全 文 ：森林冠层地面叶面积指数光学测量方法研究进展*
邹摇 杰1,2**摇 阎广建2
( 1 福州大学福建省空间信息工程研究中心空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室, 福州 350002; 2 北京师范大学地理
学与遥感科学学院遥感科学国家重点实验室, 北京 100875)
摘摇 要摇 作为表征植被冠层结构的核心参数之一,叶面积指数(LAI)控制着植被冠层的多种
生物物理和生理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环、降水截获、能量交换等.本文首先阐述了森
林冠层地面 LAI光学测量方法的理论基础和数学模型;其后介绍了目前主流光学测量方法的
测量原理及其优缺点;归纳了 LAI 光学测量方法的主要误差来源(聚集效应、非光合作用组
分、观测条件和地形效应),并分析总结了聚集效应、非光合作用组分和地形效应的定量评估
现状;最后展望了森林冠层地面 LAI光学测量方法的未来发展方向.
关键词摇 光学测量方法摇 叶面积指数摇 非光合作用组分摇 聚集效应摇 地形效应摇 森林冠层
文章编号摇 1001-9332(2010)11-2971-09摇 中图分类号摇 S716. 2摇 文献标识码摇 A
Optical methods for in situ measuring leaf area index of forest canopy: A review. ZOU Jie1,2,
YAN Guang鄄jian2 ( 1Key Laboratory of Data Mining and Information Sharing, Ministry of Educa鄄
tion, Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University, Fuzhou 350002,
China; 2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, School of Geography, Beijing Normal Uni鄄
versity, Beijing 100875, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(11): 2971-2979.
Abstract: Leaf area index (LAI) is an important parameter of canopy structure, because it relates
to many biophysical and physiological processes of canopy, including photosynthesis, respiration,
transpiration, carbon cycling, precipitation interception, and energy exchange, etc. This paper
introduced the theoretical bases and mathematical models of optical methods for forest canopy LAI
determination, introduced the principles, merits, and drawbacks of currently used optical methods,
and summed up the main sources of the errors in LAI optical measurement, including clumping
effect, non鄄photosynthesis components, measurement conditions, and terrain effect. The developing
status of quantitatively evaluating clumping effect, non鄄photosynthesis components, and terrain
effect was analyzed, and the promising development directions of optical methods for measuring
forest canopy LAI were discussed.
Key words: optical methods; leaf area index; non鄄photosynthesis components; clumping effects;
terrain effect; forest canopy.
*国家自然科学基金项目(41001203,30972299)、国家重点基础研究
发展计划项目前期研究专项(2009CB426310)、福州大学科技发展基
金项 目 ( 2010鄄XQ鄄15 ) 和 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目
(2007AA10Z227)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zoujie@ fzu. edu. cn
2010鄄04鄄26 收稿,2010鄄09鄄06 接受.
摇 摇 叶面积指数 ( leaf area index,LAI)指单位地表
面积上所有绿色植物器官表面积的一半[1] . 作为表
征植被冠层结构的核心参数之一,LAI 控制着植被
冠层的多种生物物理和生理过程,如光合、呼吸、蒸
腾、碳循环、降水截获和能量交换等. 目前 LAI 已广
泛应用于森林生长及生产力模型、作物生长模型、净
初级生产力模型、大气模型、水文模型等模型以及林
学、植物学、生态学、农学等领域[2-4] .
森林冠层地面 LAI测量方法分为直接测量方法
和间接测量方法. 直接测量方法历史悠久、技术成
熟、测量精度较高,但由于需破坏性采样、费时费力,
仅适用于小范围测量. 间接测量方法指通过测量其
他相关参数来间接推导 LAI,与直接测量方法相比
具有经济、高效等特点,因此一般情况下森林冠层地
面 LAI测量均采用间接测量方法[5] .间接测量方法
主要包括相对生长测定法、斜点样方法和光学测量
法.目前主要采用光学测量方法测量森林冠层 LAI,
该测量方法所使用的仪器主要包括 LAI鄄2000、Hem鄄
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 11 月摇 第 21 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2010,21(11): 2971-2979
iView、TRAC、DHP 和 SunScan 等[5] . 森林冠层地面
LAI 的测量精度受多种因素影响,目前光学测量仪
器及方法尚未形成统一标准,国内外学者针对各光
学测量方法开展了大量研究. 本文综述了光学测量
方法的理论基础、测量森林冠层地面 LAI 的主要光
学测量仪器和方法以及森林冠层地面 LAI光学测量
方法误差来源和定量评估现状,旨在为森林冠层
LAI的高精度地面间接测量提供参考.
