全 文 ：林带疏透度数字化测度方法的改进及其应用研究 3
关文彬1 3 3 　李春平1 　李世锋1 　范志平2 　谢春华1
(1 北京林业大学水土保持与荒漠化防治部级重点实验室 , 北京 100083 ;
2 中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016)
【摘要】　在大量野外调查基础上 ,用数码相机拍摄林带相片 ,采用 CIAS 软件测定林带疏透度 ,对已有“数
字图像处理法”进行了改进 ,并对疏透度的变化规律进行了深入研究. 结果表明 ,用改进的数字化方法测定
林带的疏透度 ,比用光学相机所进行的“数字图像处理法”精度高 ,更经济、简捷 ;林带疏透度β与相对枝下
高 x (枝下高/ 林带平均高)的关系无叶期可表达为β= 1. 0681 x0. 4304 ( r = 0. 9763 , r0. 01 = 0. 4073) ;有叶期
可表达为β= 0. 672 x0. 469 ( r = 0. 9851 , r0. 01 = 0. 4073) (0 ≤β≤1) ;β随着林龄 a 呈抛物线式变化 ,β=
010009 a2 - 0 . 0364 a + 0 . 6828 (0 ≤β≤1) ;提出的林带断面疏透度β0 是定量反映林带断面结构的定量评
价指标 ,同时可作为评价林带结构的辅助指标 ;提出混交林带的疏透度计算式β= (β1 n1 +β2 n2 ) / ( n1 +
n2) ;在相同配置不同树种的纯杨、柳、榆林带结构以杨树林带结构较好 ,柳树林带结构次之 ,疏透度值βPPP
<βSSS <βUUU ;在树种相同、配置不同时 ,品字形优于矩形 ;杨柳榆的混交林带中杨榆株间、杨柳对称式行
间 SPPS混交方式结构防护效果较好.
关键词 　林带 　疏透度 　数字化测度 　改进方法
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 06 - 0651 - 07 　中图分类号 　S72516 ,S727124 　文献标识码 　A
Improvement and application of digitized measure on shelterbelt porosity. GUAN Wenbin1 ,L I Chunping1 ,L I
Shifeng1 , FAN Zhiping2 , XIE Chunhua1 ( 1 L aboratory of Soil and W ater Conservation and Desertif ication
Combating , Beijing Forest ry U niversity , Beijing 100083 ; 2 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of
Sciences , S henyang 110016) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (6) :651～657.
Based on the lots of investigation on farmland shelterbelts ,we used digital camera to take pictures of shelterbelt
and apply CIAS software to improve“digital image processing”for determining shelterbelt porosity so as to tho2
roughly analyze the rule of porosity in farmland shelterbelts. Compared with the old digital image processing ,the
improved method possesses high accuracy , and it is more economical and more convenient to apply. The
relationship between porosity of shelterbelts (β) and relative clear bole height ( x ) can be expressed asβ= 0.
672 x0. 469 ( r = 0. 9851 , r0. 01 = 0. 4073 ,0 ≤β≤1) in the leaf period ; andβ= 1. 0681 x0. 4304 ( r = 0. 9763 , r0101
= 0. 4073 ,0 ≤β≤1) in the defoliation period. βvaries with the stand age ( a) ,taking the form of parabola ,
which can be expressed as β= 0. 0009 a2 - 0. 0364 a + 0. 6828 ( 0 ≤β≤1) . Porosity at cross2section of
shelterbelt can be used as an auxiliary index to evaluate the structure of belts. The calculation method of
shelterbelt porosity of mixed shelterbelt can be expressed asβ= (β1 n1 +β2 n2) / ( n1 + n2) . Among the popular ,
willow and elm pure shelterbelts with same disposition ,popular shelterbelt structure is the best ,withβPPP <βSSS
<βUUU ,while the triangle disposition is better than the rectangle one among the same tree species. U PPU and
SPPS of mixed structure have the optimal effect in popular2willow2elm mixed shelterbelts.
Key words 　Shelterbelts/ windbreaks , Shelterbelt porosity , Digitized measure , Improved method.3 国家自然科学基金资助项目 (39870639) .3 3 通讯联系人.
2002 - 02 - 01 收稿 ,2002 - 03 - 25 接受.
