能,因此人們就力圖開展一種快速非接觸的間接測量法來測量葉面積指數(shù)非接觸測量方法有兩種,即頂視法和底視法頂視法即用傳感器從上向下測量,遙感方法就屬于這種,其原理是利用地物的反射光2;底視法是傳感器從下向測量,其優(yōu)點是適合于對高大森林的測試,無需用遙感平臺,并可以作為植物定量遙感的地面定標手段。常規(guī)方法而言,針葉類植物的葉面積測量比闊葉類植物的測量更困難而底視法不僅能方便地估算出闊葉類植物的葉面積指數(shù),而且還可以迅速地估算出針葉類植物的葉面積指數(shù)及其葉角兩類植物葉面積指數(shù)的計算差異僅在于換算系數(shù)的不同。本文首先說明用底視法推算葉面積指數(shù)與葉角的根本原理,然后提出一套估算針葉類植物葉面積的方法,以便作為底視法應用的根底。期:1997年11月17日。第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術55·理1當太陽光穿過植被冠層時,總會被植被冠層的葉子截留,這種截留的概率正比于太陽光穿過植被冠層的路徑長度及葉子密度,并且也與葉子的傾角有關一般葉面垂直于入射光線,其截留光線的概率肯定要大于不垂直于入射光線的葉子如果單片葉子在光線透過的植物冠層圍內(nèi)是隨機分布的,并且與整個植被冠層的厚度相比是很小的時候第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術55·理1當太陽光穿過植被冠層時,總會被植被冠層的葉子截留,這種截留的概率正比于太陽光穿過植被冠層的路徑長度及葉子密度,并且也與葉子的傾角有關一般葉面垂直于入射光線,其截留光線的概率肯定要大于不垂直于入射光線的葉子如果單片葉子在光線透過的植物冠層圍內(nèi)是隨機分布的,并且與整個植被冠層的厚度相比是很小的時候,那么對天頂角為θ,方角為的一束光線(即與觀測方向一致的一束散射光)而言,不被葉子截留的概率Tθφ)應為:Tθφ)=e-Gθφ)μSθφ)〕(1)中,Gθ)是葉子在垂直入射光線方向上的投影面積比(即植被冠層空隙度frcton)μ葉子的體密度(每立方米體積內(nèi)的葉子單葉外表積的總和),Sθφ)是光線通過植被冠層的路徑長度(m)如果透過植被冠層的一束光線方位角取平均數(shù),那么可以把方位角參數(shù)去掉,得到下式:lTθ)〕Gθ)μ=-式中,Kθ)是太陽光接觸葉子的頻數(shù)ler(1967)3曾給出這種葉子體密度的一個精確解:Kθ)(2)Sθ)/2μ=∫-lTθ)〕θθindSθ)0(3)圖1形象地表達了植被冠層空隙度傳感器傾角(即入射光線天頂角θ)與植被冠層平均葉角的關系對于均勻蓋植被的葉子,其葉面積指數(shù)(LAI)葉子體密度和植被冠層高度(Z)的積,而且光線通過植被冠層的路徑長度Sθ)與植被冠層高度Z和透射光線天頂角有關,即:圖1植被冠層空隙度Gθ)傳感器傾角與植被冠層平均葉角a的關系LAI=μZ(4)Zoθ=(5)Sθ)將方程(3)(5)代入方程(4),得:/2-lTθ)iθθ0θSθ)(6)LAI=Sθ)/2lTθ)iθθ積分內(nèi)相消,當在把于Sθ)是的函數(shù),Sθ)o不能進∫-Sθ)0分化為差分值時,每一中,總可以找求出一個Sθ分化為差分值時,每一中,總可以找求出一個Sθ)的平均值θ),這樣就可以將(6)式近似地變換成下式nLAI≈26-lTi)oiiiθ(7)i=1將植被冠層影像圖分成幾個同心圓,那么Ti)值正比于同心圓的影像灰度顯然,利用圖像處理的方法很容易就計算出積分值。