半球摄影法在石质文物现场调查中的应用研究

在研究石质文物病害形成机理时,掌握太阳辐射长期变化情况对其影响是重要的调查项目。但目前多数相关调查研究只能依靠建立环境监测站来实现。半球摄影法是一种快速测量天空开阔度的方法,在生态学等学科中被广泛使用。通过对日本、国内两处石质文物保护实际现场调查,半球摄影法被证明可以有效应用于环境监测装置选点,判断太阳位置变化对石质文物影响,以及比较石质文物不同位置受太阳辐射的长期变化。该方法具有便捷、经济且高效的特点,可以作为辅助手段更多应用在石质文物保护调查过程中环境监测装置选点与判断太阳辐射影响的相关初步测量与数据分析中。

基于半球摄影法的LAI自动组网测量系统设计与应用

针对叶面积指数地面测量工作量大、效率低等问题,研制基于半球摄影法的叶面积指数组网观测系统。该系统基于半球摄影技术和无线传感网络技术,改进图像自适应分割算法,对复杂条件下植被冠层图像进行准确分割,从而实时获取LAI等冠层结构信息;针对5 min采集频率原始数据波动的问题,提出“最稳定窗口”精校正算法,提取每日LAI代表值。与LAI-2200C对比试验结果表明,两者LAI测量值具有极显著相关性,玉米、林地和草地植被类型下相关系数分别为0.95、0.69和0.87;在江苏溧阳、吉林长春多植被类型试验中两种仪器测量结果的相关系数分别达到85%和81%,均为极显著水平;与MODIS MOD15A2H长时间序列产品对比试验也表明,两者的相关系数达到0.98,准确反映小麦从返青到成熟期叶面积动态变化趋势。系统具有快速准确、经济方便、使用范围广、可实现多站点长期监测的优点,已在多个观测站得到应用,其研制将对遥感产品真实性检验及农业、生态、气候变化等领域的科研与实践提供有力支撑。

基于半球摄影法的便携式叶面积指数测量仪研制

快速测量叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是农业、生态及环境领域野外实验研究的重要任务。针对现有测量仪器的不足,设计并实现了基于半球摄影法的便携式叶面积指数测量仪(H-LAI)。针对"叶片-背景"分割这一关键技术问题,基于大津阈值算法和HSV颜色空间,构建了自适应分割算法,解决了复杂环境条件下图片自适应分割的难题。与LAI-2200测量对比结果表明,该测量仪测量结果极显著相关,R达到0.690 6(树木)、0.837 1(草地)和0.928 7(玉米)。该测量仪的研制实现了LAI准确、快速获取和存储管理,为遥感产品真实性验证、农业及生态野外试验提供了便利。

接地材料与土壤接触电阻测定方法研究

正确估算接地网接地导体与土壤之间的接触电阻,可有效减少接地网接地材料设计环节出现的“过保护”和“欠保护”现象发生,并对合理选择接地网的型式、导体规格及材料类型具有十分重要的意义。从接地材料与土壤的接触电阻和接触面积的线性关系出发,采用同心布置的半球形接地极和回流极,对以往方法进行改进,包括接地极电阻、接地极-土壤接触电阻和土壤电阻的线性关系,研究接地材料与土壤之间接触电阻的测定方法,建立同心布置的半球形试验平台。利用试验平台测量了硬体和软体两种类型接地材料在不同土壤环境下的土壤接触电阻,并针对热镀锌钢和石墨基柔性接地材料进行了试验分析。结果表明,随着土壤颗粒度的增加,接地极与土壤的接触电阻增大,石墨基柔性接地极在各种土壤环境中与土壤的接触电阻都比热镀锌钢接地极低。

