一种测量林窗内光照时长的方法技术

本发明专利技术涉及一种测量林窗内光照时长的方法，包括以下步骤：在林窗中心点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；根据“双半球面影像法”测量林窗立体结构；根据林窗立体结构、纬度、坡度和坡向计算林窗内任意位置的最大光照时长；根据云层覆盖率和最大光照时长计算光照时长。本发明专利技术有益效果：考虑了复杂的林窗立体结构计算林窗光照时长，具有较高的测量精度，可以计算林窗任意位置的光照时长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及林学与生态学领域，具体地说是一种测量林窗内任意位置光照时长的方法。
技术介绍
林窗是森林更新的重要场所，也是森林群落演替的驱动要素。自1947年Watt提出林窗概念至今，国内外已开展了大量有关林窗的研究，林窗研究已成为当前森林生态学研究最活跃的领域之一。林窗的形成导致林窗内光等环境因子发生剧烈变化，进而影响林窗植物萌发、生长，影响林窗物种组成、分布格局和物种多样性等。 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。 林窗光环境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。张一平等对热带雨林、季雨林的气候特征进行研究表明，林窗内光照空间分布存在着明显的南北不对称性。王进欣等对西双版纳人工林林窗的研究结果表明，从林窗中心到林内各梯度上光照强度日变化曲线均为不对称的单峰型，光照在林窗北缘的影响范围大于其在南缘的，并随着林内的距离呈指数递减。 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。直接测量法精度最高，但最费时费力，成本昂贵。模型估测法最简单，对直射光和散射光均有相应的模型，但精度最差。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，但用于研究林窗光环境异质性时，则需要拍摄大量的相片，尤其对于大林窗，十分费时。目前，国内主要采用直接测量法中的连续监测法测量林窗光环境，国外主要采用相片法，其中林窗光指数使用最多。 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、揭示林窗与物种多样性的关系，有助于揭示林窗中植被演替和物种更新过程的机制。 林窗内全光环境通常可分成直射光和散射光。光照时长(sunshine duration，SD)与全光存在较强的相关性，尤其与直射光，且有研究表明直射光对林下以及空地的有效光合辐射(PAR)有重要的贡献。光照时长(SD)也是用于估测太阳辐射最常用的变量并广泛应用于许多经验模型中。林窗中某一确定位置的光照时长(SD)主要由太阳位置(太阳高度角和方位角)、林窗立体结构(大小、形状、边缘木高)、地形(坡度与坡向)以及云层状况决定。不考虑云层遮挡的光照时长(SD)被定义为最大光照时长(potential sunshine duration，PSD)。至今，仅有少数几篇论文介绍了林窗中最大光照时长(PSD)的计算方法。最先，Monsi&Oshima把林窗假设为最简单的圆柱体而计算林窗中各点的最大光照时长(PSD)；Takenaka在Monsi&Oshima的基础上考虑了坡度以及冠层的厚度，但假设林窗边缘木冠层厚度相同；Dai计算光照时长(SD)时把林窗假设为椭圆柱体，但并没有考虑坡度的影响。上述3种方法均不适用于具有复杂立体结构的实际林窗。因此，快速、客观、准确测量林窗光照时长的方法可用于估测林窗任意位置光环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，以能够客观、精确、快速测量林窗任意位置光照时长。 为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是 ，包括以下步骤 (1)在林窗中心点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； (2)根据“双半球面影像法”测量林窗立体结构； (3)根据林窗立体结构、纬度、坡度和坡向计算林窗内任意位置的最大光照时长，林窗内P点在时段(D)中的最大光照时长(PSD)可按下式计算 式中，时刻t以步长S(例如，0.5h)在时段D中递增；It记录P点在t时刻被直射光照射的状态，取值1(TH＜H时)或0(TH≥SH时)； (4)根据云层覆盖率(C)(可通过附近气象台站获得)和最大光照时长(PSD)计算光照时长，公式如下SD＝PSD×C。 本专利技术具有以下有益效果及优点可快速测量林窗任意位置的光照时长；具有较高的测量精度。 附图说明 图1是10度间隔的林窗立体结构示意图(单位m)； 图2是林窗坐标计算原理图。 具体实施例方式 本专利技术实施例所述的测量林窗内光照时长的方法，包括以下步骤 1.半球面影像的拍摄 在林窗中心点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； 2.林窗立体结构的计算 该方法基于在林窗内同一位置不同高度处垂直向上拍摄的2张半球面影像，称之为“双半球面影像法”(现有技术)，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是方位角，D和H分别是林窗林冠边缘点到测量点的水平距离、垂直距离(图1)。 3.最大光照时长的计算 3.1某一时刻太阳高度角和方位角的计算 把地球假设为标准球体，太阳高度角(SH)和方位角(SA)可分别按公式(2)和(3)计算 式中， 是纬度，δ太阳偏角(declination)，时间角(HA，hour angle)。 HA可按下式计算 HA＝(TIME-12)×π/12 式中，TIME指一天中某一时刻，单位为h，24小时格式； δ可按下式计算 式中，DAY为儒略日(Julian day)，可用现有技术的软件(Julian Day Converter V1.0 software)计算。 3.2判断林窗内某一点在某一时刻是否被太阳照射 图2中林窗中心点即坐标原点O，位于平面xy上方向为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、垂直距离分别为θE，f(θE)和g(θE)。P是林窗内某一特定点，它的极坐标可表示为(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。 当h(θp)等于0时，位于平面xy中方向为SA的射线PE的方程可表示为 DPE＝d(θP)· sinθP/sinθ(SA＝0) 式中，DPE是是射线PE上任意一点到坐标原点O的距离，方位角θ在SA和θP之间； 基于公式(2)和(3)，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，那么，将θE代入到公式(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量林窗内光照时长的方法，其特征在于：根据林窗立体结构、纬度、坡度和坡向计算林窗内任意位置在任意时段的最大光照时长，然后根据最大光照时长和云层覆盖率计算光照时长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡理乐，李俊生，全占军，吴晓莆，罗遵兰，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]