了LAI信息外,葉子平均傾角也是一個非常重要的植被冠層結構信息,它也可以從隨觀測方向天頂角θ變化而變化的冠層空隙度變化率中提取植被冠層空隙度Gθ)為:ooθ當+θ/2Gθ)=22iθiiβ+π-1oθo)當+θ>/2第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術5第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術57·光波段,故傳感器采用了硅光敏元件不僅如此,可見光的散射輻射也是對植被冠層空隙度測量的一種噪音,為了限制波長短于490nm的散射光進入傳感器,在硅光敏元件之前要加一個濾光片,以提高測量空隙度的精度。美國CD公司出品的新型冠層分析儀CI-100(封底彩片),是在LA2000型冠層分析儀根底上開展起來的它采用了90年代的最新技術,有一個魚眼成像信息采集器,以D面取代五個硅光敏圓環(huán),因此傳感器獲取的是2π空間的植被冠層結構信息該儀器還有較強的數(shù)據(jù)處理功能,只需0.01s就可采集到一幅半球狀高分辨率的冠層底視空隙影像圖。幅圖的數(shù)據(jù)可存放在儀器的內(nèi)存里,也可聯(lián)結到計算機上進行實時處理影像是256級灰度的圖像,用戶可根據(jù)植物類型等因素自行定義天頂角及方位角的分割系數(shù),然后利用空隙度數(shù)反演推算葉面積指4另外,還可以估算出散射輻射的透射系數(shù)平均葉傾角及植被冠層對入射輻射的衰減系數(shù)等參素。證3為了驗證底視法的測量精度,我們選擇了測量葉面積指數(shù)難度較大的針葉樹作為驗證對象當然,這種驗證首先要比擬正確地取得針葉樹的葉面積或葉面積指數(shù)的真值。對針葉樹進行葉面積測量歷來為許多科學工作者所關注當然將一根根針葉放在葉面積量儀里測量是一種方法,但是這并不實用,甚至不現(xiàn)實當針葉小到只有幾個毫米長,并且簇狀集中在一起,即使利用激光葉面積儀也無法測量有的科學家(F.B.Tomon)5利用適當粘度的粘膠噴灑在針葉樹葉子外表,然后將直徑非常小,且大小均勻的玻璃球顆粒撒在針上,再抖動數(shù)下,當確認只有一層玻璃球顆粒粘在針葉樹葉的外表后,根據(jù)玻璃球顆粒粘于葉外表的重量來推算葉面積這種方法的缺點是玻璃球顆粒的平均直徑不易確定,其次是很難確認粘在針葉外表的小球顆粒只有一層,因為往往會有第二層重疊于第一層上,或有些地方粘不到小球顆粒。此,我們提出了一種利用圖像處理與統(tǒng)計方法相結合估算針葉葉面積的方法下面概圖3針狀單葉形態(tài)及圖像處理的應用58·國土資源遙感1998年述該方法的步驟,以及其在剌柏樹針葉面積測量中的應用。(1)將一簇針葉拆散,并互不重疊的鋪58·國土資源遙感1998年述該方法的步驟,以及其在剌柏樹針葉面積測量中的應用。(1)將一簇針葉拆散,并互不重疊的鋪在一頁紙上,然后用膠水粘住剌柏樹的子的長度一般3mm～6mm,葉寬只有0.5m～1mm。(2)用復印機復印粘有樹葉的樣板,其葉的投影面積正是我們所需要的葉面積(圖3)。(3)用掃描儀將這頁針葉投影圖輸入計算機。(4)用圖像處理方法求出所有互不重的針葉投影面積總和并算出每100片葉的面積之和。(5)根據(jù)剌柏樹的實際冠層結構,將樹分成三級(見圖4),統(tǒng)計每棵樹有多少1級2級3級枝杈,及第3級枝杈上針葉的數(shù)目。圖4剌柏樹分權示意圖表1禹城試驗地用圖像處理結合統(tǒng)計估算的刺柏樹葉面積及其葉面積指數(shù)(LA)在中科院禹城綜合試驗站的剌柏樹地里共有76棵剌柏樹,每棵樹都分別編了號1996年6月我們隨機選取了3棵樹,即第25號第10號和第17號剌柏樹作為統(tǒng)計對象,其統(tǒng)計估算結果如表1。