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一种测量林窗面积和形状的方法

来源：花匠小妙招时间：2025-08-28 06:30

专利名称：：一种测量林窗面积和形状的方法
技术领域：
：本发明涉及林学与生态学领域中关于林窗特征的测量方法，具体地说是一种测量林窗面积和形状的方法。
背景技术：
：林窗(或译作"林隙"，gap)指由一株以上林冠层树木死亡而形成的将由新个体占据与更新的空间，这一概念伴随森林循环的研究而产生。林窗干扰是森林群落中经常发生的重要的小尺度干扰，它不仅是自然森林群落演替的驱动要素，也在森林的结构、动态和生物多样性维持中起着重要的作用，已成为当前森林生态学研究最活跃的领域之一。林窗特征的测量是林窗研究的基础，主要包括林窗面积、形状、年龄等。其中林窗面积是林窗最重要的特征，常被用作反映林窗内光环境和其它资源有效性的间接指标，也是计算森林循环速率(forestrecyclerate)的依据，前者的准确性直接影响后者的估测结果。因此，快速准确地测量林窗面积是生态学家们关注的焦点。目前测量林窗面积的方法较多，这里介绍4种(l)椭圆法(EllipseMethod),将林窗近似成椭圆，测量林窗最长轴和与其垂直方向上的最长轴分别当作椭圆的长、短轴来估测林窗面积；(2)等角多边形法(SiogonMethods,SMs)，将林窗近似成等角多边形，测量从林窗中心点沿多个均分罗盘方向到林窗边缘的距离，然后计算林窗面积；根据罗盘方向的数目可分为等角8边形法(EquiangularOctagonMethod,EOM)和等角16边形法(EquiangularSixteen-gonMethod，ESM);(3)等角椭圆扇形法(EquiangularEllipticSectors,EESs)，把从林窗中心沿多个均分罗盘方向到林窗林冠边缘的距离中相邻两者之间的面积看作一个椭圆扇形，以这些椭圆扇形面积之和估测林窗面积。椭圆法最简单，使用较多，但精度差，尤其当林窗形状复杂时，其误差较大。等角16边形法由等角8边形法演变而来，将林窗细化成更多部分，因此，精确度好于前者，但更耗时，使用远不及等角8边形法广泛。等角椭圆扇形法是在等角多边形法的基础上提出的，计算精度更加准确。但以上各方法共同的缺点是受人为因素影响极大，且不同程度的费时费力。林窗形状也是林窗的一个重要特征。林窗形状对资源在林窗内的分布和有效性起着重要作用。一般来说，林窗形状越复杂，林窗的边缘效应(edgeeffect)越显著，光、温度、土壤水分以及土壤养分等资源将会形成一个从林窗中心点到林窗边缘的变化梯度，从而影响植物的分布格局，并能提高和维持森林的植物种类多样性。目前还没有提出一种测量林窗形状的方法。因此，找到快速、客观、准确测量林窗大小和形状的方法对于林窗研究具有重要的意义。
发明内容针对现有技术中存在林窗面积的测量受人为因素影响大、且费时费力的问题，本发明的目的在于提供一种能够客观、精确且易操作的测量林窗面积和形状的方法。为实现上述目的，本发明釆用的技术方案是本发明一种测量林窗面积和形状的方法具有以下步骤在林窗中某一位置用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄半球面影像，测量林窗参数;对上述半球面影像进行处理，记录相片中林窗边缘木最高点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点计算林窗的面积和形状。所述半球面影像的拍摄要求为在林窗内某一点，将装配有鱼眼镜头的数码相机垂直安置在三角架上；相机光圈调至最小，焦距调至无穷远；选择全阴天、日出前或日落后拍摄；半球面影像的正上方为罗盘正北方向；所述林窗参数包括林窗边缘木平均高度、坡度与坡向；通过图像处理软件对半球面影像进行处理，得到所有林窗边缘木最高点坐标，求得各坐标点到影像中心点的距离；所述计算林窗面积包括以下步骤把林窗近似成多边形，通过以下公式计算林窗面积(j):爿=0.51Z)y(,+1)."(,).sin(y(/+1)—柳/=1其中，"为林窗边缘木的数量，最后一个点(/="+1)也是起始点(/=1),Y为边缘木的方位角，Dy为Y方位的边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离；所述计算林窗形状具体为采用周长/面积比值户M或形状指数(s/)计算林窗形状，其中5/=尸/2^;式中户为林窗周长，爿为林窗面积；所述林窗周长(P)通过以下公式计算尸=_Aw.c。