專利名稱：：一種測(cè)量林窗面積和形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及林學(xué)與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中關(guān)于林窗特征的測(cè)量方法，具體地說(shuō)是一種測(cè)量林窗面積和形狀的方法。
背景技術(shù)：
：林窗(或譯作"林隙"，gap)指由一株以上林冠層樹(shù)木死亡而形成的將由新個(gè)體占據(jù)與更新的空間，這一概念伴隨森林循環(huán)的研究而產(chǎn)生。林窗干擾是森林群落中經(jīng)常發(fā)生的重要的小尺度干擾，它不僅是自然森林群落演替的驅(qū)動(dòng)要素，也在森林的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)和生物多樣性維持中起著重要的作用，已成為當(dāng)前森林生態(tài)學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一。林窗特征的測(cè)量是林窗研究的基礎(chǔ)，主要包括林窗面積、形狀、年齡等。其中林窗面積是林窗最重要的特征，常被用作反映林窗內(nèi)光環(huán)境和其它資源有效性的間接指標(biāo)，也是計(jì)算森林循環(huán)速率(forestrecyclerate)的依據(jù)，前者的準(zhǔn)確性直接影響后者的估測(cè)結(jié)果。因此，快速準(zhǔn)確地測(cè)量林窗面積是生態(tài)學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前測(cè)量林窗面積的方法較多，這里介紹4種(l)橢圓法(EllipseMethod),將林窗近似成橢圓，測(cè)量林窗最長(zhǎng)軸和與其垂直方向上的最長(zhǎng)軸分別當(dāng)作橢圓的長(zhǎng)、短軸來(lái)估測(cè)林窗面積；(2)等角多邊形法(SiogonMethods,SMs)，將林窗近似成等角多邊形，測(cè)量從林窗中心點(diǎn)沿多個(gè)均分羅盤(pán)方向到林窗邊緣的距離，然后計(jì)算林窗面積；根據(jù)羅盤(pán)方向的數(shù)目可分為等角8邊形法(EquiangularOctagonMethod,EOM)和等角16邊形法(EquiangularSixteen-gonMethod，ESM);(3)等角橢圓扇形法(EquiangularEllipticSectors,EESs)，把從林窗中心沿多個(gè)均分羅盤(pán)方向到林窗林冠邊緣的距離中相鄰兩者之間的面積看作一個(gè)橢圓扇形，以這些橢圓扇形面積之和估測(cè)林窗面積。橢圓法最簡(jiǎn)單，使用較多，但精度差，尤其當(dāng)林窗形狀復(fù)雜時(shí)，其誤差較大。等角16邊形法由等角8邊形法演變而來(lái)，將林窗細(xì)化成更多部分，因此，精確度好于前者，但更耗時(shí)，使用遠(yuǎn)不及等角8邊形法廣泛。等角橢圓扇形法是在等角多邊形法的基礎(chǔ)上提出的，計(jì)算精度更加準(zhǔn)確。但以上各方法共同的缺點(diǎn)是受人為因素影響極大，且不同程度的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。林窗形狀也是林窗的一個(gè)重要特征。林窗形狀對(duì)資源在林窗內(nèi)的分布和有效性起著重要作用。一般來(lái)說(shuō)，林窗形狀越復(fù)雜，林窗的邊緣效應(yīng)(edgeeffect)越顯著，光、溫度、土壤水分以及土壤養(yǎng)分等資源將會(huì)形成一個(gè)從林窗中心點(diǎn)到林窗邊緣的變化梯度，從而影響植物的分布格局，并能提高和維持森林的植物種類多樣性。目前還沒(méi)有提出一種測(cè)量林窗形狀的方法。因此，找到快速、客觀、準(zhǔn)確測(cè)量林窗大小和形狀的方法對(duì)于林窗研究具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在林窗面積的測(cè)量受人為因素影響大、且費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠客觀、精確且易操作的測(cè)量林窗面積和形狀的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案是本發(fā)明一種測(cè)量林窗面積和形狀的方法具有以下步驟在林窗中某一位置用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝半球面影像，測(cè)量林窗參數(shù);對(duì)上述半球面影像進(jìn)行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)魚(yú)眼鏡頭的投影原理和各坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算林窗的面積和形狀。