SunScan和HemiView 植物冠層分析系統(tǒng)在LAI測定應(yīng)用中的對比

前言

LAI植物葉面積指數(shù)的測量通常要求采用無損的方法進(jìn)行。SunScan植物冠層分析儀和HemiView數(shù)字式植物冠層分析儀是兩種采用不同模型計(jì)算葉面積指數(shù)的典型儀器設(shè)備。本文將從其采用的模型、測量的參數(shù)、具體的應(yīng)用等方面進(jìn)行對比，為如何選擇SunScan和HemiView提供指導(dǎo)和參考。此外，本文也將第一次涉及HemiView和BF5的搭配應(yīng)用案例。

背景

Campbell (1986)于1986年提出了通過冠層的單一直射光束（the Direct solar beam）的橢圓葉角分布函數(shù)。這個(gè)函數(shù)通過單一參數(shù)，即橢圓葉角分布參數(shù)（ELADP），可以描述很多不同類型的冠層。在這個(gè)模型里，植物冠層的橢圓葉角分布系數(shù)由橢球的平面半徑除垂直半徑得到。

基于植物冠層的葉面積指數(shù)和橢圓葉角分布系數(shù)計(jì)算理論，某一特定天頂角入射光線穿過植物冠層的消光系數(shù)可由下式計(jì)算：

同時(shí)，冠層孔隙度也符合比爾定律，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

得到冠層孔隙度指標(biāo)后，通過半球影像分析和入射光截光率測量，都可以轉(zhuǎn)化為植物葉面積指數(shù)。尤其是在獲得多個(gè)天頂角度的冠層孔隙度時(shí)，再加上橢圓葉角分布的評估也可以轉(zhuǎn)化為植物葉面積指數(shù)。這是HemiView植物冠層分析儀和SunScan植物冠層分析儀共同的理論背景。并且由于該模型尺度的獨(dú)立性，所以實(shí)際應(yīng)用中無需考慮植物冠層的實(shí)際厚度，只針對整個(gè)冠層的葉面積指數(shù)進(jìn)行評價(jià)。

SunScan 植物冠層分析系統(tǒng)中的LAI模型

SunScan植物冠層分析系統(tǒng)中，利用BF5光輻射測量儀監(jiān)測冠層上方直射光和散射光輻射的狀況，通過SS1探頭測量冠層下方總的透射光。我們假設(shè)太陽輻射為一個(gè)常態(tài)，直射光的衰減是均勻化的，以便應(yīng)用Campbell模型進(jìn)行計(jì)算。為此我們還需要知道入射光的入射角度，以及冠層葉片角度的分布，以便輸入SunScan系統(tǒng)作為計(jì)算依據(jù)。然后SunScan模型中還需要的第三類參數(shù)是評估葉表面的吸光系數(shù)，因?yàn)樵诠趯酉路綔y得的透射光除了穿過冠層孔隙的部分，肯定還有一小部分是由于葉片沒有完全反射或吸收而穿透下來的光輻射。

HemiView 植物冠層分析系統(tǒng)中的LAI模型

HemiView從某種角度來說，計(jì)算理論相對簡單一些。首先，我們假設(shè)獲取天空半球圖像時(shí)，是處于無太陽且光照條件均一的情況下；其次，HemiView獲得的圖片是閾值化的，主要分析的是冠層上方各個(gè)方向入射光經(jīng)過冠層后的透射光和攔截率。所以在這個(gè)過程中無需考慮光反射，散射光也無需關(guān)注。這樣一來就簡化了計(jì)算過程，因?yàn)闊o需考慮光強(qiáng)和光反射，只關(guān)注透射光和光吸收即可。并且HemiView測量的透射光考慮到了各種可能的角度，可以據(jù)此來評估葉角分布和LAI指數(shù)。因此，在HemiView中，冠層葉面角度分布是一個(gè)輸出值，而不是像SunScan中是個(gè)需要提前評估的參數(shù)。

HemiView植物冠層分析系統(tǒng)中光輻射計(jì)算 

HemiView在計(jì)算LAI指數(shù)過程中不會用到光強(qiáng)，但植物冠層上下方的光輻射強(qiáng)度狀況還是需要進(jìn)行評估。計(jì)算光輻射主要依據(jù)半球圖像中預(yù)設(shè)的冠層結(jié)構(gòu)和相關(guān)系數(shù)，這樣無論冠層上方光照條件如何，我們都能計(jì)算出冠層下方的光照條件。因此通過一張圖片，我們甚至可以計(jì)算出冠層下方一年的光照條件或某一冠層結(jié)構(gòu)基本不變的時(shí)段內(nèi)冠層下方的光照條件。HemiView同樣含有評估直射光和散射光（干凈的天空條件下）的光學(xué)模型，但HemiView不會將葉片反射考慮在光輻射計(jì)算之內(nèi)，在這個(gè)方面SunScan做的更好一些

實(shí)際森林植被冠層中的應(yīng)用

真實(shí)的尤其是混合樹種的森林植被冠層，由于其冠層結(jié)構(gòu)的高度不均一和不確定性，將使LAI模型的假設(shè)和計(jì)算結(jié)果差之毫厘謬以千里。假設(shè)你認(rèn)為HemiView計(jì)算得到的LAI是有效的理想的，也就是說一個(gè)均勻植物冠層的LAI指數(shù)預(yù)示了冠層均一的光截留，但這和實(shí)際狀況下的LAI并非完全一致。植物冠層的生長與光截留密切相關(guān)，因此，如果應(yīng)用HemiView中實(shí)際測量的冠層可見光來評估其對植物冠層的影響，將比各種假設(shè)推理得到的結(jié)論更能體現(xiàn)植物冠層的異質(zhì)性。如果將BF5，一個(gè)可測量冠層上方實(shí)際總輻射和散射輻射的光照輻射傳感器，引入HemiView系統(tǒng)，將能更好地優(yōu)化HemiView計(jì)算理論和結(jié)果的可信性。

HemiView植物冠層分析系統(tǒng)與BF5太陽輻射傳感器的聯(lián)用

植物冠層半球圖像是冠層的幾何學(xué)投影，能夠提供很多冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。如果利用其它途徑引入直射和散射光的測量（譬如小型氣象站、總輻射模型或者BF5太陽輻射傳感器的直接測量）將對評估冠層下方光照狀況更有說服力。

HemiView植物冠層分析系統(tǒng)與BF5太陽輻射傳感器如何聯(lián)用？

這取決于您要做什么：

A:匹配HemiView的太陽模型與當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r，這一般應(yīng)用于長期監(jiān)測。HemiView的太陽模型中需要輸入大氣的透射系數(shù)和總?cè)肷涔庵械纳⑸涔獗嚷省?/strong>