s(W+D-痛2+(""').+D_"0))2/=1其中，m为林窗边缘木的数量，最后一个点(/="+1)也是起始点(/=1),Y为边缘木的方位角，"^为Y方位的林窗边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离；所述林窗边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离(DY)的计算方法如下式中，H为林窗边缘木平均高度，OC为坡度，P为坡向，/Z为镜头距地面的高度，Z为边缘木最高点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角。所述天顶角(Z)通过以下方法得到根据林窗边缘木最高点在相片中投影点的坐标值计算每个坐标点的方位角(Y)及其到相片中心点的距离")，根据鱼眼镜头的极坐标投影原理公式求边缘木最高点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角(z):z/90=式中，7为2=90时投影点在半球面影像中的半径距离。本发明具有以下有益效果及优点1.首次提出测量林窗形状的方法，填补了这一研究领域的空白。2.可快速、客观地测量林窗面积和形状。3.具有较高的测量精度。4.测量结果不受测量位置的影响。图l为本发明半球面影像的成像原理图；图2为本发明计算任意方位角林窗边缘木在测量点上方的垂直高度示意图；图3A为本发明半球面影像法数据处理示意图；图3B为图3A的局部放大图；图4为林窗面积与2个形状指数的关系图。具体实施方式(一)实验地点实验地点选取自某森林生态实验站(41°51.102'N，124°54.543'E),海拔252~1116m,气候属暖温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季炎热多雨。年平均气温3.95.4。C,极端最高气温36.5°C,最低零下37.6。C。大于10。C的年活动积温2497.5~2943.0。C，无霜期120139d，年平均日照2433h，年降水量700850mm,降雨集中在68月份。植被隶属于长白山区系，以天然次生林为主，建群种有花曲柳(Fmx/m^^ywc/zop/^/a)、蒙古|乐(gwercMSmowgo/z.ca)、色木寺戚(icermo"o)、胡杉b梯大(c/wg7a"sma"A/7W7'ca)等，并有部分长白落叶松()人工林和红松(户/做sA:ora/era^)人工林，还有小面积残存的天然红松林。(二)野外测量选择12个大小不同的人工林窗和18个天然林窗为调查对象，选择全阴天，在每个人工林窗内5个随机点和每个天然林窗中心点安置三角架，垂直安置配有鱼眼镜头的数码相机，鱼眼镜头比地面高A;相机光圈调至最小，焦点调至无穷远，垂直向上拍摄1张半球面影像，同时在每个林窗中随机选5株林窗边缘木测量平均高度//，并测量坡度a和坡向p。此外，在每个林窗中心点安置森林罗盘仪，测量沿16个罗盘方向(0,22.5,45,337.5度)到林冠边缘垂直投影点的平行于坡面的距离。(三)林窗面积的计算(1)半球面影像法原理半球面影像法基于2个假设I.林窗边缘木高相同；II.林窗所处的地形坡度一致，即a为恒定值。半球面影像的成像方式是极坐标投影方式，即边缘木林冠边缘点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角z与投影点到相片中心点的距离r成线形关系(公式(l)):如图l所示，五为一个实测点，D为五到镜头光轴的垂直距离，r为五在半球面影像中的半径距离，i为水平实测点在半球面影像中的半径距离，z为边缘木最高点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角，则有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)根据几何关系，可得到公式(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)式中，Dy为Y方位角林冠边缘点到鱼眼镜头光轴的垂直距离，」S为Y方位角林冠边缘点在鱼眼镜头上方的高度。