1摇 LAI光学测量方法的理论基础
传统辐射传输方程早期应用于光辐射在大气和
粒子介质中的传播,由于大气与连续植物冠层在光
学和结构特性之间的相似性,后来被扩展于连续植
被冠层辐射传输描述. 森林冠层 LAI 光学测量方法
的理论基础为连续植被冠层辐射传输方程,该方程
与传统辐射传输模型在散射体几何特征、冠层几何
形状、冠层组分空间分布、光学厚度和光谱特性等方
面均存在差异,因而需引入其他的辅助手段,如叶面
法线分布函数、叶片空间分布函数和叶片投影函数
等开展森林冠层辐射传输描述[6] .
1郾 1摇 叶面法线分布函数和投影函数
当仅考虑冠层组分单次散射时,森林冠层内光
合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR,
400 ~ 700 nm)的辐射传输仅与冠层几何结构(即冠
层组分空间分布)相关. 假设叶片上表面法线方向
为叶片空间取向,用 rL(兹L渍L)表示,其中 兹L、渍L 分别
为叶片上表面法线天顶角和方位角. 在冠层高度 z
处,单位体积元内落在以 rL 为中心的单位立体角内
叶面积概率为(1 / 2仔)gL( z,rL),则:
1
2仔乙
赘L
gL( z,rL)d赘L = 1 (1)
其中,gL( z,rL) 为冠层高度 z、叶片法线方向 rL 处的
叶片法线分布函数,赘L为叶片立体角.由于
gL( z,rL)
2仔
| cos rL^r | d赘L为 d赘L立体角内单位叶面积在 r方向
的投影,则投影函数:
G( rL,r) = 乙
赘L
gL( z,rL)
2仔 | cos rL^r | d赘L (2)
式中,G(酌L,r)为单位叶面积在 r方向的投影,其中,
| cosrL^r | = cos兹cos兹L + sin兹sin兹Lcos(渍 - 渍L),r为任
意法线方向,兹、渍分别为 r法线方向的天顶角和方位
角.当叶片方位角与天顶角相互独立时,叶片法线分
布函数可分解为方位角概率分布与天顶角概率分布
的乘积,即:
1
2仔gL( z,rL) = gL( z,兹L)·
hL( z,渍L)
2仔 (3)
式中:hL( z,渍L) 和 gL( z,兹L) 分别为冠层高度 z、叶片
法线方向 rL 处的叶片法线方位角和天顶角概率分
布函数,其分别满足[4]:
1
2仔乙
2仔
0
hL( z,渍L)d渍L = 1
乙
仔 / 2
0
gL( z,兹L)sin兹Ld兹L = 1 (4)
基于植被冠层生理特征,冠层叶片方位角分布常假
设各向同性. de Wit[7] 1965 年提出了 6 种典型的冠
层叶片天顶角分布概率函数,后来国内外学者又相
继提出椭球分布、Beta分布、三角函数分布和双参数
椭球分布等函数类型[8-9] .
1郾 2摇 LAI计算模型
森林冠层 LAI光学测量方法计算模型均由植被
冠层辐射传输方程推导而来,目前有 3 种不同的表
达形式,即泊松模型(间隙率模型)、正二项式分布
模型、负二项式分布模型.其中,泊松模型可表示为:
P =
Ib
Ia
= e -KL (5)
式中:P为冠层间隙率或透过率;Ib 和 Ia 分别为冠底
和冠顶辐射强度;L为叶面积指数; K为消光系数,K
= G(兹) / cos兹,兹为天顶角,G(兹) 为投影函数.
正二项式分布模型、负二项式分布模型可分别
表示为:
P = 1 - 驻LGcos[ ]兹
L / 驻L
P = 1 + 驻LGcos[ ]兹
-L / 驻L
(6)
式中:L为N层总叶面积指数;驻L为各单元层叶面积
指数.正、负二项式分布模型均将森林冠层在高度方
向划分为相互独立 N的个单元层,两者之间的区别
在于正二项式分布模型假设单元层内各叶片相互不
重叠,而负二项式分布模型假设单元层内各叶片之
间最大限度地重叠[6] . 间隙率模型为正、负二项式
分布模型的特例,它假设冠层在水平方向无限延伸
且其叶片空间随机分布[6] . 目前常规手段均难以获
取冠层内叶片空间分布函数,因而实际应用中常假
设冠层叶片空间随机分布并采用间隙率模型开展地
面 LAI测量.
Chen等[10]提出了可消除冠层基本组分(包括
树叶、树干、树枝、花、果等冠层内部所有组分)聚集
效应、冠层基本组分内部聚集效应、非光合作用组分
2792 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
(树干、树枝、花、果等不参与光合作用的冠层组分,
又称为木质组分)影响等误差来源的高精度地面
LAI计算方法:
P=e[-PAIeK(1-琢)赘e / 酌] (7)
式中:琢为木质总面积比;赘e 为冠层基本组分聚集
指数;酌为束簇面积比;PAIe 为有效总面积指数,是
采用指 LAI鄄2000、DHP、SunScan 等传统光学方法的
测量结果.