1 　引 　　言
透光疏透度是林带结构的重要特征[1 ] . 林带结
构包括林带疏透度、林带配置方式、林带行数、株行
距、保存率、林带树木平均胸径、冠下干径、树高、枝
下高 ,其中林带疏透度是林带结构其他各项因子的
综合表征[5 ] . 因此 ,在生产及理论研究中 ,常用透光
疏透度 (以下简称疏透度或β)作为区别林带结构优
劣的最主要指标之一. 长期以来 ,国内外学者从林带
的空气动力效应方面对林带最适疏透度进行了研
究[13 ] ,而疏透度测度多采用目测法、方格景框法、概
率估测法以及间接的模型测度方法[2 ] ,但都因太粗
糙或操作不便 ,不能在实际中获得科学合理的应用 ;
20 世纪 90 年代以后 ,国外学者采用数字化扫描方
法测定单株树的疏透度[12 ] ,为更精确测定林带的疏
透度 ,利用光学相机获得林带影像 ,采用“数字图像
处理”法[10 ,14 ] ,实现了林带透光疏透度较精确的定
量化测度. 但用光学相机获取相片对于需要大量照
片的科研和生产工作来说 ,成本太高 ,而且将照片扫
应 用 生 态 学 报 　2002 年 6 月 　第 13 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2002 ,13 (6)∶651～657
描入计算机时也会降低分辨率. 因此 ,随着计算机图
像处理技术的提高及数码技术的不断完善 ,使数码
相机与计算机图形处理方法相结合 ,准确、快速的定
量测定农田防护林带的疏透度 ,进而通过对农田防
护林带疏透度的研究来指导生产变为可能. 近年来 ,
有学者借助数码相机和鱼眼镜头对不同疏伐强度下
的海岸松树林的竖直透光规律进行了分层测定 ,来
研究随高度变化林分内光环境的变化情况[17 ] . 本文
借助数码相机与计算机图形处理软件 ( Image
Analysis Software)对林带的透光疏透度的数字化测
度方法进行了改进和应用探讨 ,旨在对现有林带和
设计林带进行疏透度预测 ,根据最适疏透度进行林
带结构设计 ,为农田防护林的营造和管理提供依据.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
研究对象的农田防护林是中国科学院沈阳应用生态研
究所承担的国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关专题中“三
北”地区农田防护林研究基地试验林. 基地营建了多种类型、
多种混交方式、多种配置、多种更新、改造类型、不同年龄时
段的农田防护林 ,是开展农田防护林带结构研究十分理想的
试验基地.
实验地设在辽宁省昌图县宝力镇和双井子乡. 宝力镇位
于昌图县中部 (123°45′E ,42°55′N) ,距昌图县城 31km ,地势
比较平坦 ,海拔 100m 左右 ;双井子镇位于昌图县中西部
(123°49′E ,43°04′N) ,海拔 99m 左右. 两镇年降雨量 600～
650mm ,年蒸发量 1956mm ,年均温 6. 7 ℃,最大风速 24m·
s - 1 ,8 级以上大风平均日数 76d ,主要集中在 4～5 月份 ,最
多风向为 SSW ,属一般风害区. 宝力镇从 1977 年开始营造
农田防护林 ,全镇各村的农田防护林统一规划、统一营造 ,现
已形成 500m ×500m 的农田林网 512 个[8 ] ;双井子乡实验地
主要设在烧饼村林带 ,由 1992 年春季开始营造农田防护林 ,
目前已形成不同林龄多种结构的较完整的农田林网. 两地主
带方向均 WNW～ESE ,副带垂直主带 ,防护林带的树种以北
京杨 ( Populus pekinenca Chon2Lin) 和小叶杨 ( P. simonii
Carr) 为主.
212 　研究方法
21211 测度原理 　采用数码相机 ( Kodak DC280 和 Nikon
Coolpix E990) 摄取林带的影像 ,然后将其传入计算机. 在
WIN95/ 98 平台支持下 ,借助 Photoshop ,应用 CIAS 图像处
理软件 ,根据转化成灰度的原彩色相片上林带枝体与其空隙
之间的灰度差异 ,选定域值 ,由各自所占的“象素”( Pixel) 测
量出林带影像的孔隙度 (林带相片的疏透度) ,用以计算林带
的实际疏透度. 由于在分辨率为 72 象素/ 英寸时 J PEG格式
Kodak DC 280 可达 1760 ×1168 个象素 ,Nikon Coolpix E990
可达 2048 ×1536 个象素 ,精度较高 ,所以对林带疏透度的测
定可达很高的精度.
21212 野外基础数据调查 　在 2000 年 6 月和 2001 年 4 月
及 8 月分有叶期和无叶期对实验林带进行调查 ,利用数码相
机在垂直于林带 20～30m 处摄取林带的图像[16 ] ,拍摄前在
所摄取林带的边缘放置一定高的标杆 (本实验采用 2m) ,可
直接通过象素点的比率在相片上计算林带的平均高、枝下
高 ,不用实际野外测量每棵树 ,减少了大量的野外工作量.
采用长度为 50m 或 100m 固定标准地、临时标准地相结
合的方式 ,调查林带的配置方式、混交方式、栽植或更新时
间、林带走向、株行距等 ;在标准地内进行每木检尺 ,分树种、
行数测定每株树木的胸径、枝下高、冠幅 (分别 E、W、S、N 4
个方向)等 ;对于林带可视性好的树木 ,其树高的测量采用全
站仪 (SO KKIA SET 500)的悬高测量法进行. 由于全站仪是
一种将电子测距仪和经纬仪相结合的精密的数字化测量仪
器 ,与传统手段的测高相比 ,十分精确.
213 　改进的数字化测度方法测定过程
21311 图像预处理 　将获取的林带图像传入计算机内 ,转换
成 CIAS所支持的 BMP、TIF 或 PCX、TGA、GIF 等格式 (本
实验为 TIF 格式) . 用图像处理软件 (如 Photoshop) 将图像中
与测量无关的信息处理掉.
