專利名稱：：一種測量林窗面積和形狀的方法
技術領域：
：本發明涉及林學與生態學領域中關于林窗特征的測量方法，具體地說是一種測量林窗面積和形狀的方法。
背景技術：
：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體占據與更新的空間，這一概念伴隨森林循環的研究而產生。林窗干擾是森林群落中經常發生的重要的小尺度干擾，它不僅是自然森林群落演替的驅動要素，也在森林的結構、動態和生物多樣性維持中起著重要的作用，已成為當前森林生態學研究最活躍的領域之一。林窗特征的測量是林窗研究的基礎，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光環境和其它資源有效性的間接指標，也是計算森林循環速率(forestrecyclerate)的依據，前者的準確性直接影響后者的估測結果。因此，快速準確地測量林窗面積是生態學家們關注的焦點。目前測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，測量林窗最長軸和與其垂直方向上的最長軸分別當作橢圓的長、短軸來估測林窗面積；(2)等角多邊形法(SiogonMethods,SMs)，將林窗近似成等角多邊形，測量從林窗中心點沿多個均分羅盤方向到林窗邊緣的距離，然后計算林窗面積；根據羅盤方向的數目可分為等角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橢圓扇形，以這些橢圓扇形面積之和估測林窗面積。橢圓法最簡單，使用較多，但精度差，尤其當林窗形狀復雜時，其誤差較大。等角16邊形法由等角8邊形法演變而來，將林窗細化成更多部分，因此，精確度好于前者，但更耗時，使用遠不及等角8邊形法廣泛。等角橢圓扇形法是在等角多邊形法的基礎上提出的，計算精度更加準確。但以上各方法共同的缺點是受人為因素影響極大，且不同程度的費時費力。林窗形狀也是林窗的一個重要特征。林窗形狀對資源在林窗內的分布和有效性起著重要作用。一般來說，林窗形狀越復雜，林窗的邊緣效應(edgeeffect)越顯著，光、溫度、土壤水分以及土壤養分等資源將會形成一個從林窗中心點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。目前還沒有提出一種測量林窗形狀的方法。因此，找到快速、客觀、準確測量林窗大小和形狀的方法對于林窗研究具有重要的意義。
發明內容針對現有技術中存在林窗面積的測量受人為因素影響大、且費時費力的問題，本發明的目的在于提供一種能夠客觀、精確且易操作的測量林窗面積和形狀的方法。為實現上述目的，本發明釆用的技術方案是本發明一種測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碼相機垂直向上拍攝半球面影像，測量林窗參數;對上述半球面影像進行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點的坐標；根據魚眼鏡頭的投影原理和各坐標點計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某一點，將裝配有魚眼鏡頭的數碼相機垂直安置在三角架上；相機光圈調至最小，焦距調至無窮遠；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；所述林窗參數包括林窗邊緣木平均高度、坡度與坡向；通過圖像處理軟件對半球面影像進行處理，得到所有林窗邊緣木最高點坐標，求得各坐標點到影像中心點的距離；所述計算林窗面積包括以下步驟把林窗近似成多邊形，通過以下公式計算林窗面積(j):爿=0.51Z)y(,+1)."(,).sin(y(/+1)—柳/=1其中，"為林窗邊緣木的數量，最后一個點(/="+1)也是起始點(/=1),Y為邊緣木的方位角，Dy為Y方位的邊緣木最高點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離；所述計算林窗形狀具體為采用周長/面積比值戶M或形狀指數(s/)計算林窗形狀，其中5/=尸/2^;式中戶為林窗周長，爿為林窗面積；所述林窗周長(P)通過以下公式計算尸=_Aw.c。s(W+D-痛2+(""').+D_"0))2/=1其中，m為林窗邊緣木的數量，最后一個點(/="+1)也是起始點(/=1),Y為邊緣木的方位角，"^為Y方位的林窗邊緣木最高點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離；所述林窗邊緣木最高點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離(DY)的計算方法如下式中，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為邊緣木最高點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角。所述天頂角(Z)通過以下方法得到根據林窗邊緣木最高點在相片中投影點的坐標值計算每個坐標點的方位角(Y)及其到相片中心點的距離")，根據魚眼鏡頭的極坐標投影原理公式求邊緣木最高點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角(z):z/90=式中，7為2=90時投影點在半球面影像中的半徑距離。本發明具有以下有益效果及優點1.首次提出測量林窗形狀的方法，填補了這一研究領域的空白。2.可快速、客觀地測量林窗面積和形狀。3.具有較高的測量精度。4.測量結果不受測量位置的影響。圖l為本發明半球面影像的成像原理圖；圖2為本發明計算任意方位角林窗邊緣木在測量點上方的垂直高度示意圖；圖3A為本發明半球面影像法數據處理示意圖；圖3B為圖3A的局部放大圖；圖4為林窗面積與2個形狀指數的關系圖。