马尾松林叶面积指数季节动态的测定

【目的】评价光学仪器法测定马尾松林叶面积指数(LAI)的精度,为准确监测马尾松林LAI季节动态提供技术支持。【方法】以凋落物法测定值代表马尾松林真实的LAI,对展叶调查、异速生长方程法和光学仪器法(半球摄影法和LAI-2200植物冠层分析仪)获取的马尾松林LAI季节动态进行评估,并量化不同因素包括集聚指数(ΩE)、木质比例(α)和针簇比(γE)对光学仪器测定值的影响。【结果】马尾松林内主要树种的平均叶寿命为1.53~1.94,比叶面积(SLA)差异较大(99.15~278.33 cm^(2)/g)。不同方法测定马尾松林LAI的季节动态均呈单峰形变化模式,且在7月达到峰值。在各调查时期,凋落物法的测定值与异速生长方程法的测定值差异不显著。半球摄影法测定的有效叶面积指数(Le)比凋落物法、异速生长方程法的测定值分别低估了49%~64%和47%~61%;LAI-2200植物冠层分析仪法测定的Le低估了25%~44%和20%~42%。半球摄影法测定的Le经自动曝光、α、ΩE及γE校正后,精度明显提高,比凋落物法、异速生长方程法平均低估了8%和5%;LAI-2200植物冠层分析仪法测定的Le经α、ΩE及γE校正后,其精度大幅度提高,比凋落物法、异速生长方程法平均低估了6%和2%。【结论】考虑影响光学仪器法测定LAI的因素后,半球摄影法和LAI-2200植物冠层分析仪法测定的LAI精度得到明显提高,表明两种光学仪器法均能相对准确地测定马尾松林LAI的季节动态,可为不同区域马尾松林LAI季节动态的研究提供方法参考。

光学仪器法测定叶面积指数季节变化的误差分析

【目的】以黑龙江凉水国家级自然保护区人工林地为研究区,探讨影响间接法（光学仪器法）测定森林叶面积指数（LAI）季节变化精度的因素,为更准确地运用该方法测定LAI提供科学依据。【方法】以红松人工林和兴安落叶松人工林为研究对象,利用直接法和半球摄影法（DHP）及LAI-2000植物冠层分析仪2种间接法测定其LAI季节变化（5—10月）,并研究光学仪器法测定LAI精度的误差源（木质部、冠层水平上的集聚效应、簇内集聚效应和自动曝光设置）产生偏差的季节性变异。【结果】对于红松人工林,DHP和LAI-2000在不同时期测定的LAI均低于直接法测定值,分别低估55%-68%和19%-35%;对于兴安落叶松人工林,DHP和LAI-2000在大部分时期低于直接法测定值,但在叶凋落后期均高于直接法测定值。不同误差源的校正参数及其对光学仪器法产生的偏差均存在明显的季节性差异。对于红松人工林,不同时期所有误差源产生的总偏差分别平均解释DHP,LAI-2000与直接法测定的LAI间差异的84%和79%。对于兴安落叶松人工林,利用Photoshop（PS）法校正木质部产生误差的情况下,不同时期所有误差源产生的总偏差对DHP、LAI-2000与直接法测定的LAI间差异的平均解释率分别为80%和65%,而利用背景值法校正木质部产生误差时,相应的平均解释率均低于5%。【结论】2种针叶林内,经过校正后DHP均比LAI-2000更适于测定LAI的季节变化;同时利用PS法校正2种光学仪器法在测定LAI季节变化时木质部产生误差的效果优于背景值法。

一种基于激光点云的叶面积指数求取方法

为了获取林分的叶面积指数,提出了一种基于激光点云数据的计算方法.将地面激光扫描仪获取的三维点云数据缩放在球的表面上,再投影到平面上,根据统计学原理得到冠层孔隙度,然后分别使用Miller公式法和迭代反演法得到叶面积指数,并与实测叶面积指数进行比较,最后与用冠层分析系统获取的结果进行对比.用半球摄影法得到的叶面积指数为1.4356和1.4338,而用激光点云法得到的值为1.1913和1.0703,成功用激光点云数据计算出树木冠层叶面积指数.用激光点云数据计算叶面积指数的方法具有相对准确性、可行性.由于三维数据投影时孔隙偏大,导致激光点云法的结论数据相对较小.

