一种利用地面光学仪器间接估计冠层叶面积指数的方法技术

本发明专利技术公开一种利用地面光学仪器间接估计冠层叶面积指数的方法，步骤为：一、利用半球照相仪器估计有效叶面积指数L

【技术实现步骤摘要】
一种利用地面光学仪器间接估计冠层叶面积指数的方法
本专利技术涉及一种冠层叶面积指数的地面估计方法，特别指在地面上利用光学仪器观测叶片间孔隙的大小和数量，进而估计单位水平地面上叶片总面积的方法。本专利技术主要解决在不同时间或地点条件下，由于太阳天顶角不同导致的叶面积指数被低估问题。
技术介绍
叶面积指数是表示冠层叶片数量的基本物理量，也是陆地表面植被生化过程、植被有效光合吸收和全球碳水循环模拟等研究领域的关键输入参数。JingmingChen和Black，T.A.于1992年将叶面积指数定义为单位地面上所有叶片截光面积的一半。与实际测量冠层中的所有叶片面积相比，利用光学仪器在地面观测冠层孔隙的大小和数量，进而估计冠层叶面积指数的好处是速度快、节约大量的人力和物力。目前，地面叶面积指数光学观测仪器多达几十种，其中基于半球照相法的光学仪器较为常用，代表性仪器有WinSCANOPY(加拿大魁北克Regent仪器公司生产)、HemiView(英国剑桥Delta-T设备公司生产)和LAI-2000(美国内布拉斯加Li-Cor公司生产)。半球照相法反演叶面积指数是根据Miller于1967年建立的叶片体密度(m2/m3)公式而设计的，该方法并不考虑叶片在真实冠层中的群聚效应，因此仅通过半球照相法的观测并不能反演得到真正的叶面积指数(LAI)，而是假设叶片在空间中随机分布条件下的有效叶面积指数(Le)。为此，JingmingChen于1995年提出了描述叶片聚集程度的方法，并设计了太阳光线方向上的叶片聚集度指数(ΩE(θs))，同时专利技术了与聚集度指数算法相匹配的光学仪器TRAC(加拿大渥太华Third-Wave机电公司生产)。在以往的实际应用中，计算叶面积指数的方法为LAI＝Le/ΩE(θs)。然而，通过TRAC仪器观测数据反演得到的是太阳光线方向θs上的聚集度指数，随太阳天顶角的增大聚集度指数一般会增大，而有效叶面积指数表达的是半球照相仪器在垂直方向上(天顶角为0°)获得的叶片数量，因此，叶面积指数的真实值计算方法应该为LAI＝Le/ΩE(0)。如计算公式中使用了ΩE(θs)而不是ΩE(0)会造成叶面积指数被低估。目前尚没有理论方法对此误差进行改正。本专利技术利用半球照相仪器和TRAC仪器的观测数据，提出一种计算叶面积指数真实值的理论方法，避免不同太阳天顶角条件下对计算叶面积指数的影响。
技术实现思路
通过TRAC仪器的观测数据计算获得的聚集度指数ΩE(θs)只能表达太阳光线方向上的叶片聚集，在结合TRAC仪器和半球照相仪器估计叶面积指数时，为了解决太阳天顶角不为0°而导致的叶面积指数被低估问题，本专利技术提出了一种新的叶面积指数估计方法。本专利技术的具体技术方案为：(1).半球照相仪器观测半球天空孔隙率，并据此估计垂直方向上的有效叶面积指数Le。以LAI-2000为例说明半球照相仪器获取半球天空孔隙率的技术方案，实际操作中优选但不限于LAI-2000。操作者将LAI-2000置于冠层下方，按照LAI-2000的操作规程进行观测。LAI-2000仪器自动将观测到的半球天空按天顶角分成5个环，每个环覆盖的天顶角范围分别为0°～13°、16°～28°、32°～43°、47°～58°和61°～74°。分别统计这5个环的孔隙率，并根据Miller于1967年建立的算法估计Le。其中，Wi＝cos(θi)·sin(θi)·d(θi)。θi是第i个环的中心天顶角，是每个环统计得到孔隙率的平均值，即假如在一个样地内使用半球照相方法进行了n次观测，则表示对第i个环n次测量得到孔隙率的平均值。(2).使用TRAC仪器观测冠层的孔隙大小和分布，并据此计算太阳光线方向的叶片聚集度指数ΩE(θs)。操作者按照TRAC仪器的使用规程在冠层下方进行观测，仪器根据叶片孔隙的大小和分布数据自动计算观测时刻太阳方向的聚集度指数，计算方法由JingmingChen于1995年提出，即其中，Pc(θs)是在太阳天顶角θs方向上由TRAC仪器观测获得的真实冠层孔隙率(有叶片聚集发生)。