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)均分羅盤方向到林窗邊緣的距離，然后計(jì)算林窗面積；根據(jù)羅盤方向的數(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)到魚眼鏡頭光軸的垂直距離；所述林窗邊緣木最高點(diǎn)到魚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)魚眼鏡頭的極坐標(biāo)投影原理公式求邊緣木最高點(diǎn)到魚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，垂直安置配有魚眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)，魚眼鏡頭比地面高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)安置森林羅盤儀，測(cè)量沿16個(gè)羅盤方向(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)到魚眼鏡頭光軸的垂直距離，」S為Y方位角林冠邊緣點(diǎn)在魚眼鏡頭上方的高度。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,/;的羅盤方向?yàn)镺度，其它/的方位角以22.5度依次增加，至&羅盤方向?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)魚眼鏡頭的極坐標(biāo)投影原理公式求邊緣木最高點(diǎn)到魚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