21312 疏透度测定 　用预处理好的相片进行疏透度的测量.
将数码相机获得的彩色图像先转化成灰度图像 ;为进行对
比 ,将光学相机获得的黑白照片扫描入计算机 ,然后用 CIAS
的选定和裁剪功能裁定林带断面的测定范围 ,上限应以林带
平均高处为准 ,树冠与树干两部分之间的分界线以平均枝下
高为准. 在框定的同时 ,计算机会自动计算出图像中树冠所
占的象素点数. 同理可测量出树干高所占的象素点数.
用套索分别圈定树冠及树干所在方框的区域 ,用长 ×宽
计算出各自所占的象素点数 ,即面积. 然后剪切掉树冠以外
的其它部分 ,并将图像中有树部分的林带上填成红色 ,计算
机在计算后会在工作表中显示出树冠部分所占的象素点数.
按同样方法可测出林干所占的象素点数. 然后将图像恢复到
打开时的状态 ,测图结束 ,实现了可重复测量.
采用加权平均法计算林带的疏透度值 [15 ] :
β= (β1 ×h1 +β2 ×h2) / H
式中 ,β为疏透度 ,β1 为林冠疏透度 ,β2 为林干疏透度 , H 为
林带平均高 , h1 为林冠平均高 , h2 为林干平均高. 其中 ,β1
的计算式为林冠的填充象素点数/ 林冠所在的方框内的总象
素点数 ,β2 的计算式为林干的填充象素点数/ 林干所在的方
框内的总象素点数.
3 　结果与分析
311 　测度方法的比较分析
31111 误差分析 　为尽量排除人为干扰 ,在测定前
先将传入到计算机中的数码相片原有顺序打乱 ,在
不知其对应的标准地号的情况下对林带的疏透度进
行了两次重复测定 ,再将其与对应样地号相对应 ,对
测定结果作方差分析 ,检测此方法对测量结果是否
256 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
有显著影响. 实验共随机取双井子村林带 28 块标准
地的两个重复 ,共计两组 56 个测量数据 (表 1) .
　　对测量结果进行整理分组 (表 2) 后进行单因素
方差分析 ,并采用 F 和费歇 ( R. A. Fisher) 最小显著
差 (L SD)检验 (表 3) . 目的是检验 CIAS 测定林带疏
透度时 ,系统自身的误差是否显著影响测定结果. 取
表 1 　用 CIAS测定林带无叶期疏透度结果(双井子村) (单位 :象素点数)
Table 1 Results on shelterbelts porosity identif ied by CIAS( Units :pixel)
序号
Index
图 　名
Picture
name
标准地号
Standard
land
index
冠 　长
Crown
length
H1
枝下高
Clear bole
height
H2
平均高
Average
height
H
枝冠面积
Area of
branch
冠部总面积
Total
area of
crown
冠下树干
面 　积
Area of
bole under
crown
树干部总
面 　积
Total area
of bole
under crown
冠部疏透度
Porosity
in the
crown
β1
干部疏透度
Porosity
in the
under crown
β2
总体疏透度
Porosity of
shelterbelts
β
1 3730 1 337 125 462 263284 587328 51839 218500 0. 5517 0. 7628 0. 6088
2 3730 1 284 125 409 232018 496432 53313 218500 0. 4952 0. 7560 0. 5749
3 3738 6 484 265 749 416040 847968 92279 464280 0. 5094 0. 8012 0. 6126
4 145 6 760 248 1008 651807 1556480 106367 507904 0. 5812 0. 7906 0. 6327
5 3737 7 636 224 860 655032 1116816 127224 393344 0. 3208 0. 6766 0. 4135
6 144 7 580 216 796 777331 1150720 86250 428544 0. 3245 0. 7987 0. 4532
7 146 9 536 357 893 261409 864568 41023 575841 0. 6976 0. 9288 0. 7900
8 146 9 608 313 921 281422 873696 36943 449781 0. 6779 0. 9179 0. 7594
9 153 10 932 496 1428 1010652 1908736 167831 1015808 0. 4705 0. 8348 0. 5970
10 154 10 724 384 1108 816446 1479856 144873 784896 0. 4483 0. 8154 0. 5755
11 3810 12 529 240 769 320012 927337 62285 420720 0. 6549 0. 8520 0. 7164
12 214 12 704 549 1253 473258 1402368 130117 1093608 0. 6625 0. 8810 0. 7583
13 3749 14 428 221 649 394892 751996 56526 388297 0. 4749 0. 8544 0. 6041
14 159 14 728 361 1089 786059 1424696 94907 706477 0. 4483 0. 8657 0. 5866
15 3753 15 400 277 677 230383 665600 69416 455388 0. 6539 0. 8476 0. 7331
16 162 15 816 492 1308 403048 1530816 119065 922992 0. 7367 0. 8710 0. 7872
17 3758 18 476 240 716 337872 831096 69652 419040 0. 5935 0. 8338 0. 6740
18 3832 18 605 200 805 353787 1053305 119885 348200 0. 6641 0. 6557 0. 6620
19 3791 25 653 136 789 382280 1144709 19574 238408 0. 6660 0. 9179 0. 7095
20 198 25 1032 284 1316 752374 2113536 121570 581632 0. 6440 0. 7910 0. 6757
21 3803 27 544 140 684 438993 914464 37899 235340 0. 5199 0. 8390 0. 5852
22 210 27 744 513 1257 768398 1523712 143800 1050624 0. 4957 0. 8631 0. 6457
23 204 28 1068 372 1440 672107 2187264 86794 761856 0. 6927 0. 8861 0. 7427
24 205 28 1028 409 1437 711223 2105344 23235 837632 0. 6622 0. 9723 0. 7504