所述半球面影像的拍攝要求為在林窗內(nèi)某一點(diǎn)，將裝配有魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直安置在三角架上；相機(jī)光圈調(diào)至最小，焦距調(diào)至無(wú)窮遠(yuǎn)；選擇全陰天、日出前或日落后拍攝；半球面影像的正上方為羅盤(pán)正北方向；所述林窗參數(shù)包括林窗邊緣木平均高度、坡度與坡向；通過(guò)圖像處理軟件對(duì)半球面影像進(jìn)行處理，得到所有林窗邊緣木最高點(diǎn)坐標(biāo)，求得各坐標(biāo)點(diǎn)到影像中心點(diǎn)的距離；所述計(jì)算林窗面積包括以下步驟把林窗近似成多邊形，通過(guò)以下公式計(jì)算林窗面積(j):爿=0.51Z)y(,+1)."(,).sin(y(/+1)—柳/=1其中，"為林窗邊緣木的數(shù)量，最后一個(gè)點(diǎn)(/="+1)也是起始點(diǎn)(/=1),Y為邊緣木的方位角，Dy為Y方位的邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離；所述計(jì)算林窗形狀具體為采用周長(zhǎng)/面積比值戶M或形狀指數(shù)(s/)計(jì)算林窗形狀，其中5/=尸/2^;式中戶為林窗周長(zhǎng)，爿為林窗面積；所述林窗周長(zhǎng)(P)通過(guò)以下公式計(jì)算尸=_Aw.c。s(W+D-痛2+(""').+D_"0))2/=1其中，m為林窗邊緣木的數(shù)量，最后一個(gè)點(diǎn)(/="+1)也是起始點(diǎn)(/=1),Y為邊緣木的方位角，"^為Y方位的林窗邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離；所述林窗邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離(DY)的計(jì)算方法如下式中，H為林窗邊緣木平均高度，OC為坡度，P為坡向，/Z為鏡頭距地面的高度，Z為邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角。所述天頂角(Z)通過(guò)以下方法得到根據(jù)林窗邊緣木最高點(diǎn)在相片中投影點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的方位角(Y)及其到相片中心點(diǎn)的距離")，根據(jù)魚(yú)眼鏡頭的極坐標(biāo)投影原理公式求邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角(z):z/90=式中，7為2=90時(shí)投影點(diǎn)在半球面影像中的半徑距離。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)1.首次提出測(cè)量林窗形狀的方法，填補(bǔ)了這一研究領(lǐng)域的空白。2.可快速、客觀地測(cè)量林窗面積和形狀。3.具有較高的測(cè)量精度。4.測(cè)量結(jié)果不受測(cè)量位置的影響。圖l為本發(fā)明半球面影像的成像原理圖；圖2為本發(fā)明計(jì)算任意方位角林窗邊緣木在測(cè)量點(diǎn)上方的垂直高度示意圖；圖3A為本發(fā)明半球面影像法數(shù)據(jù)處理示意圖；圖3B為圖3A的局部放大圖；圖4為林窗面積與2個(gè)形狀指數(shù)的關(guān)系圖。具體實(shí)施方式(一)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取自某森林生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(41°51.102'N，124°54.543'E),海拔252~1116m,氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季炎熱多雨。年平均氣溫3.95.4。C,極端最高氣溫36.5°C,最低零下37.6。C。大于10。C的年活動(dòng)積溫2497.5~2943.0。C，無(wú)霜期120139d，年平均日照2433h，年降水量700850mm,降雨集中在68月份。植被隸屬于長(zhǎng)白山區(qū)系，以天然次生林為主，建群種有花曲柳(Fmx/m^^ywc/zop/^/a)、蒙古|樂(lè)(gwercMSmowgo/z.ca)、色木寺戚(icermo"o)、胡杉b梯大(c/wg7a"sma"A/7W7'ca)等，并有部分長(zhǎng)白落葉松()人工林和紅松(戶/做sA:ora/era^)人工林，還有小面積殘存的天然紅松林。(二)野外測(cè)量選擇12個(gè)大小不同的人工林窗和18個(gè)天然林窗為調(diào)查對(duì)象，選擇全陰天，在每個(gè)人工林窗內(nèi)5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)和每個(gè)天然林窗中心點(diǎn)安置三角架，垂直安置配有魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)，魚(yú)眼鏡頭比地面高A;相機(jī)光圈調(diào)至最小，焦點(diǎn)調(diào)至無(wú)窮遠(yuǎn)，垂直向上拍攝1張半球面影像，同時(shí)在每個(gè)林窗中隨機(jī)選5株林窗邊緣木測(cè)量平均高度//，并測(cè)量坡度a和坡向p。