具體實施方式(一)實驗地點實驗地點選取自某森林生態實驗站(41°51.102'N，124°54.543'E),海拔252~1116m,氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，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的年活動積溫2497.5~2943.0。C，無霜期120139d，年平均日照2433h，年降水量700850mm,降雨集中在68月份。植被隸屬于長白山區系，以天然次生林為主，建群種有花曲柳(Fmx/m^^ywc/zop/^/a)、蒙古|樂(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)野外測量選擇12個大小不同的人工林窗和18個天然林窗為調查對象，選擇全陰天，在每個人工林窗內5個隨機點和每個天然林窗中心點安置三角架，垂直安置配有魚眼鏡頭的數碼相機，魚眼鏡頭比地面高A;相機光圈調至最小，焦點調至無窮遠，垂直向上拍攝1張半球面影像，同時在每個林窗中隨機選5株林窗邊緣木測量平均高度//，并測量坡度a和坡向p。此外，在每個林窗中心點安置森林羅盤儀，測量沿16個羅盤方向(0,22.5,45,337.5度)到林冠邊緣垂直投影點的平行于坡面的距離。(三)林窗面積的計算(1)半球面影像法原理半球面影像法基于2個假設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投影方式，即邊緣木林冠邊緣點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角z與投影點到相片中心點的距離r成線形關系(公式(l)):如圖l所示，五為一個實測點，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為水平實測點在半球面影像中的半徑距離，z為邊緣木最高點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角，則有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)根據幾何關系，可得到公式(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)式中，Dy為Y方位角林冠邊緣點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離，」S為Y方位角林冠邊緣點在魚眼鏡頭上方的高度。如圖2所示，O為測量點(即相機鏡頭所在位置)，ZOC萬二(X(即坡度)，j五是林窗邊緣木高，￡^為林窗邊緣木在6>點上方的高度(//Y);以下關系式是成立的爿￡〃(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)，^^=/^;根據以上關系式，可求得:J五'=OB=5C.tan(a),5C=￡Vcos(y—13)，」￡'=tan(a).DY.cos(y—(3);根據測量得到的平均高度//、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,/;的羅盤方向為O度，其它/的方位角以22.5度依次增加，至&羅盤方向為337.5度。等角多邊形法的計算公式具體為X=0.5t/,+1./,'sin(27r/")(8)當/="時，/,+7等于//。"等于16或8時，爿分別為等角16邊形法(equiangularsixteen-sidedpolygonmethod,ESM)或等角8邊形(equiangularoctagonmethod,EOM)法所計算的林窗面積。在本實施例中，共測量了16個羅盤方向的距離，因此，等角8邊形法有兩種求林窗面積的情況，它們基于2組不同數據，分別是(/7，/3，...，/75)和(/2,仏...，/M)。(3)數據處理及林窗面積和形狀的計算如圖3A、3B所示，在圖像處理軟件(本實施例釆用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的坐標(圖中"x"為林窗邊緣木的最高點)，如果該林窗有"株邊緣木，則共記錄"組坐標值；根據坐標值計算每個邊緣木林冠最高點的方位角Y及其r,根據公式1求z，根據公式(4)求DY,然后把林窗近似成"邊形求林窗面積^和周長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是林窗邊緣木的數量，最后一個點(/="+1)也是起始點(/=1),同時采用周長/面積比值(尸")和形狀指數(S/:Shapeindex)計算林窗形狀(公式7):S/=iV2V^(7)(四)結果與分析分別計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、兩個等角8邊形法的面積je0m—"jeom—2。借助專業數據統計分析軟件StatisticalProductandServiceSolutions(SPSS，v13.0),計算各方法間的相關性，用配對f檢驗(pairedMest)比較上述各方法之間的差異，用方差分析(ANOVA)檢驗半球面影像法是否受拍攝的影響。各種方法計算林窗面積的結果列于表1,配對f檢驗結果見表2。表l.林窗面積的統計值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2.林窗面積的配對Mests結果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注當/>0.05時，兩數據間表現為無顯著差異；當；<0.05時，兩數據間表現為顯著差異；當/<0.01時，兩數據間表現為極顯著差異。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性，其中，最小的相關系數/2=0.993("=30，/<0.001)，這表明3種方法之間存在高的相關關系。