数字半球摄影法获取植被表观聚集指数(ACI)采样尺度效应研究

植被聚集指数CI (Clumping Index)表征植被冠层叶片的聚集程度,是影响冠层内辐射传输的重要植被结构参数,对更好地理解冠层的辐射传输具有重要意义。数字半球摄影法DHP (DigitalHemispherical Photography)与有限长度平均方法的结合被广泛应用于地面CI估算,研究表明,有限长度平均法应用于DHP图像时所划分的采样单元大小与CI测量结果密切相关,即CI随图像采样尺度的变化会表现出有意义的变化,植被表观聚集指数ACI (Apparent Clumping Index)故应运而生,ACI的提出有助于加深对植被聚集效应的理解,拓展植被CI的地面间接测量,同时也对CI星载遥感产品的验证提出了新的挑战。目前,应用有限长度平均法估算ACI时,DHP图像中划分的采样单元的大小对ACI估算的影响规律,及其随不同植被类型的变化规律有待进一步探索。针对上述问题,本研究基于DHP图像,分别以一系列逐级增大的角度采样尺度对观测天顶角和方位角进行划分,共得到30种采样方法、17级角度采样分辨率,并将其分别应用于林、灌、草和农作物四种地类,探究了ACI在不同植被类型下随17级角度采样分辨率变化而变化的规律;同时,探讨了ACI的角度采样尺度效应与植被在空间中的分布形态,以及农作物生长阶段之间的密切联系。结果表明,在四种地类下,随17级角度采样分辨率的降低ACI从约0.5变化至0.8,平均增幅分别达到26%、29%、14%和35%;在大豆作物的不同生长阶段,随17级角度采样分辨率由高到低的变化,ACI的增长存在一定差异,增幅最大可达60%。本研究针对CI地面测量的不一致性问题展开研究,揭示了ACI角度采样尺度效应的方向依赖性规律,总结了不同植被类型下角度采样尺度对ACI估算结果影响的统一性和差异性,有望为CI遥感产品验证的不确定性分析提供地面测量数据变化的精细分析支撑。

小兴安岭白桦次生林叶面积指数的估测

叶面积指数(LAI)是量化冠层结构最常用的参数之一,准确估测LAI对森林生态系统结构特性的研究具有重要意义。利用半球摄影图像法和LAI-2000法及半球摄影图像法结合凋落物法估测了小兴安岭白桦次生林LAI及其动态变化。首先对该林型叶凋落末期(11月初)的半球摄影图像进行合理校正(包括木质部分所占比例α,冠层水平集聚指数ΩE),校正值作为该时期常绿树种的真实LAI(LAIt),结合各调查期的凋落物数据,得到落叶季节(7—11月)的LAIt,并以该值为参考值,对比分析了两种光学仪器法估测值。结果表明:两种光学仪器法在LAI最大时期低估(分别低估2.83%、6.20%),其他时期显著高估(平均高估118.13%、89.34%),但两种光学仪器法与探讨方法估测值存在很好的相关性:LAIt=-1.1393+1.0934.LAIHP,R2=0.80;LAIt=-0.1712+0.6259.LAILAI-2000,R2=0.83。研究结果可为将来方便、快捷、准确的估测白桦次生林的LAI提供参考。

抚远地区三种林型叶面积指数的估测

利用半球摄影法(间接法)和凋落物法(直接法),测定了抚远地区蒙古栎林、山杨林和落叶阔叶林的叶面积指数(LAI),对半球摄影法参数?、?E进行了计算,并对该方法获得的叶面积指数值进行了校正。对比分析了不同季节半球摄影法和凋落物法测定的叶面积指数。结果表明:?值范围为4.2%~15.36%之间;山杨林的平均?E最高(0.75),其次是落叶阔叶林(0.72),蒙古栎林最低(0.71);样点?E的最大值出现在山杨林,最小值是蒙古栎林,3种林型?E的最大值和最小值都相差较大;3种林型DHP获得的有效叶面积指数(LAIe)整体趋势是相同的,最大值都出现在8月,获得的LAIe的平均值依次为:蒙古栎林(1.15)>落叶阔叶林(1.04)>山杨林(0.89);凋落物法获得的LAIt,蒙古栎林、山杨林、落叶阔叶林分别为3.67、4.28和3.17,最小值分别为0.33、0.68、0.20。

植物冠层结构参数测量中存在的问题及对策

测量冠层结构参数对生物量估算以及模拟植物生长的模型等有重要意义,但现有测量方法复杂且不够精确。针对三维激光点云数据,探讨了冠层测量中遇到的问题,对这些问题,提出了基于半球摄影法的冠层参数计算方法,并验证了方法的正确性和可靠性。