25 3796 30 509 336 845 457287 890241 90137 587664 0. 4863 0. 8466 0. 6296
26 201 30 800 520 1320 518526 1638400 101903 1064960 0. 6835 0. 9043 0. 7705
27 3837 40 516 325 841 156959 896292 119442 564525 0. 8249 0. 7884 0. 8108
28 246 40 900 448 1348 322038 1843200 163390 917504 0. 8253 0. 8219 0. 8242
29 3817 41 524 305 829 376479 922240 58417 536800 0. 5918 0. 8912 0. 7019
30 222 41 792 529 1321 693609 1615680 96420 1079160 0. 5707 0. 9107 0. 7068
31 3818 42 400 309 709 338781 699600 65511 540441 0. 5158 0. 8788 0. 6740
32 223 42 952 489 1441 673928 1949696 157880 1001472 0. 6543 0. 8424 0. 7181
33 3771 43 585 265 850 728981 1029600 42376 466400 0. 2920 0. 9091 0. 4844
34 3772 43 428 205 633 471600 749856 30257 359160 0. 3711 0. 9158 0. 5475
35 3773 44 344 169 513 358718 605440 33112 297440 0. 4075 0. 8887 0. 5660
36 3774 44 452 201 653 491026 788740 45630 350745 0. 3775 0. 8699 0. 5290
37 3777 45 344 181 525 18526 601656 33332 316569 0. 9692 0. 8947 0. 9435
38 3778 45 460 201 661 105187 799020 34279 349137 0. 8684 0. 9018 0. 8785
39 184 46 604 297 901 547116 1235180 113786 607365 0. 5571 0. 8127 0. 6413
40 186 46 804 349 1153 694563 1439160 96638 624710 0. 5174 0. 8453 0. 6166
41 196 47 1064 364 1428 427116 2179072 67895 745472 0. 8040 0. 9089 0. 8307
42 196 47 1024 404 1428 319501 1724416 73787 1687552 0. 8147 0. 9563 0. 8548
43 2814 48 529 276 805 428772 906177 75267 472788 0. 5268 0. 8408 0. 6345
44 218 48 824 537 1361 1009166 1687552 115002 1099776 0. 4020 0. 8954 0. 5967
45 3822 49 429 240 669 407565 752037 59949 420720 0. 4581 0. 8575 0. 6014
46 3828 49 560 289 849 430724 959280 83748 495057 0. 5510 0. 8308 0. 6462
47 3828 50 564 301 865 341783 961620 90039 513205 0. 6446 0. 8246 0. 7072
48 236 50 1080 293 1373 740498 2199960 96466 596841 0. 6634 0. 8384 0. 7007
49 3824 51 628 241 869 311502 1102768 73942 423196 0. 7175 0. 8253 0. 7474
50 230 51 992 372 1364 572947 2028640 116938 760740 0. 7176 0. 8463 0. 7527
51 233 52 960 377 1337 509307 1912320 70345 750984 0. 7337 0. 9063 0. 7824
52 234 52 1032 376 1408 588229 2113536 80708 770048 0. 7217 0. 8952 0. 7680
53 3781 53 544 309 853 633044 957440 215467 543840 0. 3388 0. 6038 0. 4348
54 3782 53 560 277 837 649649 985600 189791 487520 0. 3409 0. 6107 0. 4302
55 3783 53 612 321 933 694378 1074672 227301 563676 0. 3539 0. 5968 0. 4374
56 3784 53 667 329 996 758811 1171252 235159 577724 0. 3521 0. 5930 0. 4317
3566 期 　　　　　　　　　　　　关文彬等 :林带疏透度数字化测度方法的改进及应用研究 　　　　　　　　
表 2 　无叶期疏透度测定数据
Table 2 Data on porosity in the defoliation period
组号 Index 疏透度 Porosity
1 0. 609 0. 613 0. 413 0. 790 0. 597 0. 716 0. 604 0. 733 0. 674 0. 709 0. 585 0. 743 0. 630 0. 811
0. 702 0. 674 0. 484 0. 566 0. 944 0. 641 0. 831 0. 634 0. 601 0. 707 0. 747 0. 782 0. 435 0. 437
2 0. 575 0. 633 0. 453 0. 759 0. 576 0. 758 0. 587 0. 787 0. 662 0. 676 0. 646 0. 750 0. 770 0. 824
0. 707 0. 718 0. 547 0. 529 0. 879 0. 617 0. 855 0. 597 0. 646 0. 701 0. 753 0. 768 0. 430 0. 432
表 3 　单因素方差分析及 F 检验
Table 3 One2way anova analysis
差异源
Source
SS df MS F P F crit
组间1) 9 E204 1 0. 0009 0. 057 0. 8123 4. 02
组内2) 0. 817 54 0. 0151
总计 Total 0. 818 55
1) Between groups ,2) Withing roups.