此外，在每個(gè)林窗中心點(diǎn)安置森林羅盤(pán)儀，測(cè)量沿16個(gè)羅盤(pán)方向(0,22.5,45,337.5度)到林冠邊緣垂直投影點(diǎn)的平行于坡面的距離。(三)林窗面積的計(jì)算(1)半球面影像法原理半球面影像法基于2個(gè)假設(shè)I.林窗邊緣木高相同；II.林窗所處的地形坡度一致，即a為恒定值。半球面影像的成像方式是極坐標(biāo)投影方式，即邊緣木林冠邊緣點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角z與投影點(diǎn)到相片中心點(diǎn)的距離r成線形關(guān)系(公式(l)):如圖l所示，五為一個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)，D為五到鏡頭光軸的垂直距離，r為五在半球面影像中的半徑距離，i為水平實(shí)測(cè)點(diǎn)在半球面影像中的半徑距離，z為邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角，則有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)根據(jù)幾何關(guān)系，可得到公式(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)式中，Dy為Y方位角林冠邊緣點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離，」S為Y方位角林冠邊緣點(diǎn)在魚(yú)眼鏡頭上方的高度。如圖2所示，O為測(cè)量點(diǎn)(即相機(jī)鏡頭所在位置)，ZOC萬(wàn)二(X(即坡度)，j五是林窗邊緣木高，￡^為林窗邊緣木在6>點(diǎn)上方的高度(//Y);以下關(guān)系式是成立的爿￡〃(95丄A^BC，OE'丄爿￡，爿C丄AOBC,ZyiSC=r~(3(其中Y為方位角，(3為坡向角)，^^=/^;根據(jù)以上關(guān)系式，可求得:J五'=OB=5C.tan(a),5C=￡Vcos(y—13)，」￡'=tan(a).DY.cos(y—(3);根據(jù)測(cè)量得到的平均高度//、坡度a及坡向p,可求得Y方位林冠邊緣點(diǎn)在魚(yú)眼鏡頭上方的高度7/y(公式(3)):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)式中，/2為鏡頭距地面的高度。將公式(3)代入公式(2)中，可得到公式(4):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)等角多邊形法(比照例)把平行于坡面的距離換算為水平距離，記作/2,/m,/;的羅盤(pán)方向?yàn)镺度，其它/的方位角以22.5度依次增加，至&羅盤(pán)方向?yàn)?37.5度。等角多邊形法的計(jì)算公式具體為X=0.5t/,+1./,'sin(27r/")(8)當(dāng)/="時(shí)，/,+7等于//。"等于16或8時(shí)，爿分別為等角16邊形法(equiangularsixteen-sidedpolygonmethod,ESM)或等角8邊形(equiangularoctagonmethod,EOM)法所計(jì)算的林窗面積。在本實(shí)施例中，共測(cè)量了16個(gè)羅盤(pán)方向的距離，因此，等角8邊形法有兩種求林窗面積的情況，它們基于2組不同數(shù)據(jù)，分別是(/7，/3，...，/75)和(/2,仏...，/M)。(3)數(shù)據(jù)處理及林窗面積和形狀的計(jì)算如圖3A、3B所示，在圖像處理軟件(本實(shí)施例釆用AdobeIllustrator)中，將半球面影像放大至1600%。在半球面影像中記錄每株林窗邊緣木林冠最高點(diǎn)的坐標(biāo)(圖中"x"為林窗邊緣木的最高點(diǎn))，如果該林窗有"株邊緣木，則共記錄"組坐標(biāo)值；根據(jù)坐標(biāo)值計(jì)算每個(gè)邊緣木林冠最高點(diǎn)的方位角Y及其r,根據(jù)公式1求z，根據(jù)公式(4)求DY,然后把林窗近似成"邊形求林窗面積^和周長(zhǎng)P(公式5和6)。j=0.51D—).sin(y(,+1)_y(0)(5)/=1尸=t扭(一_AwC0S(W+D-痛2+(Aw.sin("'.+D_柳)2(6)式中，w是林窗邊緣木的數(shù)量，最后一個(gè)點(diǎn)(/="+1)也是起始點(diǎn)(/=1),同時(shí)采用周長(zhǎng)/面積比值(尸")和形狀指數(shù)(S/:Shapeindex)計(jì)算林窗形狀(公式7):S/=iV2V^(7)(四)結(jié)果與分析分別計(jì)算半球面影像法的面積A(表1及表2中以^hpm表示)、等角16邊形法的面積jesm、兩個(gè)等角8邊形法的面積je0m—"jeom—2。