自动曝光对半球摄影法测量叶面积指数及其季节变化的影响

自动曝光是影响半球摄影法(DHP)测量叶面积指数(LAI)精度的重要误差源之一.本研究基于小兴安岭地区的阔叶红松林、白桦次生林、红松人工林和兴安落叶松人工林,利用DHP和LAI-2200植物冠层分析仪分别测量6—9月每个月中旬的LAI,首先比较两种方法测量LAI的差异性,再检验森林类型和测量时期对建立两种方法测定值间的相关关系是否存在显著影响,最后构建适于校正不同森林类型不同时期自动曝光对DHP测量LAI产生误差的经验模型.结果表明:4种森林类型4个时期内,在自动曝光设置下DHP测量的LAI比LAI-2200测量值低估20%～49%;森林类型对构建两种方法测量LAI值的经验模型不存在显著影响,而测量时期存在显著影响.本研究构建的A、B两种分类经验模型,分别适用于校正4种森林类型在6和9月、7和8月DHP测量的LAI.经分类经验模型校正后,DHP测量4种森林类型4个时期的LAI值提高了45%～79%,测量精度可提高到83%～94%.通过DHP和LAI-2200测量LAI值间的经验模型,可有效校正自动曝光对DHP测量LAI的影响,极大地提高其测量精度,为使用DHP快捷、高效地测量不同森林类型的LAI及其季节动态提供技术支持.

不同林龄马尾松人工林叶面积指数的测定

【目的】以评估光学仪器法测定马尾松人工林叶面积指数(LAI)的精度、量化不同因素的影响,以异速生长方程法测定LAI为参考合理校正光学仪器法测量值,为马尾松林LAI的精准测定提供技术支持。【方法】以贵州省黔中地区马尾松人工幼龄林(8 a)、中龄林(13 a)、近熟林(22 a)及成熟林(30 a)为对象,采用半球摄影(Digital hemispherical photography,DHP)和LAI—2200植物冠层分析仪(LAI—2200)两种光学仪器法估测林冠LAI,量化木质比例(Woody-to-total area ratio,木质部面积占叶片和木质部总面积的比例)、集聚指数(Clumping index,冠层水平上的集聚效应)和针簇比(Needle-to-shoot area ratio,簇内水平上的集聚效应,即针叶面积与样簇面积比)对光学仪器测定值的影响。同时以异速生长方程法测定值为参考,评估和校正两种光学仪器法测定LAI的精度。【结果】马尾松针簇比为1.51~1.70,随着林龄的增大呈显著增大趋势(P<0.05);木质比例在0.01~0.14之间,表现为幼龄林<成熟林<近熟林<中龄林;幼龄林的集聚指数最小(0.79),且与其他林龄的值存在显著差异(P<0.05)。马尾松人工林的LAI随林龄增大呈单峰型变化,DHP测定的有效LAI比异速生长方程法测定值平均低估50%(42%~56%),LAI—2200测定的有效值比异速生长方程法测定值平均低估41%(37%~49%)。DHP测的有效LAI经木质比例、集聚指数和针簇比校正后,精度明显提高,但仍比异速生长方程法测定值低估3%~31%;LAI—2200测的有效LAI经校正后,精度大幅度提高,与异速生长方程法测定值的差异小于10%。异速生长方程法测定LAI与光学仪器法测定值的线性回归关系显著(P<0.01),0.43<R^(2)<0.70,0.41<RMSE<0.83。【结论】基于异速生长方程法和两种光学仪器法(DHP和LAI—2200)构建的回归方程适用于马尾松人工林有效LAI的校正,而合理量化木质比例、集聚效应及针簇比等误差源是提高光学仪器测定LAI精度的关键。

Study on Measuring Device for Bearing Clearance of Hemisphere Dynamic Pressure Motor

The clearance of the hemisphere dynamic pressure motor is small and difficult to measure, the measurement method of micro clearance is studied. The shortcomings of the original measurement method are analyzed, and a clearance measuring device for the hemisphere dynamic pressure motor is designed, which improves the measurement efficiency and stability.