α= 0. 05 ,则临界值为 F0. 05 (1 ,54) = 4. 0195 ,因计算
所得的 F = 0. 0569 < F0. 05 ,因此 ,说明测量方法对
测量结果无显著影响. 有叶期也有同样的结论.
31112 方法比较 　改进的测量方法简单易行 ,与传
统的模型方法相比有许多优点. 在精度上也可以保
证.本文将此方法测得的结果与傅梦华等[8 ,16 ] 1992
年在辽宁省昌图宝力地区 ,以北京杨为例获得的杨
树林带有叶期和无叶期的疏透度与单位长度林带胸
高断面积值 G (m2·100m - 1) 和林带相对枝下高 h0
的计算结果 (β= 0. 56253 - 0. 41059 ×log ( G) +
0. 47902 ×h0)进行了比较分析 (表 4) . 为检验两种
途径对疏透度的测量结果有无显著影响 ,对其作了
t 检验 ,观测数据均为 21 个 ,模型方法的测量结果
平均值为 0. 6517 ,方差为 0. 0070 ;CIAS 测量结果平
均值为 0. 6546 ,方差为 0. 0098 ,统计值 t = - 0. 1260 ,
在 a = 0. 05 ,自由度为 20 , t 的临界值为 t = 2. 086 时 ,
因求出的值远远小于临界值 ,因此认为两种途径对
测量结果无显著影响.
312 　疏透度与相对枝下高的关系
对同一条林带 (即固定林带高、胸径、林带长、林
带宽、株行距等条件)进行不同的枝下高计算机模拟
处理实验 ,以此来分析透光疏透度随相对枝下高 h0
(枝下高/ 林带平均高)的变化规律. 以往由于实验条
件的限制 ,尚未做过此类的实验. 运用 CIAS 方法 ,
辅以 Photoshop 图像处理软件 ,使此实验变为可能.
在实验过程中 ,选取一条没有修过枝的林带 ,林带行
数为 2 行 ,株行距为 2m ×2m ,矩形配置. 利用 CIAS
方法测定其自然状态下 (相对枝下高为 010941)的β
值为 0. 2185. 在 Photoshop 中已摄取的林带相片上
进行枝下高的处理 ,实验用的林带平均高为 17m ,以
0. 4m 为一个单位对该林带进行枝下高“修剪”,然后
利用 CIAS 测定不同枝下高时林带的β值. 共获得
了 20 组实验数据 ,得到相对枝下高和对应的β值之
表 4 　改进方法与傅梦华等方法比较
Table 4 Comparison of the results bet ween the Fu M2H( 1992 )’s
method and the improved method
编号
Index
相片号
Number
of photo
行数
Number
of rows
相对枝下高
Relative clear
bole height
h0
胸高断面积 G
Total area on
breast height
(m2·100m - 1)
Log
( G)
疏透度 Porosity
模型值
Model
method
CIAS值
CIAS
method
1 144 4 0. 27 1. 513 0. 180 0. 6187 0. 4532
2 145 4 0. 33 1. 385 0. 141 0. 6622 0. 6327
3 146 2 0. 40 0. 674 - 0. 171 0. 8243 0. 7900
4 147 4 0. 34 0. 806 - 0. 094 0. 7621 0. 6733
5 153 4 0. 35 1. 884 0. 275 0. 6160 0. 5970
6 154 4 0. 35 1. 539 0. 187 0. 6516 0. 5755
7 157 4 0. 40 1. 482 0. 171 0. 6840 0. 5925
8 159 3 0. 29 1. 197 0. 078 0. 6678 0. 5866
9 162 2 0. 38 2. 082 0. 318 0. 6120 0. 7820
10 165 3 0. 32 3. 933 0. 595 0. 4725 0. 6353
11 166 3 0. 34 1. 672 0. 223 0. 6339 0. 4594
12 198 4 0. 20 1. 713 0. 234 0. 5606 0. 6757
13 199 4 0. 17 1. 478 0. 170 0. 5758 0. 7510
14 210 2 0. 22 1. 883 0. 275 0. 5552 0. 6905
15 215 3 0. 31 2. 207 0. 344 0. 5698 0. 5738
16 223 4 0. 31 1. 330 0. 124 0. 6602 0. 7181
17 231 3 0. 30 1. 056 0. 024 0. 6962 0. 7246
18 233 2 0. 30 0. 818 - 0. 087 0. 7425 0. 7824
19 234 2 0. 29 0. 635 - 0. 197 0. 7813 0. 7680
20 235 3 0. 23 0. 877 - 0. 057 0. 6984 0. 5845
21 236 3 0. 21 1. 134 0. 055 0. 6399 0. 7007
间关系 (图 1) . 用无叶期 β= 1. 0681 x0. 4304 ( r =
0. 9763 , r0. 01 = 0. 4073) ;有叶期为β= 0. 6720 x0. 469 ( r
= 0. 9851 , r0. 01 = 0. 4073)表示.