2摇 森林冠层地面 LAI光学测量仪器及方法
2郾 1摇 LAI鄄2000
LAI鄄2000 是由美国 LI鄄COR 公司开发的一款叶
面积测量仪,它配备具有 148毅视场角的鱼眼镜头并
在 5 个中心环感应器成像,感应器波谱响应范围为
320 ~ 490 nm. LAI鄄2000 采用间隙率模型计算有效
总面积指数和平均叶倾角,其理论模型有 4 个基本
假设:1)叶片为黑体;2)冠层组分大小远小于同心
环投影面积,外业测量时传感器与叶片间距离为叶
片大小的 4 倍以上;3)叶片空间随机分布;4)叶片
方位角随机分布.各同心环在冠层底部及顶部的辐
射测量值之比即为冠层间隙率 P(兹),其 LAI计算公
式如下:
PAIc = - 2移
5
i = 1
ln(P(兹i))cos(兹i)w(兹i) (8)
式中:w(兹i) = sin(兹i)d兹i( i = 1,…,5),其在5个中心
角(7毅、23毅、38毅、53毅、68毅)的值分别为0郾 034、0郾 104、
0郾 160、0郾 218、0郾 494[11] .
LAI鄄2000 是目前应用最广泛的地面 LAI 光学
测量方法,可较好地应用于连续均匀冠层的测
量[12],但在非均匀、不连续森林区及复杂地形区的
测量结果往往不理想[2] . LAI鄄2000 测量冠层漫散射
辐射时,测量精度受太阳直射影响明显,其最佳观测
时间为黎明前、黄昏后和阴天天气条件[10] . LAI鄄
2000 需冠顶或附近空旷区域辐射参考值,在林分密
度大的林区及复杂地形区,往往由于缺少理想的辐
射参考值而难以得到精度可靠的测量结果[2] .
2郾 2摇 DEMON
DEMON是由澳大利亚联邦科学与工业研究组
织(Australia爷s Commonwealth Scientific and Industrial
Research Organisation,CSIRO)推出的一款以测量太
阳直射透射率从而计算 LAI 的仪器. DEMON 利用
小视场角的传感器可测量波长在 430 nm 以下的太
阳直接辐射,外业测量时操作员需以恒速行进并保
持传感器朝向太阳入射方向,其仅能测量太阳入射
天顶角方向的冠层间隙率. 为了提高地面 LAI 测量
精度,外业测量时 DEMON 需在不同太阳高度角下
多次观测,测量样线长度则取决于测量区域森林冠
层空间异质性,通常样线长度可设为 300 m 或更长
的距离以对冠层充分采样. DEMON 理论模型采用
间隙率模型,且假设冠层组分空间随机分布[13] .
DEMON仅在天空晴朗无云环境下工作,同时
每个样地需在不同太阳高度角下多次重复测量,因
而增加了其在 LAI 测量中的应用难度. LAI鄄2000 单
次测量即可获得冠层 5 个天顶角方向间隙率,地面
LAI测量时 DEMON往往被 LAI鄄2000 替代[2] .
2郾 3摇 跟踪辐射与冠层结构测量仪
跟踪辐射与冠层结构测量仪(TRAC)是由陈镜
明等研制的目前唯一一款可测量冠层基本组分聚集
指数的商业化仪器,其主要由 3 个量子传感器(400
~ 700 nm)、信号放大器、模数转换器、微处理器、时
钟、存储器等组成. 3 个量子传感器可分别测量直射
PAR、散射 PAR 和地面反射 PAR,结合直射 PAR 和
地面反射 PAR 测量结果可计算森林冠层间隙率.
TRAC采用高频抽样技术(32 Hz)沿样线横切线以
约 0郾 3 m·s-1的恒速测量太阳直射 PAR,横切线高
空间密度 PAR数据则可用于确定冠层间隙率及间
隙大小分布[14] .
TRAC利用间隙率大小分布数据定量评估冠层
基本组分聚集效应,其测量结果为太阳入射天顶角
方向冠层基本组分聚集指数. TRAC 无法穿透针叶
簇内叶束间缝隙,因而其针叶林冠层测量结果为大
于簇尺度的冠层基本组分聚集指数,针叶簇内部聚
集效应则由其他方法测量. 森林冠层不同天顶角方
向冠层基本组分聚集指数需在不同太阳高度角下多
次测量,由于 TRAC需在天空晴朗无云条件下测量,
因而在一定程度上限制了其广泛应用[5] .