Pr(θs)是根据TRAC仪器自带算法计算的理想冠层孔隙率(叶片随机分布，无聚集ΩE(θs)表示太阳天顶角θs方向上的叶片聚集度。(3).将太阳天顶角θs方向上的叶片聚集度ΩE(θs)校正到太阳天顶角为0°时的叶片聚集度ΩE(0)。一般情况下，太阳天顶角θs方向上包含叶片聚集效应的冠层孔隙率表示为其中，G(θs)是太阳天顶角θs方向上的叶片方向投影函数。因此，θs方向上的叶片聚集度为太阳天顶角为0°方向上的叶片聚集度为其中，Pc(0)可以用半球照相法中最小一个环的孔隙率近似，例如用LAI-2000仪器中0°～13°这一环的孔隙率近似。太阳天顶角为0°时的叶片方向投影函数G(0)可根据Le和Pc(0)计算得到将G(0)和θs＝0代入Wilson在1960年建立的叶片平均倾角α(平面叶片法线方向与水平面间的夹角)在某方向上与叶倾角函数G(θs)的关系G(θs)＝cos(α)·cos(θs)α+θs≤90°G(θs)＝cos(α)·cos(θs)·{1+2/π·(tan(γ)-γ)}α+θs＞90°其中，γ＝arccos(cot(α)·cot(θs))。由于α取值范围在0°～90°之间，根据上式得到α＝arccos(G(0))。将已知的θs和α代入上式，得到G(θs)。进一步得到ΩE(0)。(4).根据垂直方向上的有效叶面积指数Le和垂直方向上的叶片聚集度指数ΩE(0)计算冠层叶面积指数LAI＝Le/ΩE(0)本专利技术的有益之处在于可以计算垂直方向上的叶面积指数。利用半球观测仪器和TRAC仪器的观测数据计算叶面积指数的过程中，可以解决太阳天顶角不为0°时造成的叶面积指数被低估问题。【附图说明】图1是本专利技术的流程图。【具体实施方式】本专利技术结合下面例子并参照附图详述具体实施方式：本例采用美国内布拉斯加Li-Cor公司生产的LAI-2000仪器采集半球照相数据。根据技术方案步骤(1)所述，操作者根据LAI-2000的操作规程，将其置于冠层下方，选取不同位置进行n次测量。LAI-2000将按照步骤(1)中所述的方法自动计算垂直于水平地面方向上的有效叶面积指数Le。如通过LAI-2000观测获得的Le值为3。采用加拿大渥太华Third-Wave机电公司生产的TRAC仪器采集冠层孔隙大小和分布数据。操作者根据TRAC的操作规程，在冠层下方垂直于太阳方向的平面上手持TRAC在行走过程中进行观测。TRAC在操作者行走过程中将自动观测和记录叶片间孔隙，并根据技术方案步骤(2)所述的方法自动计算观测时刻太阳天顶角方向上的叶片聚集度指数ΩE(θs)。同时也可以通过TRAC仪器自动计算太阳天顶角方向上的叶片孔隙率Pc(θs)。如通过TRAC仪器观测得到的Pc(θs)为0.1，ΩE(θs)为0.6。根据技术方案步骤(3)的计算方法为了获得ΩE(0)需要预先知道ΩE(θs)、G(θs)、G(0)、Pc(0)、Pc(θs)和θs。其中，ΩE(θs)和Pc(θs)已知，太阳天顶角θs可以根据观测时刻(格林尼治时间)和观测地点所处的经纬度(使用罗盘仪测量)获得，如此时太阳天顶角θs为45°，Pc(0)在LAI-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用地面光学仪器间接估计冠层叶面积指数的方法，主要包括以下步骤：(1)使用半球照相仪器采集半球天空孔隙率，并估计垂直方向上的有效叶面积指数L

【技术特征摘要】
1.一种利用地面光学仪器间接估计冠层叶面积指数的方法，主要包括以下步骤：(1)使用半球照相仪器采集半球天空孔隙率，并估计垂直方向上的有效叶面积指数Le；(2)使用TRAC仪器观测冠层的孔隙大小和数量，并计算观测时刻太阳方向上的叶片聚集度指数ΩE(θs)；(3)将太阳方向上的叶片聚集度指数ΩE(θs)校正到太阳天顶角为0°时的叶片聚集度指数ΩE(0)；(4)根据步骤(1)和步骤(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：范渭亮，周国模，杜华强，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33