图 1 　疏透度与相对枝下高的关系
Fig. 1 Relation between the porosity ( y ) and the relative clear bole
height ( x) .
Ⅰ1 无叶期 Defoliation period , Ⅱ1 有叶期 Leaf period.
　　为了对林带进行调控 ,使其达到最适的疏透度 ,
在栽植时不对林带进行修枝处理或少修枝 ,让其枝
下自然生长 ,可根据需要进行修枝处理 ,使疏透度在
可调控的范围内 ;由以上两式得出 ,枝下高/ 林带平
均高的值在 0. 05～0. 70 (实际的农田防护林带中 ,
456 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
枝下高与林带平均高的比值一般不会超出此范围)
范围内 ,每变化 0. 05 个单位 ,β会相应变化 0. 02～
0. 04 ;调查中发现 ,在农田防护林带下或边缘种植一
些灌木 ,采用乔灌结合的配置更利于防护作用的发
挥 ,通过对灌木密度等的调节使林带的疏透度达到
并维持最适 ,无灌木时林带的疏透度为 014061 ,通
过种植花曲柳使林带达到最适疏透度 (β =
0. 3368) .
313 　疏透度随时间 (林龄)的变化
要较精确地表达出β随林龄的变化规律 ,就需
要对同一条林带进行十几年甚至几十年的连续观
测.而在现实中 ,这样的实验条件又很难实现. 目前
国内外尚未见有人对同一条林带进行多年连续观测
实验 ,这在农田防护林的研究领域仍是一个空白. 在
辽宁省昌图县双井子镇选取了具有相同行数 ( 2
行) 、株行距 (2m ×2m) 和相同配置 (矩形) 的不同林
龄的若干条杨树纯林带 ,同时使用了部分 1992 年、
1993 年中国科学院沈阳应用生态研究所在双井子
乡所摄的林带图片材料 ,以此来近似地模拟出同一
条林带的β随时间 (林龄 a)的变化趋势 (图 2) .
图 2 　疏透度随时间 (林龄)变化曲线
Fig. 2 Trend of the porosity with the tree age.
　　β= 0 . 0009 a2 - 0. 0364 a + 0 . 6828 ( r = 0 . 9220
r0. 01 = 0. 7079)
由β随时间 (林龄) 的变化曲线及关系式可以
看出 ,一条农田防护林带在其郁闭之前 ,随着林龄增
加林带的β会逐渐减小. 到林带防护成熟期 ,β会在
若干年内保持相对的稳定 ,随后由于树木衰老等原
因 ,林带的β会有逐渐增大的趋势.
314 　不同混交方式的林带疏透度比较
混交林带一般两侧结构不相同 ,以往用一侧的
透光疏透度来表示不尽合理 ,有必要加以修正. 因受
条件的限制 ,无法采集大量的数据来构建林带疏透
度的机理模型 ,只是简单的以保存率来表示不同的
树种在混交林带中对透光疏透度所起的作用 ,通过
加权平均求得两树种的混交林带疏透度 :β= (β1 n1
+β2 n2) / ( n1 + n2) . 式中 ,β为疏透度 ;β1 为迎风面
的透光疏透度 ;β2 为背风面的透光疏透度 ; n1 为树
种 1 的保存率 ; n2 为树种 2 的保存率.
对于由单一树种构成的农防林带 , n1 = n2 ,β=
β1 =β2 . 应用上式计算林带加权平均疏透度β值如
表 5.
以往的农田防护林带多由单一树种来构建 (以
杨树为主) ,结构单一[4 ] . 随着构建农防林经验的积
累和研究的深入 ,人们逐渐认识到要确保农防林三
大效益的持续稳定 ,就要构建合理的农防林结构 ,如
实现林分的立体多层次结构、物种合理配置及相互
适应等[6 ,7 ] . 各树种混交配置的农防林带逐渐为人
们所采用[15 ] . 在实验中发现 ,对于由单一树种构建
的农防林 ,其迎风面和背风面有相同的透光疏透度 ,
但对于由不同树种混交构成的农防林带 ,其迎风面
和背风面可能表现出不同的透光疏透度 (表 5) .
　　对表 5 中序号为 1～5 的混交林带 ,分别从其迎
风面和背风面摄取林带的影象 ,利用 CIAS 测定林
带的透光疏透度 ,同时也选择了序号为 7～17 中的
若干条林带进行迎风面和背风面透光疏透度的测
定.结果表明 ,由单一树种构建的农防林带迎、背风
面的透光疏透度相同 (两者的差值控制在 0. 01 以
内 ,简单地认为二者相等) ,而混交林带中 2、4、5 号
林带迎、背风面的透光疏透度却有较大的差异.