借助專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件StatisticalProductandServiceSolutions(SPSS，v13.0),計(jì)算各方法間的相關(guān)性，用配對(duì)f檢驗(yàn)(pairedMest)比較上述各方法之間的差異，用方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)半球面影像法是否受拍攝的影響。各種方法計(jì)算林窗面積的結(jié)果列于表1,配對(duì)f檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表l.林窗面積的統(tǒng)計(jì)值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2.林窗面積的配對(duì)Mests結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注當(dāng)/>0.05時(shí)，兩數(shù)據(jù)間表現(xiàn)為無(wú)顯著差異；當(dāng)；<0.05時(shí)，兩數(shù)據(jù)間表現(xiàn)為顯著差異；當(dāng)/<0.01時(shí)，兩數(shù)據(jù)間表現(xiàn)為極顯著差異。半球面影像法、等角16邊形法、等角8邊形法倆倆之間具有高的相關(guān)性，其中，最小的相關(guān)系數(shù)/2=0.993("=30，/<0.001)，這表明3種方法之間存在高的相關(guān)關(guān)系。配對(duì)f檢驗(yàn)(表2)表明，半球面影像法測(cè)得的林窗面積^hpm與等角16邊形法的面積^esm、等角8邊形法的面積je0m—i沒(méi)有顯著差異，但jhpm更接近于爿esm。爿hpm比爿esm小1.43%,比je0m!^je0m2分別大2.95%和15.89%。這說(shuō)明半球面影像法具有較好的精度。方差分析(ANOVA)表明，半球面影像法在林窗內(nèi)不同位置測(cè)得的林窗面積沒(méi)有差異(d.f.=4，p=0.906),即半球面影像法不受拍攝位置的影響。所測(cè)30個(gè)林窗的2個(gè)形狀指數(shù)尸Z4和57分別為0.65±0.55(0.15~1.23)和1.32±0.35(1.06-2.02)。如圖4所示，57和PA4均由半球面影像法計(jì)算所得，實(shí)線和虛線分別代表當(dāng)林窗形狀為圓形時(shí)S/和戶"的值，"x"和"+"分別為S/和P"的實(shí)測(cè)值。當(dāng)林窗形狀為圓形時(shí)，5T為恒定值(等于1),而PM隨著林窗面積的增大而減少。Pearson相關(guān)指數(shù)表明，林窗面積與尸〃的相關(guān)性(/=_0.759,,0.001)比與57(i=—0.402,;=0.031)的相關(guān)性大，表明/v^受面積影響較大，而s/受面積影響較小。這說(shuō)明57是一個(gè)比p/j更好的形狀指數(shù)。綜合以上分析，我們得到以下結(jié)果半球面影像法是一種客觀、精確且易操作的測(cè)量林窗面積和形狀的方法，且半球面影像拍攝位置對(duì)測(cè)量結(jié)果不存在顯著的影響；通過(guò)時(shí)間系列的林窗的半球面影像，該方法可很好地監(jiān)測(cè)林窗大小和形狀的變化，因此，該方法對(duì)于林窗特征長(zhǎng)期地、比較性研究具有重要意義。各種方法計(jì)算得到的林窗面積參見(jiàn)表3,半球面影像法在人工林窗5個(gè)不同位置測(cè)得的林窗面積參見(jiàn)表4。表3.各種方法計(jì)算得到的林窗面積(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4.半球面影像法測(cè)得人工林窗5個(gè)不同位置的林窗面積(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1.一種測(cè)量林窗面積和形狀的方法，其特征在于具有以下步驟在林窗中某一位置用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝半球面影像；測(cè)量林窗參數(shù)；對(duì)上述半球面影像進(jìn)行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)魚(yú)眼鏡頭的投影原理和各坐標(biāo)點(diǎn)及林窗參數(shù)計(jì)算林窗的面積和形狀。2.按照權(quán)利要求l所述測(cè)量林窗面積和形狀的方法，其特征在于所述半球面影像的拍攝要求為在林窗內(nèi)某一點(diǎn)，將裝配有魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直安置在三角架上；相機(jī)光圈調(diào)至最小，焦距調(diào)至無(wú)窮遠(yuǎn)；選擇全陰天、日出前或日落后拍攝；半球面影像的正上方為羅盤(pán)正北方向。3.