一种利用植物冠层分析仪测定叶面积指数的校正方法

摘要

一种利用植物冠层分析仪测定叶面积指数的校正方法，它涉及一种测定叶面积指数的校正方法。本发明的目的是为了解决现有LAI-2000植物冠层分析仪测量法存在局限性，估测叶面积指数精度低的问题。本发明利用LAI-2000植物冠层分析仪测定得到LAI值，根据公式

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶面积指数的校正方法，具体涉及一种利用LAI-2000植物冠层分析 仪测定叶面积指数的校正方法，属于森林生态学领域。

背景技术

叶面积指数(leaf area index,LAI)指单位地表面积上总叶片表面积的一半(Chen  and Black,1992)。LAI影响着森林生态系统冠层内的微气象，决定着辐射传输，蒸腾作 用，水和碳在冠层与大气间的交换作用，也是模拟生态系统中生物地球化学循环的重要组 分。同时，LAI与林分生产力息息相关。因此，LAI的准确测定对于进一步了解许多生理 生态进程至关重要。目前，LAI的测定方法主要分为直接法和间接法。直接法主要包括破 坏性取样法，异速生长方程法和凋落物法，该方法历史悠久，技术成熟，测定的LAI接近 于真实值，常用于评估间接法测定值的准确性，但直接法劳动强度大，效率低下，尤其前 两种方法具有破坏性，不适宜监测自然保护区内森林类型的LAI。相对而言，间接法通过 光学仪器根据林冠结构参数(如林隙分数)反演得到LAI，携带便捷，操作简便，其中 LAI-2000植物冠层分析仪是目前用于监测不同森林生态系统LAI最常用的仪器之一。然 而，间接法由于仪器自身局限性在估测LAI时存在一定误差，如：光学仪器法不能有效区 分木质部和叶片，忽略了冠层中的集聚效应，使测定的叶面积指数精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有LAI-2000植物冠层分析仪测量法存在局限性，测定叶 面积指数精度低的问题。

本发明的技术方案是：一种利用植物冠层分析仪测定叶面积指数的校正方法，利用 LAI-2000植物冠层分析仪测定得到LAI值，然后根据公式进行校正，式中，L 为校正后的LAI数值，L_e为校正前的LAI数值，公式中α、Ω_E和γ_E为校正系数，其中α为 木质指数占总LAI的比例，人工红松林和白桦次生林α的值分别为0.03和0.04，Ω_E为集聚 指数，人工红松林和白桦次生林Ω_E的值分别为0.95和0.87，γ_E为针簇比，人工红松林的γ_E为1.53，而白桦次生林的γ_E为1.0。

α值的得出方法为：基于Photoshop软件测定α值，利用DHP软件处理半球摄影图像 得到总LAI，所述总LAI包括木质部和叶片，即植被指数，记为LAI_total，利用Photoshop 软件中的仿制像章工具，将图像中的绿叶用天空代替，只剩下树干等木质部，然后利用 DHP软件再次处理该图像，得到木质指数WAI，根据公式α＝WAI/LAI_total得出α值；

Ω_E值得出方法为：利用TRAC仪器采集每个样点的数据，并通过自身配套软件获得人工 红松林和白桦次生林的Ω_E值；

γ_E值得出方法为：通过实地采集样枝法测定常绿针叶树种的γ_E，每个常绿针叶树种 选择三株样树，每株样树按树高分为上，中，下三个高度，然后每个高度选取5-10个样 簇，根据各树种的胸高断面积占所有树种总胸高断面积的比例进行加权得到人工红松林和 白桦次生林的γ_E。

本发明数据测定时期为叶面积最大时期。

所述叶面积最大时期为地理位置为东经127°至130°，北纬46°至49°处的八月 份时间。

本发明与现有技术相比具有以下效果：由表1得到，人工红松林内，LAI-2000测定 的有效LAI比真实LAI平均低估40％，即精度为60％，经过本方案的校正后精度得到明显 提高，达到93％；由表2可看出，白桦次生林内，LAI-2000测定的有效LAI比真实LAI 平均低估10％即精度为90％，经过本方案的校正后精度也得到提高，达到97％。本发明的 方法大幅度提高了叶面积指数的测量精度，并且该方法容易实现，省时省力，完全适用于 复杂高大林冠结构的森林生态系统，而且不会对森林生态造成负担和破坏，将集聚效应产 生的影响列在考虑范围之内，考虑范围全面，所得数据真实可靠。

