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

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算葉面積指數(shù)的典型儀器設備。本文將從其采用的模型、測量的參數(shù)、具體的應用等方面進行對比，為如何選擇SunScan和HemiView提供指導和參考。此外，本文也將第一次涉及HemiView和BF5的搭配應用案例。

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)可由下式計算：

同時，冠層孔隙度也符合比爾定律，可用下式進行計算：

得到冠層孔隙度指標后，通過半球影像分析和入射光截光率測量，都可以轉化為植物葉面積指數(shù)。尤其是在獲得多個天頂角度的冠層孔隙度時，再加上橢圓葉角分布的評估也可以轉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立性，所以實際應用中無需考慮植物冠層的實際厚度，只針對整個冠層的葉面積指數(shù)進行評價。

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。我們假設太陽輻射為一個常態(tài)，直射光的衰減是均勻化的，以便應用Campbell模型進行計算。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)，因為在冠層下方測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，計算理論相對簡單一些。首先，我們假設獲取天空半球圖像時，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方向入射光經過冠層后的透射光和攔截率。所以在這個過程中無需考慮光反射，散射光也無需關注。這樣一來就簡化了計算過程，因為無需考慮光強和光反射，只關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輸出值，而不是像SunScan中是個需要提前評估的參數(shù)。

HemiView植物冠層分析系統(tǒng)中光輻射計算 

HemiView在計算LAI指數(shù)過程中不會用到光強，但植物冠層上下方的光輻射強度狀況還是需要進行評估。計算光輻射主要依據(jù)半球圖像中預設的冠層結構和相關系數(shù)，這樣無論冠層上方光照條件如何，我們都能計算出冠層下方的光照條件。因此通過一張圖片，我們甚至可以計算出冠層下方一年的光照條件或某一冠層結構基本不變的時段內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）的光學模型，但HemiView不會將葉片反射考慮在光輻射計算之內，在這個方面SunScan做的更好一些

實際森林植被冠層中的應用

真實的尤其是混合樹種的森林植被冠層，由于其冠層結構的高度不均一和不確定性，將使LAI模型的假設和計算結果差之毫厘謬以千里。假設你認為HemiView計算得到的LAI是有效的理想的，也就是說一個均勻植物冠層的LAI指數(shù)預示了冠層均一的光截留，但這和實際狀況下的LAI并非完全一致。植物冠層的生長與光截留密切相關，因此，如果應用HemiView中實際測量的冠層可見光來評估其對植物冠層的影響，將比各種假設推理得到的結論更能體現(xiàn)植物冠層的異質性。如果將BF5，一個可測量冠層上方實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計算理論和結果的可信性。

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投影，能夠提供很多冠層結構參數(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?shù)氐臍夂驙顩r，這一般應用于長期監(jiān)測。HemiView的太陽模型中需要輸入大氣的透射系數(shù)和總入射光中的散射光比率。

1. 將BF5置于冠層上方，長期運行以獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)
2. 據(jù)此得出監(jiān)測點的月總直射輻射和散射輻射
3. 利用HemiView計算出相關值
4. 修正大氣的透射系數(shù)和總入射光中的散射光比率值

這樣的修正將使得利用HemiView及其太陽模型得到更有說服力的計算結果。

B.應用BF5測量植物冠層上方實際的光輻射狀況，以便HemiView計算冠層孔隙度。

B.1  長期監(jiān)測

1、分析BF5的監(jiān)測數(shù)據(jù)給出月總散射輻射，以及直射輻射的月總值、每天的分時值

2、這些數(shù)據(jù)乘以立地因子（計算散射輻射）和冠層孔隙度（計算直射輻射）

3、將數(shù)據(jù)相加得到冠層下方的透射光輻射情況

• =上方散射輻射（BF5測得）xISF（from HemiView）
• =上方直射輻射（BF5測得）x冠層孔隙度（fromHemiView）

B.2  光斑或時間表分析

利用BF5的實測數(shù)據(jù)修正HemiView中的時間表

冠層下方的輻射=上方直射輻射x時間表中的太陽軌跡

B.3  時間方程式修正

HemiView 內嵌了太陽時，也即太陽在正南的時候定義為中午12點，但是由于地球圍繞太陽公轉的軌道偏差，太陽時和鐘表時可能會有高達20分鐘的時間差，這必須要經常予以修正。

如何選擇SunScan和HemiView植物冠層分析系統(tǒng)

HemiView 相對于SunScan詳細評估了冠層的幾何學影響

BF5結合HemiView應用提供了快速直接的太陽光輻射測量

SunScan植物冠層分析系統(tǒng)實時測量冠層上方和下方的PAR光照水平，結合冠層結構理論模型，計算植物冠層LAI指數(shù)，易于重復測量且便于攜帶。HemiView植物冠層分析系統(tǒng)通過分析冠層半球影像的幾何學特征以計算LAI指數(shù)，并且可計算得出冠層上下方光照水平。

農作物較為低矮，冠層也相對均一，契合SunScan植物冠層分析系統(tǒng)的理論假設和模型，因此SunScan植物冠層分析系統(tǒng)非常適合用于低矮的農作物和植被冠層分析，而由于高大喬木或森林植物冠層上方的光照情況難以測量，所以SunScan植物冠層分析系統(tǒng)無能為力。

HemiView植物冠層分析系統(tǒng)，則非常適用于評估冠層結構復雜，并且受冠層高度影響較小，因此更適合應用于高大喬灌木冠層的分析，尤其是結合BF5太陽輻射傳感器的測量。相反，由于很難獲取低矮作物冠層的半球影像，且其冠層結構隨著快速生長的較快變化都使得應用HemiView評估其LAI有失偏頗。

所以，總的來說兩者都能針對多種冠層類型進行分析。SunScan植物冠層分析更適用于低矮、生長有規(guī)律、冠層均一的分析應用，HemiView植物冠層分析系統(tǒng)（配備BF5太陽光照輻射傳感器更好）則更適用于高大、冠層結構復雜的分析應用。

SunScan和HemiView植物冠層分析系統(tǒng)對比一覽表

	HemiView 植物冠層分析系統(tǒng)	SunScan 植物冠層分析系統(tǒng)
技術原理	通過獲取冠層半球影像，然后分析影像獲得植物冠層特征	通過測量直射光和散射光，計算植物冠層參數(shù)
系統(tǒng)組成	硬件包括相機、魚眼鏡頭、自平衡支架及必要附件，軟件為HemiView分析軟件	SunScan探頭式傳感器，SunData軟件,  BF5光輻射傳感器和手持數(shù)據(jù)終端
適用冠層類型	非常適用于高大、不規(guī)則的冠層結構類型，譬如森林	非常適用于低矮、規(guī)則的冠層結構類型，譬如農作物，能很好地反映出冠層PAR截留率
光照條件測量	需要均一的光照條件（黎明、黃昏以及陰天或多云都可以）	任意光照條件下都可以（最好是白天測量）
太陽輻射	利用冠層半球影像，根據(jù)幾何學特征計算太陽輻射	利用傳感器直接測量太陽光輻射：總入射和透射光，以及冠層上方的直射和散射光
LAI葉面積指數(shù)	通過圖像分析和內嵌模型計算得到	通過傳感器測量值和內嵌模型計算得到