運用上述圖像處理結合統(tǒng)計估算的剌柏樹平均葉面積指數(shù),旨在驗證冠層分析儀底視法量獲得葉面積指數(shù)的效果由于該試驗地內(nèi)刺柏樹的空間分布是根據(jù)oion分布種植的,在抽樣測試點上,可能測到多棵剌柏,因此在冠層分析儀的魚眼鏡頭里所觀測到的剌柏樹不是棵,而是群體樣本,而且每次所測到的樹的數(shù)量也不相等為使測試數(shù)據(jù)具有代表性,在10m10m的試驗地里,采用均勻分布9個測試點的方法進行測試所測得的葉面積指數(shù)是這9個測量點測試數(shù)據(jù)的平均值(表2)。圖5是9個點的魚眼成像圖由于圖像打印效果的原因,圖像并沒有明顯的灰度級別,但實際上有256級灰度。表2是用CI-100儀器底視法測量葉面積指數(shù)和葉角的結果,9次測量的結果說明,針葉的葉面積標定系數(shù)為4.0,平均葉面積指數(shù)為6.34平均葉角為76.3。編號杈度()杈度()杈度()樹高()中寬()底高()積m2/棵面積m2/棵面數(shù)1010.4942.4476.612.000.800.077.848.206.23178.2343.7087.511.600.640.028.952512.1443.2976.301.980.770.077.81第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術59·表2冠層分析儀的測量結果圖5冠層分析儀的魚眼成像圖(1996年6月中科院禹城試驗站剌柏林地)論4(1)第1期張仁華等:葉面積指數(shù)的快速測定方法植被定量遙感的地面標定技術59·表2冠層分析儀的測量結果圖5冠層分析儀的魚眼成像圖(1996年6月中科院禹城試驗站剌柏林地)論4(1)冠層分析儀的使用方法非常簡單快捷,我們在做測量剌柏葉面積時僅用了幾分鐘時間,這對于在森林里大面積的測量葉面積指數(shù)是非常有用的儀器。(2)對于不同植物冠層,對該儀器的靈敏度要進行標定。號123456789平均數(shù)5.526.845.845.965.445.986.34角)36.9385.9165.6585.9182.2276.5350.6685.9974.2071.5560·國土資源遙感160·國土資源遙感1998年(3)該儀器可以很方便地測量植被冠層的平均葉角,這個參數(shù)將顯著提高根據(jù)用遙感植被指數(shù)推算的葉面積的精度。(4)在儀器的使用過程中,要盡量防止由于觀測員技術水平和失誤等外界因素對圖像造成的影響,以提高測量精度。參 考 文 獻1〕華..京:社,19962〕華.數(shù).見:究.京:社,1991.139-1493〕lerJB.Aformlaforaeraefoiaeenity.J.ot,1967,15:141-1444〕lesJM.oranM.Intruentforindctaureentfapyarcitcture.AgooyJourl,1991,83(5):818-8255〕ToponFB,LetonL.etodforauingtelfufefoplcsots,Nature,1971,299:527ASPEDIERMSUINGCLOYORLAFAAIDEXALIBAONLINAIAIEOESESINGOFEAONhangenha unioin huin(Istitutefgraphy,ChieAcaemyfSciee,Bijing100101)actTeaicpripleftepwardoingtchoogyforfateasuringlefareainexwasicusedintispper.TetchoogyistetedbyuingaapyalerincengeoteeningitefCieeAaeyfiees.Andwepreentedaewetodforetiatiglefareainexfofer.Ter