2郾 4摇 AccuPAR Ceptometer和 SunScan探测器
AccuPAR Ceptometer 和 SunScan 探测器均由线
性规则排列的传感器组成,其中,AccuPAR 探测器
包含 80 个光电二极管,SunScan Ceptometer 探测器
由 64 个光电二极管组成,光电二极管波谱感应范围
在 400 ~ 700 nm.线性传感器在冠层上、下方测量值
的比值即为冠层间隙率或光斑比例,AccuPAR Cep鄄
tometer和 SunScan测量原理基于间隙率模型并假设
冠层叶倾角椭球分布,其 LAI计算公式为:
P = e -K(x,兹)·PAIe (9)
式中:K(x,兹) 为消光系数.
379211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邹摇 杰等: 森林冠层地面叶面积指数光学测量方法研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
K(x,兹) = x
2 + tan兹2
x + 1郾 702(x + 1郾 12) -0郾 708
(10)
式中,x(0郾 1 ~ 10) 为椭球纵轴与横轴比值,球体分
布的 x = 1[15] .
AccuPAR Ceptometer 为 SunScan 的升级产品,
其探测器配置的光电二极管数目从 40 个增加到 80
个,从而提高了地面 LAI测量效率及精度. AccuPAR
Ceptometer和 SunScan可同时测量太阳直射和散射,
它们在晴天及阴天天气条件下均可工作. 但由于仪
器未考虑太阳半影效应影响,且针对低矮规则植被
冠层开发设计,因此不宜于森林冠层高精度地面
LAI的测量[16-17] .
2郾 5摇 摄影方法
2郾 5郾 1 半球摄影方法 摇 半球摄影方法(digital hemi鄄
spheral photography,DHP)采用视场角接近或等于
180毅的鱼眼镜头摄影,将整个半球空间投影在影像
水平面上成像.商业化鱼眼镜头有极化投影、正射投
影、兰伯特等积投影和立体等角投影 4 种投影方式,
极化投影和立体等角投影为常见的投影方式[18] .
DHP 方法早期应用于森林冠层辐射分布测量研
究[19],而冠层辐射分布直接取决于森林冠层 LAI 及
其空间分布,因此后来 DHP方法被推广应用于森林
冠层地面 LAI测量. DHP方法可单次测量上半球方
向间隙率,因而其在冠层充分采样的同时可极大提
高地面 LAI的测量精度及效率. 与其他光学测量方
法相比,DHP 方法在冠层信息永久记录、冠层半球
方向直射光及散射光分布测量、冠层聚集效应评估
及结构参数测量等方面优势明显[2] .
近二、三十年来,国内外学者开展了将 DHP 方
法应用于森林冠层地面 LAI 测量的研究,取得了很
多成果.早期 DHP 方法采用黑白或彩色胶卷摄影,
其 LAI计算需经过大量繁琐的中间步骤,测量精度
及效率均较低.随着高分辨率数码相机的发展、数字
图像处理技术的进步及 LAI 计算模型的日益丰富,
DHP方法测量精度及效率均有了长足进步,与其他
间接测量方法相比,其优势也日益明显. Hale 等[20]
在不同林分密度的林区开展了模拟半球摄影方法与
数字半球摄影方法的对比研究,结果表明除高林分
密度林区外,两种方法测量结果的相关系数较高;
Frazer等[21]研究发现,用模拟与数字半球摄影两种
方法测量森林冠层 LAI及光线截获的结果相关系数
较高. van Gardingen 等[22]采用联合半球摄影方法及
分区对数平均法开展了针阔混交林地面 LAI测量研
究,结果表明,与直接测量方法相比,采用分区对数
平均法可显著消除冠层聚集效应的影响.近年来,部
分国内外学者尝试将 DHP 方法应用于冠层基本组
分聚集指数测量,与 TRAC测量方法相比,该方法具
有单次获取多个天顶角方向冠层基本组分聚集指数
(小天顶角方向除外)的优势,因而可大幅提高冠层
聚集效应定量评估的效率. 森林冠层半球影像的各
像素仅代表一个固定的角度值,利用半球影像开展
冠层基本组分聚集指数测量时需基于较多的假设前
提,因而给计算结果带来了一定程度的不确定性.研
究表明,DHP与 TRAC测量结果之间差异较大,DHP
方法应用于冠层聚集效应定量评估有待后续深入研
究[5,23-24] .
半球摄影方法的测量误差源于影像获取、分析
和计算 3 个阶段.影像获取阶段,其误差来源主要有
观测方案、曝光等因素. 研究发现,不同相机及曝光
表的曝光设置各不相同,通常认为快门速度逸1 / 125
s即可消除树叶枝干摆动对半球摄影的影响[25-26] .
影像分析阶段,误差来源主要有阈值、混合像元等因
素,阈值是影响半球摄影方法精度的关键因素之一,
它是冠层影像分类的基础,目前国内外学者已开展
了大量相关研究,如 Wagner[26]提出的二阶阈值法
线性内插分解混合像元,Negr佼n Ju佗rez 等[27]提出的
直方图法等. LAI 计算阶段的误差主要源于投影函
数、叶倾角分布类型、聚集效应和地形效应等方
面[3] .