由表 5 可见 ,7 年生的纯杨、柳、榆林带 ,对应的
疏透度值为βPPP <βSSS <βUUU ,即纯杨林带的结构
最好 ,纯榆林带次之. 对二行杨和二行柳林带的分析
也得出相同结论 (βPP <βSS) ;混交方式的农防林带 ,
其疏透度为βUPPU <βPPUU <βPUPU ,即在杨榆混交林
带中 ,杨榆株间混交的林带结构较优 ,对杨柳混交林
带的疏透度为βSPPS <βPPSS ,柳杨对称式混交林带与
杨榆株间混交具有相近的β值. 因此 ,在杨柳榆的
混交林带中宜采用株间和对称式的混交方式.
315 　林带横断面分析
根据双井子镇拍摄的不同结构、不同配置的林
带断面照片发现 ,不能简单的从形状上判断一条林
带的结构是否为最优. 对于两条林带 ,可能具有相同
的透光疏透度 ,但因行距、树木生长状况等不同 ,其
防护效果自然不同. 因此 ,林带结构是否最优 ,除受
透光疏透度的影响外 ,也受到林带断面形状的影响 ,
即不同的断面结构也是林带防护作用的辅助指标之
一.把林带断面的疏透度称为断面疏透度 (β0) 作为
林带断面结构的指标 ,采用与透光疏透度相同的计
算方法.
5566 期 　　　　　　　　　　　　关文彬等 :林带疏透度数字化测度方法的改进及应用研究 　　　　　　　　
表 5 　不同混交方式下透光疏透度的比较
Table 5 Porosity in different structure mixed shelterbelt
样地号
Sample
index
混交方式
Mixed
type
配置方式
Disposi2
tion
style of
trees
株行距
Den2
sity
林 龄
Tree
age
(yr)
树 种
Tree
species
行 数
Rows
num2
ber
林带宽
Widther
(m)
平 均
胸 径
Average
diameter
(cm)
平均高
Average
height
(m)
平 　均
枝下高
Average
clear bole
height
(m)
单侧疏透度
Porosity from
windward and
leeward sides
of shelterbelt
加权平均
疏透度
Weighted
average
porosity
β
断面疏透度
Porosity of
the section
β0
1 PUPU 3 品字 2 ×2 11 U 2 10 11. 19 10. 1 1. 92 β1 0 . 463 n1 0. 75 0. 4646 0. 4711
Triangle P 2 14. 81 14. 4 1. 57 β2 0 . 466 n2 0 . 90
2 UPPU 3 3 矩形 2 ×2 8 P 2 10 10. 66 10. 08 0. 87 β1 0 . 392 n1 0 . 81 0 . 3598 0 . 4890
Rectangle U 2 11. 19 9. 34 1. 8 β2 0 . 325 n2 0 . 75
3 PPUU 3 品字 2 ×2 9 P 2 10 13. 95 11. 04 1. 48 β1 0. 388 n1 0. 85 0. 3926 0. 5414
Triangle U 2 8. 5 7. 6 1. 6 β2 0 . 398 n2 0 . 73
4 SPPS 品字 2 ×2 9 P 2 10 13. 98 11. 58 2. 27 β1 0 . 330 n1 0 . 88 0 . 3600 0 . 5829
Triangle S 2 13. 28 10. 05 2. 13 β2 0 . 391 n2 0 . 85
5 PPSS 品字 2 ×2 6 S 2 10 11. 73 8. 13 2. 21 β1 0 . 368 n1 0 . 78 0 . 4218 0 . 3197
Triangle P 2 12. 79 9. 35 2. 57 β2 0 . 473 n2 0 . 82
6 PP2PP 品字 2 ×1 3 P 2 4 5. 83 5. 15 1. 55 0. 4826 0. 4826 0. 5674
Triangle
7 PP 品字 2 ×2 7 P 2 4 15. 75 12. 63 2. 18 0. 3701 0. 3701 0. 4889
Triangle
8 PPP 矩形 2 ×1. 5 7 P 3 5 11. 8 11. 1 1. 66 0. 4061 0. 4061 0. 4831
Rectangle
9 PPPP 品字 2 ×2 3 P 4 10 3. 8 3. 85 1. 45 0. 5553 0. 5553 0. 3197
Triangle
10 PPPP 品字 2 ×2 5 P 4 10 10. 04 8. 12 1. 82 0. 4451 0. 4451 —
Triangle
11 PPPP 品字 2 ×2 7 P 4 10 12. 6 10. 94 2. 63 0. 3529 0. 3529 0. 5169
Triangle
12 PPPP 品字 2 ×2 7 P 4 10 10. 88 9. 62 2. 35 0. 3747 0. 3747 0. 4769
Triangle
13 UUU 品字 2 ×1. 5 7 U 3 5 9. 57 7. 73 2. 5 0. 6429 0. 6429 —
Triangle
14 UUUU 矩形 2 ×2 9 U 4 10 9. 79 8. 87 2. 66 0. 5201 0. 5201 0. 6512
Rectangle
15 UUUU 矩形 2 ×2 11 U 4 10 9. 75 8. 75 2. 32 0. 5388 0. 5388 0. 5319
Rectangle
16 SS 品字 2 ×2 7 S 2 4 12. 15 8. 68 2. 37 0. 5389 0. 5389 0. 5979
Triangle
17 SSS 品字 2 ×1. 5 7 S 3 5 10. 22 8. 63 2. 04 0. 5430 0. 5430 —
Triangle3 行间 Mixed by row , 3 3 株间 Mixed by hill. P) 杨树 Popular ,U) 白榆 Ul m us pumila ,S) 旱柳 S ali x matsudana , PU) 榆杨株间混交 Mixed
between P and U.