利用直接法和间接法测定针阔混交林叶面积指数的季节动态

利用光学仪器法能够快速、高效地测定森林生态系统的叶面积指数(leaf area index,LAI)。然而,评估该方法测定针阔混交林LAI季节动态准确性的研究较少。该研究基于凋落物法测定了小兴安岭地区阔叶红松(Pinus koraiensis)林LAI的季节动态,其结果可代表真实的LAI。参考真实的LAI,对半球摄影法(digital hemispherical photography,DHP)和LAI-2000植物冠层分析仪测定的有效叶面积指数(effective LAI,Le)进行了评估。首先对DHP测定LAI过程中采用的不合理曝光模式(自动曝光)进行了系统校正。同时,测定了光学仪器法估测LAI的主要影响因素(包括木质比例(woody-to-total area ratio,α)、集聚指数(clumping index,E)和针簇比(needle-to-shoot area ratio,γE))的季节变化。结果表明:3种不同方法测定的LAI均表现为单峰型的季节变化,8月初达到峰值。从5月至11月,DHP测定的Le比真实的LAI低估50%–59%,平均低估55%;而LAI-2000植物冠层分析仪测定的Le比真实的LAI低估19%–35%,平均低估27%。DHP测定的Le经过自动曝光,α、E和γE校正后,精度明显提高,但仍比真实的LAI低估6%–15%,平均低估9%;相对而言,LAI-2000植物冠层分析仪测定的Le经过α、E和γE校正后,精度明显提高,各时期与真实的LAI的差异均小于9%。研究结果表明,考虑木质部和集聚效应对光学仪器法的影响后,DHP和LAI-2000植物冠层分析仪均能相对准确地测定针阔混交林LAI的季节动态,其中,DHP的测定精度高于85%,而LAI-2000植物冠层分析仪的测定精度高于91%。

基于光学仪器法测定谷地云冷杉林叶面积指数的季节变化

利用半球摄影法（DHP）和LAI-2000植物冠层分析仪两种光学仪器法（间接法）以及凋落物法（直接法）,研究了小兴安岭谷地云冷杉林叶面积指数（LAI）的季节变化,并构建了不同季节直接法与间接法测定的LAI间的相关关系.结果表明：在整个试验期间,DHP测定的LAI比直接法测定值低估40%~48%,LAI-2000植物冠层分析仪的低估范围为15%~26%;不同时期直接法与DHP和LAI-2000植物冠层分析仪测定的LAI均显著相关,且均可合并为A、B、C 3类预测模型,可以分别预测5和11月,6、9和10月,7和8月的LAI.本研究结果可为高效、准确地测定针叶林LAI的季节变化提供参考.

利用3种校正方案提高间接法测定兴安落叶松人工林叶面积指数的精度

木质部和集聚效应是影响间接法测定叶面积指数(LAI)精度的主要因素,尤其是木质部的校正一直存在争议。针对这一问题,该研究首先利用半球摄影法(DHP)和LAI-2000植物冠层分析仪法(LAI-2000法)2种间接法测定了小兴安岭兴安落叶松(Larix gmelinii)人工林叶面积最大时期的有效LAI(L_e),然后提出了A、B、C 3种校正方案来提高间接法的测定精度。同时,利用凋落物法和异速生长方程法2种直接法测定LAI,以凋落物法测定值为标准来评估3种校正方案的校正效果,并检验天顶角范围对校正结果是否存在显著影响。结果表明:在0–45°(1–3环)、0–60°(1–4环)、45°–60°(4环)及0–75°(1–5环)4种不同天顶角范围内,DHP测定的L_e比凋落物法、异速生长方程法测定值分别低估19%–32%和8%–29%;而LAI-2000法也得到相似的结论,分别低估9%–30%和8%–28%。虽然校正方案A高估了木质部对LAI的贡献,但在45o–60o天顶角范围内,能有效地校正DHP测定的L_e,在1–3环和1–4环天顶角范围内,能有效地校正LAI-2000法测定的L_e。4种天顶角范围内,校正方案B均能有效地校正DHP测定的L_e。整体来看,4种天顶角范围内,校正方案C对DHP和LAI-2000法测定值的校正效果均优于其他2种方案。研究结果表明除木质部和集聚效应外,天顶角范围的选择也是决定间接法测定LAI精度的重要因素。