2郾 5郾 2 多光谱摄影方法摇 植被冠层具有在可见光波
段强烈吸收(90%以上)及近红外波段高反射、高透
射(各约 50% )的独特光谱特性.传统半球摄影方法
均在可见光波段成像,其冠层影像可分为天空和冠
层组分两大类.多光谱摄影方法(可见光和近红外 2
个波段)可克服传统半球摄影方法的局限,其冠层
多光谱影像可对冠层各组分(如树叶、枝干、天空、
云等冠层所有组分)详细分类. 冠层分类影像可应
用于木质总面积比(木质面积指数(woody area in鄄
dex, WAI)与总面积指数(plant area index, PAI)的
比值)、冠层基本组分及木质组分聚集指数的测量,
从而提高地面 LAI测量精度[28] .
作为一种新方法,多光谱摄影方法应用于地面
LAI测量的相关研究并不多. Kucharik 等[29]1997 年
设计了一套可同步拍摄冠层可见光(400 ~ 620 nm)
及近红外波段(720 ~ 950 nm)影像的多波段冠层成
像装置———多波段植被成像仪(multiband vegetation
image,MVI),装置核心部件包括 100 万像素的工业
摄像头、滤镜、焦距为 35 和 24 mm 的镜头、滤镜切
4792 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
换装置、计算机和外置电源. BOREAS(Boreal Eco鄄
system鄄Atmosphere Study,20 世纪 90 年代初开展的
一项研究加拿大北方森林与大气间交互的国家综合
性科学试验)项目执行期间,Kucharik 等[30]用联合
MVI和直接测量的方法测量了木质总面积比、木质
面积指数和 0毅天顶角方向冠层基本组分聚集指数.
邹杰[5]在总结 MVI 测量方法的基础上,自主研制了
一套低成本、便携、多用途的多光谱冠层成像仪
(multi鄄spectral canopy imager,MCI). MCI 主要由专
业近红外相机 IS鄄1、佳能单反相机 40D、云台、滤镜
和定制金属架等组成,并对青海云杉(Picea crassifo鄄
lia)林木质总面积比和多方位角、多天顶角方向冠
层基本组分以及木质组分聚集指数进行测量,首次
实现了常绿针叶林木质总面积比的间接测量.
3摇 地面 LAI光学测量方法误差来源及定量评估
大量研究表明,与直接测量方法相比,LAI 光学
测量方法通常会低估 LAI约 20% ~ 50% [10,14] .影响
地面 LAI光学测量方法精度的误差主要源自观测方
案、聚集效应、非光合作用组分和地形效应,其中前
3 种误差来源对测量精度的影响较大,因此地面 LAI
光学测量方法的精度直接取决于误差来源定量评估
方法的精度[5] .为了提高地面 LAI 光学测量方法精
度,国内外学者开展了大量研究以消除各种误差来
源的影响.
3郾 1摇 观测方案对地面 LAI光学测量方法的影响
地面 LAI测量观测方案包括观测条件、采样方
案两方面,对地面 LAI测量精度影响较大.由于设计
原理的差异,各种 LAI 光学测量方法对观测条件的
要求各不相同,如 TRAC、DEMON 测量方法均需在
晴朗天气条件下工作,而 LAI鄄2000、DHP 方法则适
宜在黎明前、黄昏后和多云天气条件下观测;采用
DHP方法时,相机曝光设置、相机类型、影像分辨率
等观测条件均不同程度地影响 LAI 测量精度.自 20
世纪 90 年代初 LAI鄄2000 推出以来,国内外学者开
展了大量研究以提高地面 LAI 间接测量的精度,其
中以探索 LAI光学测量方法、观测条件的研究居多.
目前,对于常见的地面 LAI 光学测量方法(如 LAI鄄
2000、TRAC、DHP、HemiView、SunScan 等)已基本形
成了各自合理、有效的观测条件.以 LAI鄄2000 为例,
Chen等[10, 31]通过大量地面实测数据发现 LAI鄄2000
测量方法受太阳直射影响显著,而黎明前、黄昏后、
阴天和多云天气条件下的观测结果可消除太阳直射
光和冠层散射光引起的测量误差;采用 270毅掩帽可
减少光照条件和边界效应的影响,使用滤镜则可减
少蓝光散射引起的测量误差[32]等.
冠层采样充分是地面 LAI光学测量方法精度保
证的前提条件.作为测量方案的核心组成部分,采样
方案主要包括采样点数目、空间分布和空间平均方
法三方面.目前,针对冠层采样方案的研究较少,但
采样方案对光学测量方法精度的影响需引起重视.
Breda[33]开展了松树林采样方案的对比研究,结果
显示当空间均匀分布的采样点数目达到 10 时,可保
证地面 LAI测量精度;Leblanc 等[34]研究发现,通常
4 次半球摄影即可完成对温带北部森林的充分采
样.