　　以β0 作为衡量指标 ,由表 5 分析可知 ,四行杨
和杨柳行间混交 SPPS 林带具有较好的断面结构 ,
断面疏透度均为 013197 ,近于矩形断面 ;杨榆行混、
杨榆株混林带断面结构次之、纯榆树断面较差 ,断面
形状为凹型或其它形状. 这一结论与通过风洞实验、
野外模拟实验[11 ]得出的 ,不同结构的林带各有其最
优的断面形状 ,对于疏透结构的林带来说 ,矩形断面
形状的林带为最优、凹型次之的结论[9 ]相一致.
316 　数码相片与扫描的普通光学相片效果比较
在实验中发现 ,利用数码相片测定疏透度要比
用普通光学相片测定疏透度区分度要好一些. 即利
用数码相机摄取的相片在测定时 ,枝叶与林带的孔
隙能很好地区别开 ,普通相机摄取的相片要差一些.
原因是相机的质量对所获照片的质量影响很大. 同
样大小的照片 ,数码照片的象素点要远多于光学相
机的象素点 ;扫描仪的质量对于光学照片扫描矢量
化后的质量有很大的影响 ,质量好的扫描仪对于扫
描过程相片分辨率的损失会减小 ,但总会有所损失 ,
本实验用 Microtek2A3 专业化扫描仪 ,但还不能避
免扫描过程中照片分辨率的降低. 因此 ,数码照片将
是更有应用前景的手段. 同期 ,国外有学者用数字化
照片和用光学照片作为两种技术手段来研究林分中
光环境和树冠的开敞程度 ,实验证实用扫描输入的
光学照片和用数码照片直接测定对于加权开敞程度
的估计结果有很大的差别 ,数码照片的测定结果要
比光学照片的结果大得多 ,光学照片曝光不足和光
学镜头及视角的范围对此都有影响[3 ] .
4 　结 　　论
411 　林带的疏透度与相对枝下高 x (枝下高/ 林带
656 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
平均高) 的关系无叶期为 β= 1 . 0681 x 0. 4304 ( r =
0 . 9763 , r0. 01 = 0. 4073) ;有叶期为β= 0 . 672 x 0. 469
( r = 0. 9851 , r0. 01 = 0. 4073) (0 ≤β≤1) ;为了达到
并维持林带最佳的结构 ,在林带配置时应采取乔灌
混交的模式 ,对林带的枝下高进行适度修枝或不修
枝 ,以保证林带的最适疏透度.
412 　透光疏透度β随着林龄 ( a) 呈抛物线式变化 ,
β= 0 . 0009 a2 - 0 . 0364 a + 0 . 6828 (0 ≤β≤1) . 可依
据疏透度的这种变化规律确定林带更新时期.
413 　林带的断面疏透度作为断面结构的定量评价
指标 ,在判断林带结构时 ,应同时考虑透光疏透度和
断面疏透度 ;四行杨和杨柳行间混交 SPPS 林带具
有较好的断面结构 ,断面疏透度均为 0. 3197 ,近于
矩形断面 ;杨榆行混、杨榆株混林带断面结构次之、
纯榆树断面较差 ,断面形状为凹型或其它形状.
414 　提出混交林带的疏透度计算式β= (β1 n1 +
β2 n2) / ( n1 + n2) ;相同配置 (以林龄 7 年林带为例)
的纯杨、柳、榆林带结构以杨树林带结构较好 ,柳树
林带结构次之 ,疏透度值βPPP <βSSS <βUUU ;杨柳榆
的混交林带中杨榆株间、杨柳对称式行间 SPPS 等
混交方式结构较好.
415 　经误差分析及与以前方法比较 ,改进的数字化
方法测定林带疏透度 ,操作程序简便 ,更经济 ,实用
性强 ,便于推广应用和具有开放性等特点.
参考文献
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作者简介 　关文彬 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,主要从事植物种群
生态、植被生态、生物多样性科学及林业生态工程与荒漠化
防治领域的研究 ,发表论文 40 余篇 ,参编著作 3 部. Tel :010
- 62338689 ,E2mail :desertwx @bjfu. edu. cn
7566 期 　　　　　　　　　　　　关文彬等 :林带疏透度数字化测度方法的改进及应用研究