配對f檢驗(表2)表明，半球面影像法測得的林窗面積^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不同位置測得的林窗面積沒有差異(d.f.=4，p=0.906),即半球面影像法不受拍攝位置的影響。所測30個林窗的2個形狀指數尸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算所得，實線和虛線分別代表當林窗形狀為圓形時S/和戶"的值，"x"和"+"分別為S/和P"的實測值。當林窗形狀為圓形時，5T為恒定值(等于1),而PM隨著林窗面積的增大而減少。Pearson相關指數表明，林窗面積與尸〃的相關性(/=_0.759,,0.001)比與57(i=—0.402,;=0.031)的相關性大，表明/v^受面積影響較大，而s/受面積影響較小。這說明57是一個比p/j更好的形狀指數。綜合以上分析，我們得到以下結果半球面影像法是一種客觀、精確且易操作的測量林窗面積和形狀的方法，且半球面影像拍攝位置對測量結果不存在顯著的影響；通過時間系列的林窗的半球面影像，該方法可很好地監測林窗大小和形狀的變化，因此，該方法對于林窗特征長期地、比較性研究具有重要意義。各種方法計算得到的林窗面積參見表3,半球面影像法在人工林窗5個不同位置測得的林窗面積參見表4。表3.各種方法計算得到的林窗面積(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4.半球面影像法測得人工林窗5個不同位置的林窗面積(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1.一種測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碼相機垂直向上拍攝半球面影像；測量林窗參數；對上述半球面影像進行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點的坐標；根據魚眼鏡頭的投影原理和各坐標點及林窗參數計算林窗的面積和形狀。2.按照權利要求l所述測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某一點，將裝配有魚眼鏡頭的數碼相機垂直安置在三角架上；相機光圈調至最小，焦距調至無窮遠；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.按照權利要求1所述測量林窗面積和形狀的方法，其特征在于所述林窗參數包括林窗邊緣木平均高度、坡度與坡向。4.按照權利要求1所述測量林窗面積和形狀的方法，其特征在于通過圖像處理軟件對半球面影像進行處理，得到所有林窗邊緣木最高點坐標，求得各坐標點到影像中'。點的距離。5.按照權利要求1所述測量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述計算林窗面積包括以下步驟把林窗近似成多邊形，通過以下公式計算林窗面積(J):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，w為林窗邊緣木的數量，最后一個點(/="+l)也是起始點(/=1),Y為邊緣木的方位角，Dy為Y方位的邊緣木最高點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離。6.按照權利要求1所述測量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述計算林窗形狀具體為釆用周長/面積比值PA4或形狀指數(S/)計算林窗形狀，其中5/=戶/2^;式中P為林窗周長，乂為林窗面積。7.按照權利要求1所述測量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述林窗周長(尸)通過以下公式計算尸=t扭0+"_.cos的'+U_柳)2+(Ac)sin(W+"_柳)2其中，"為林窗邊緣木的數量，最后一個點(/="+1)也是起始點(/=1),Y為邊緣木的方位角，"(,)為Y方位的林窗邊緣木最高點到魚眼鏡頭光軸的垂直距離。8.按照權利要求5或7所述測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到魚眼鏡頭光軸的垂直距離(DY)的計算方法如下<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為邊緣木最高點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角。9.按照權利要求8所述測量林窗的面積和形狀的方法，其特征在于所述天頂角(z)通過以下方法得到根據林窗邊緣木最高點在相片中投影點的坐標值計算每個坐標點的方位角(Y)及其到相片中心點的距離")，根據魚眼鏡頭的極坐標投影原理公式求邊緣木最高點到魚眼鏡頭垂直光軸的天頂角(z):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，7為2=90時投影點在半球面影像中的半徑距離。全文摘要本發明涉及林學與生態學領域中一種用來測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碼相機垂直向上拍攝半球面影像，測量林窗參數；對上述半球面影像進行處理，記錄相片中林窗邊緣木最高點的坐標；根據魚眼鏡頭的投影原理和各坐標點及林窗參數計算林窗的面積和形狀。本發明首次提出測量林窗形狀的方法，填補了這一研究領域的空白，采用本發明方法可快速測量林窗面積和形狀，避免了現有方法中人為因素的影響，并提高了林窗面積估測精度，容易操作，測量結果不受測量位置的影響。文檔編號G01C11/00GK101319897SQ200710011580公開日2008年12月10日申請日期2007年6月6日優先權日2007年6月6日發明者朱教君,胡理樂申請人:中國科學院沈陽應用生態研究所