3郾 2摇 非光合作用组分对地面 LAI 光学测量方法的
影响
传统 LAI光学测量方法获取的间隙率通常包含
木质组分对冠层间隙率的截获贡献,因此其测量结
果仅为总叶面积指数,而不是 LAI[2, 35] . PAI 为 LAI
与WAI之和.木质组分对地面 LAI光学测量方法精
度的影响可用木质总面积比 琢 定量评价.不同森林
类型的值在 0郾 03 ~ 0郾 41[33, 36],可见非光合作用组分
对地面 LAI光学测量方法的影响显著. WAI 和 琢 的
测量方法可分为直接测量方法和间接测量方法. 直
接测量方法通常在研究区域内选择几棵代表性树木
破坏性采样,并测量其 琢作为研究区 琢,该方法费时
费力,且所获取参数的区域代表性不强,测量精度受
测量方法和策略的影响较大. 间接测量方法通常利
用 LAI鄄2000 在森林冠层的 2 个生理周期内分别观
测(其中一次必须为无叶期,且视其测量结果为
WAI),同时假设冠层木质组分空间随机分布,因此
对于无落叶期的常绿阔叶林和针叶林不能采用该方
法测量. 参数 琢 很少用间接测量方法进行测量,原
因在于:现有的间接测量方法大多不成熟;间接测量
方法的精度和效率均较低. 目前尚没有成熟的商业
化手段可用于森林冠层 琢 的间接测量,加之直接测
量方法需耗费大量人力、物力,因此大多数森林冠层
地面 LAI测量均未考虑非光合作用组分的影响[28] .
尽管目前对森林冠层地面 LAI测量进行了大量
研究,积累了很多地面 LAI测量案例和经验,但对于
WAI和 琢测量的研究则较少. BOREAS 项目实施期
间,采用直接测量方法测量不同地点和森林类型的
值为 0郾 05 ~ 0郾 35[36] . Breda[33]利用 LAI鄄2000 开展了
70 个橡树林 琢的测量研究,测量时间覆盖全年的无
叶期和茂盛期,结果显示 琢 和有效木质面积指数
(WAIe)分别为 0郾 07 ~ 0郾 40 和 0郾 26 ~ 2郾 45. Kucharik
579211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邹摇 杰等: 森林冠层地面叶面积指数光学测量方法研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
等[29-30]在 BOREAS 项目期间,基于 MVI 提出了一
种半间接测量方法,该方法对 4 个样地 WAI 和 琢的
测量结果与直接测量法相比存在 10% ~ 40%的差
异. MVI方法测量 琢 的精度不高,且外业测量时操
作难度较大,同时还需直接测量方法提供多个关键
参数,因而应用推广较困难. 邹杰[5]基于 MCI 提出
了森林冠层 琢的间接测量方案,并将其应用于 2 个
青海云杉林样地的测量,结果表明,聚集效应对测量
的影响显著;琢在各天顶角并非为常量,其在 2 个样
地各天顶角之间的变化分别为 3% ~ 33% 、2% ~
65% . MCI测量方法采用间接测量方法实现了常绿
针叶林 琢 的测量,因而具有较强的应用推广潜
力[5, 28] .
3郾 3摇 聚集效应对地面 LAI光学测量方法的影响
传统 LAI光学测量方法理论模型均为间隙率模
型,该模型假设冠层基本组分为混浊介质,即空间分
布为随机分布.实际上绝大部分森林冠层的基本组
分存在聚集效应.聚集效应是影响 LAI 光学测量方
法精度的主要误差来源之一,冠层内部两个尺度
(冠层基本组分和冠层基本组分内部)均存在聚集
效应,即冠层基本组分聚集效应和冠层基本组分内
部聚集效应[14] .冠层基本组分内部的聚集效应是由
LAI 光学测量方法无法穿透针叶簇内部引起,可用
束簇面积比(needle鄄to鄄shoot area ratio,酌)描述,阔叶
林则不存在冠层基本组分内部聚集效应[10] .由于森
林冠层基本组分还包括冠层木质组分,因而聚集指
数又可分为冠层基本组分聚集指数(赘e)和木质组
分聚集指数(赘w).