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量林窗面積和形狀的方法，其特征在于所述林窗參數(shù)包括林窗邊緣木平均高度、坡度與坡向。4.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量林窗面積和形狀的方法，其特征在于通過(guò)圖像處理軟件對(duì)半球面影像進(jìn)行處理，得到所有林窗邊緣木最高點(diǎn)坐標(biāo)，求得各坐標(biāo)點(diǎn)到影像中'。點(diǎn)的距離。5.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述計(jì)算林窗面積包括以下步驟把林窗近似成多邊形，通過(guò)以下公式計(jì)算林窗面積(J):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，w為林窗邊緣木的數(shù)量，最后一個(gè)點(diǎn)(/="+l)也是起始點(diǎn)(/=1),Y為邊緣木的方位角，Dy為Y方位的邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離。6.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述計(jì)算林窗形狀具體為釆用周長(zhǎng)/面積比值PA4或形狀指數(shù)(S/)計(jì)算林窗形狀，其中5/=戶/2^;式中P為林窗周長(zhǎng)，乂為林窗面積。7.按照權(quán)利要求1所述測(cè)量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述林窗周長(zhǎng)(尸)通過(guò)以下公式計(jì)算尸=t扭0+"_.cos的'+U_柳)2+(Ac)sin(W+"_柳)2其中，"為林窗邊緣木的數(shù)量，最后一個(gè)點(diǎn)(/="+1)也是起始點(diǎn)(/=1),Y為邊緣木的方位角，"(,)為Y方位的林窗邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離。8.按照權(quán)利要求5或7所述測(cè)量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于林窗邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭光軸的垂直距離(DY)的計(jì)算方法如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，/f為林窗邊緣木平均高度，oc為坡度，P為坡向，/z為鏡頭距地面的高度，z為邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角。9.按照權(quán)利要求8所述測(cè)量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述天頂角(z)通過(guò)以下方法得到根據(jù)林窗邊緣木最高點(diǎn)在相片中投影點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的方位角(Y)及其到相片中心點(diǎn)的距離")，根據(jù)魚(yú)眼鏡頭的極坐標(biāo)投影原理公式求邊緣木最高點(diǎn)到魚(yú)眼鏡頭垂直光軸的天頂角(z):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，7為2=90時(shí)投影點(diǎn)在半球面影像中的半徑距離。全文摘要本發(fā)明涉及林學(xué)與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中一種用來(lái)測(cè)量林窗面積和形狀的方法，具體步驟為在林窗中某一位置用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝半球面影像，測(cè)量林窗參數(shù)；對(duì)上述半球面影像進(jìn)行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)魚(yú)眼鏡頭的投影原理和各坐標(biāo)點(diǎn)及林窗參數(shù)計(jì)算林窗的面積和形狀。本發(fā)明首次提出測(cè)量林窗形狀的方法，填補(bǔ)了這一研究領(lǐng)域的空白，采用本發(fā)明方法可快速測(cè)量林窗面積和形狀，避免了現(xiàn)有方法中人為因素的影響，并提高了林窗面積估測(cè)精度，容易操作，測(cè)量結(jié)果不受測(cè)量位置的影響。文檔編號(hào)G01C11/00GK101319897SQ200710011580公開(kāi)日2008年12月10日申請(qǐng)日期2007年6月6日優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日發(fā)明者朱教君,胡理樂(lè)申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所