具体实施方式

具体实施方式一：一种利用LAI-2000植物冠层分析仪测定叶面积指数的校正方法， 包括：

利用LAI-2000植物冠层分析仪测定得到有效的LAI值，记为L_e，其方法包括：在 LAI-2000植物冠层分析仪在采集数据时，使感应探头离地面1.3m,且保持水平，为避免操 作人员对采集数据产生影响使用45°顶盖；在采集样地内的数据前后，利用LAI-2000在离 样地不远处的空旷地带测定五组数据即天空空白值，以确保样地测定值标准化；采用的数 据采用FV2200软件处理，天顶角范围为1-3环，为避免直射光对测量值的影响，采集数据时 间选在阴天或日出和日落前后。

获取校正系数，所述校正系数包括α、Ω_E和γ_E，其中α为木质指数占总LAI的比例， 所述总LAI包括木质部和叶片，即植被指数，记为LAI_total，Ω_E为集聚指数，用于量化冠 层水平上的集聚效应，γ_E为针簇比，用于量化簇内水平上的集聚效应；

根据公式得出校正后的LAI数值，记为L。

α值测量方法：利用DHP软件处理半球摄影图像得到LAI_total；利用Photoshop软件中 的仿制像章工具，将图像中的绿叶用天空代替，只剩下树干等木质部，然后利用DHP软件 再次处理该图像，得到木质指数WAI；根据公式α＝WAI/LAI_total得出α值，经测定，人工 红松林和白桦次生林LAI最大时期时α的平均值分别为0.03和0.04。

利用TRAC仪器采集每个样点的数据，并通过自身配套软件获得人工红松林和白桦次生 林LAI最大时期Ω_E的平均值，经测定人工红松林和白桦次生林LAI最大时期Ω_E的值分别为 0.95和0.87。

通过实地采集样枝法测定常绿针叶树种的γ_E，每个常绿针叶树种选择三株样树，每 株样树按树高分为上，中，下三个高度，然后每个高度选取5-10个样簇，根据各树种的 胸高断面积占所有树种总胸高断面积的比例进行加权得到人工红松林的平均γ_E，经测定 小兴安岭地区常绿针叶树种的γ_E范围为1.04-1.90，由此得到人工红松林的平均γ_E为 1.53，而白桦次生林大部分树种为阔叶树种，因此其平均γ_E为1.0。

本发明数据估测时期为叶面积最大时期。

本发明方法用于人工红松林和白桦次生林的地理位置为东经127°至130°，北纬 46°至49°之间，所述叶面积最大时期为该地理位置处的八月份时间。

所述利用凋落物法测定人工红松林和白桦次生林的LAI主要包括两部分：对于落叶阔 叶树种，通过累加落叶季节的凋落叶产生的LAI得到的LAI；对于常绿针叶树种，先测定 一年内针叶树种的凋落叶产生的LAI，然后乘以针叶的平均存活周期得到针叶树种的总 LAI，综合落叶和常绿树种的LAI可得到整个林分的真实的LAI，记为L_real。

根据公式X₁＝(L_real-L_e)/L_real×100％，X₂＝(L_real-L)/L_real×100％计算LAI的差异率， 其中X₁为真实LAI值L_real和有效的LAI值L_e之间的差异率，X₂为真实LAI值L_real和校正 后的LAI数值L之间的差异率，有效的LAI值L_e的精度记为Y₁，校正后的LAI数值L的 精度记为Y₂，Y₁＝1-X₁，Y₂＝1-X₂。

具体实施方式二：对于针叶林和阔叶林，木质指数占总LAI的比例α值可以通过直接 法测定。

具体实施方式三：对于阔叶林，获取校正指数α可以利用以下方法，其步骤为1、利 用DHP软件处理半球摄影图像得到包括木质部和叶片的总LAI，即植被指数，记为LAI_total； 2、利用Photoshop软件中的仿制像章工具，将图像中的树干用其附近的非树干代替，然 后利用DHP软件再次处理该图像，得到绿叶产生的LAI，记为LAI_green；3、根据下式可 得到α＝(LAI_total-LAI_green)/LAI_total。

表1人工红松林叶面积指数测定结果。

表2.白桦次生林叶面积指数测定结果。