3郾 3郾 1 冠层基本组分内部聚集效应摇 酌 为针叶束与
针叶簇表面积的比值. 酌 = An / As,式中,An 为针叶簇
内针叶束表面积的一半,An 为针叶簇表面积的一
半. 酌测量的难点在于针叶束表面积的测量,常见的
测量方法有体积替代法、光学求积仪测量法.体积替
代法将针叶簇置于装有洗涤剂浓度为 5%的水容
器,溢出容器的溶液质量即为针叶束体积,结合针叶
簇中各束长度、半径等参数可计算针叶簇中针叶束
表面积[10, 37] .光学求积仪测量法采用光学求积仪测
量针叶簇最大投影面积,从而推算其表面积,其算式
为:
As =
1
仔 乙
2仔
0
乙
摇 仔/ 2
0
Ap(兹,渍)cos兹d兹d渍 (11)
式中,兹为投影天顶角,渍为投影方位角,Ap(兹,渍) 为
(兹,渍) 方向针叶簇投影面积;针叶束表面积的算式
为:An = 茁(Vnl)
1
2 ,式中,V为针叶束体积,n为针叶束
数量,l为针叶束平均长度,茁为形状相关因子[31, 38] .
研究发现,体积替代法和光学求积仪方法测量结果
的相关系数较高,体积替代法较易受洗涤剂浓度影
响,针叶束形状卷曲或扭曲对光学求积仪方法的精
度影响较大[10] .
3郾 3郾 2 冠层基本组分聚集效应摇 鉴于森林冠层三维
结构的高度复杂性和异质性,目前可用来定量评估
冠层基本组分聚集效应的有效手段和方法不多,主
要包括 TRAC、 DHP、 MVI、 MCI 等测量方法[5] .
TRAC、DHP方法可用于冠层基本组分聚集效应的
定量评估,MCI 方法可同时应用于森林冠层多天顶
角、多方位角方向冠层基本组分和木质组分聚集指
数测量.与 DHP 方法相比,MCI 采用框幅相机拍摄
冠层多光谱影像,利用 MCI 冠层影像可直接测量冠
层间隙和冠层要素的实际大小,因而 MCI 较 DHP
方法更适于开展冠层基本组分和木质组分聚集指数
的测量.
目前常见的冠层聚集效应定量评估算法有 3
种:间隙大小分布法、有限长度平均法和偏析系数理
论法[24] .间隙大小分布算法由 Miller 等[39] 1971 年
提出,后经 Chen等[40-41]进一步发展并应用于 TRAC
测量方法.在同一间隙率条件下,不同的冠层聚集效
应对应不同的间隙大小分布,因而间隙大小分布可
用于定量描述冠层要素的聚集效应. Lang 等[13]
1986 年基于统计学提出了有限长度平均法,并将其
应用于非连续冠层地面 LAI 测量. 有限长度平均法
认为,在有限长度样线上对冠层间隙取对数平均可
消除冠层聚集效应,其有限长度为叶片平均单元大
小的 10 倍. 偏析系数理论法 ( Pielou coefficient of
segregation,PCS)由 Pielou[42] 1962 年提出并用于定
量评估植物群体内个体间相互分离的程度,后来
Walter等[43]基于 PCS 算法和半球影像定量评估了
冠层基本组分聚集效应.近年来,Leblanc 等[24]基于
间隙大小分布算法和有限长度平均法,提出了结合
间隙大小分布法和有限长度平均法的混合法;Gon鄄
samo等[23]则在有限长度平均法的基础上提出了改
进的有限长度平均法.
目前,各种冠层聚集效应定量评估手段和算法
之间差异较大,一些学者开展了其间的对比研究.如
Leblanc等[24]基于半球影像比较分析了间隙大小分
布法、有限长度平均法和混合法,发现冠层基本组分
聚集指数在各天顶角方向变化很大,各算法所得结
果的差异较大. Gonsamo 等[23]基于半球影像对比分
6792 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
析了有限长度平均法、间隙大小分布法、偏析系数理
论法、混合法和改进的有限长度平均法,结果表明冠
层基本组分聚集指数在各天顶角变化很大,各算法
所得结果的差异较大.与其他聚集指数算法相比,间
隙大小分布法计算结果的稳定性最好,受地形、森林
类型、郁闭度等因素的影响较小.邹杰[5]对 3 种聚集
指数测量方法(MCI、DHP、TRAC)和算法(间隙大小
分布法、有限长度平均法、偏析系数法)进行比较研
究,结果表明,同一种聚集指数测量方法的 3 种算法
所得结果的差异较大,间隙大小分布法和偏析系数
法的计算结果最稳定,与其他两种算法相比,偏析系
数法所得结果严重偏低,偏析系数法有待进一步验
证及改进. MCI、DHP 测量方法采用间隙大小分布
法、偏析系数法、有限长度平均法计算冠层基本组分
聚集指数时,两种测量方法的 3 种算法在天顶角方
向测量结果的相关性分别为 0郾 84、0郾 94、0郾 30.冠层
基本组分和木质组分聚集指数不仅随天顶角方向变
化而变化,还随方位角方向而变化[5] .
3郾 4摇 地形效应对地面 LAI光学测量方法的影响
现有的 LAI光学测量仪器和方法均未考虑地形
效应.在复杂地形区,地形效应可能是影响 LAI光学
测量方法精度的主要因素之一. 地形效应的影响主
要体现在两方面:1)地面在仪器部分视场角内成
像;2)间隙率模型中各天顶角间隙率为所有方位角
方向的平均值,模型未考虑因地形坡度引起的同天
顶角方向下各方位角方向消光路径的差异. 地形效
应引起的两大误差来源中,第一个误差来源可通过
限制大天顶角方向间隙率参与计算而消除,第二个
误差来源目前尚未有简便可行的解决方案[44] .
Frazer等[18]针对 LAI鄄2000 测量方法提出消光路径
修正方案;之后 Walter 等[44]将其应用于 DHP 测量
方法,并详细分析了地形效应对地面 LAI 测量的影
响,结果显示,地形效应修正前后所得 LAI的差异显
著. Gonsamo 等[45]利用 DHP 方法在不同森林类型、
郁闭度和地形坡度的林区开展了地形效应研究,发
现地形效应对地面 LAI 测量结果的影响显著,同一
天顶角方向的间隙率在上下坡方位角方向呈现显著
的不对称关系.间隙率通常在上坡方向呈递减趋势,
在下坡方向则呈递增趋势. 水平观测方法(DHP 半
球平面与水平面平行)的间隙率和聚集指数测量值
远大于倾斜观测方法(DHP半球平面与地形坡度方
向平行),当地形坡度<30毅时,地形效应修正前后两
观测方法计算结果差异较小,当地形坡度>30毅时,
倾斜观测方法的测量结果高于水平观测方法. 随着
地形坡度的增大,两种观测方法测量结果间的差异
也呈递增趋势.
4摇 研究展望
鉴于森林冠层三维结构的高度复杂性和异质
性,森林冠层地面 LAI 光学测量方法迄今仍难以形
成统一标准,各测量方法所得结果之间通常存在差
异.由于 LAI光学测量方法间隙率测量技术已相当
成熟,因此未来应重点开展各误差来源的定量评估
研究. LAI 光学测量方法的主要误差来源有观测方
案、聚集效应、非光合作用组分和地形效应 4 个方
面,但目前可用于定量评估误差来源的手段较少,尤
其对于冠层聚集效应和非光合作用组分.因此,开展
对 LAI光学测量方法误差来源的定量评估研究十分
迫切,而仅开展多种测量方法间的交叉验证已难以
满足应用需求.基于上述现状,LAI 光学测量方法未
来应从以下两方面开展重点研究.
1)基于虚拟森林环境的地面 LAI 光学测量方
法开发、验证和改进.虚拟森林环境是对现实森林环
境在三维空间的仿真和模拟,具有高度真实感且符
合生物学基本规律. 采用虚拟森林环境方法可模拟
具有不同冠层聚集效应、非光合作用组分和地形效
应的典型森林环境,能为地面 LAI 光学测量方法的
开发、验证和改进提供理想的测试平台.基于虚拟森
林环境可模拟各种光学测量方法,因而可用于新测
量方法的开发、测试及现有方法的改进.地面验证是
LAI光学测量方法精度评估及可靠性检验的关键环
节,采用虚拟森林环境对地面 LAI 测量方法进行验
证时,人力物力消耗小、可重复多次验证、无需破坏
性采样.与传统森林场景模拟方法相比,虚拟森林环
境还可用于 琢 测量方法的验证. 因此,基于高度真
实感的虚拟森林环境开展地面 LAI光学测量方法开
发、验证和改进具有十分重要的现实意义.
2)开发可同时开展间隙率测量和误差来源定
量评估的一体化地面 LAI 测量方法. 现有的森林冠
层地面 LAI 光学测量方法功能较单一,如 LAI鄄
2000、DEMON、AccuPAR Ceptometer、SunScan等均仅
能用于间隙率测量,TRAC 仅可用于冠层基本组分
聚集指数的测量.森林冠层高精度地面 LAI 测量需
组合多种测量手段多次完成,从而增加了地面 LAI
测量在时间和经济成本上的投入.因此,可同时开展
间隙率测量和误差来源定量评估的一体化测量方法
将是未来地面 LAI光学测量方法的发展趋势,而多
光谱半球摄影方法则具备一体化地面 LAI光学测量
779211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邹摇 杰等: 森林冠层地面叶面积指数光学测量方法研究进展摇 摇 摇 摇 摇 摇
方法的潜力.多光谱半球摄影方法不仅是理想的间
隙率测量方法,还能拓展并应用于冠层聚集效应和
非光合作用组分的定量评估,因而可大大提高 LAI
光学测量方法精度和效率,未来应重点研究和关注.
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作者简介 摇 邹 摇 杰,男,1981 年生,博士,助理研究员. 主要
从事植被结构参数测量、定量遥感和虚拟地理环境研究.
E鄄mail: zoujie@ fzu. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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