如图2所示，O为测量点(即相机镜头所在位置)，ZOC万二(X(即坡度)，j五是林窗边缘木高，￡^为林窗边缘木在6>点上方的高度(//Y);以下关系式是成立的爿￡〃(95丄A^BC，OE'丄爿￡，爿C丄AOBC,ZyiSC=r~(3(其中Y为方位角，(3为坡向角)，^^=/^;根据以上关系式，可求得:J五'=OB=5C.tan(a),5C=￡Vcos(y—13)，」￡'=tan(a).DY.cos(y—(3);根据测量得到的平均高度//、坡度a及坡向p,可求得Y方位林冠边缘点在鱼眼镜头上方的高度7/y(公式(3)):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)式中，/2为镜头距地面的高度。将公式(3)代入公式(2)中，可得到公式(4):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)等角多边形法(比照例)把平行于坡面的距离换算为水平距离，记作/2,/m,/;的罗盘方向为O度，其它/的方位角以22.5度依次增加，至&罗盘方向为337.5度。等角多边形法的计算公式具体为X=0.5t/,+1./,'sin(27r/")(8)当/="时，/,+7等于//。"等于16或8时，爿分别为等角16边形法(equiangularsixteen-sidedpolygonmethod,ESM)或等角8边形(equiangularoctagonmethod,EOM)法所计算的林窗面积。在本实施例中，共测量了16个罗盘方向的距离，因此，等角8边形法有两种求林窗面积的情况，它们基于2组不同数据，分别是(/7，/3，...，/75)和(/2,仏...，/M)。(3)数据处理及林窗面积和形状的计算如图3A、3B所示，在图像处理软件(本实施例釆用AdobeIllustrator)中，将半球面影像放大至1600%。在半球面影像中记录每株林窗边缘木林冠最高点的坐标(图中"x"为林窗边缘木的最高点)，如果该林窗有"株边缘木，则共记录"组坐标值；根据坐标值计算每个边缘木林冠最高点的方位角Y及其r,根据公式1求z，根据公式(4)求DY,然后把林窗近似成"边形求林窗面积^和周长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是林窗边缘木的数量，最后一个点(/="+1)也是起始点(/=1),同时采用周长/面积比值(尸")和形状指数(S/:Shapeindex)计算林窗形状(公式7):S/=iV2V^(7)(四)结果与分析分别计算半球面影像法的面积A(表1及表2中以^hpm表示)、等角16边形法的面积jesm、两个等角8边形法的面积je0m—"jeom—2。借助专业数据统计分析软件StatisticalProductandServiceSolutions(SPSS，v13.0),计算各方法间的相关性，用配对f检验(pairedMest)比较上述各方法之间的差异，用方差分析(ANOVA)检验半球面影像法是否受拍摄的影响。各种方法计算林窗面积的结果列于表1,配对f检验结果见表2。表l.林窗面积的统计值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2.林窗面积的配对Mests结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注当/>0.05时，两数据间表现为无显著差异；当；<0.05时，两数据间表现为显著差异；当/<0.01时，两数据间表现为极显著差异。半球面影像法、等角16边形法、等角8边形法俩俩之间具有高的相关性，其中，最小的相关系数/2=0.993("=30，/<0.001)，这表明3种方法之间存在高的相关关系。配对f检验(表2)表明，半球面影像法测得的林窗面积^hpm与等角16边形法的面积^esm、等角8边形法的面积je0m—i没有显著差异，但jhpm更接近于爿esm。爿hpm比爿esm小1.43%,比je0m!^je0m2分别大2.95%和15.89%。这说明半球面影像法具有较好的精度。方差分析(ANOVA)表明，半球面影像法在林窗内不同位置测得的林窗面积没有差异(d.f.=4，p=0.906),即半球面影像法不受拍摄位置的影响。所测30个林窗的2个形状指数尸Z4和57分别为0.65±0.55(0.15~1.23)和1.32±0.35(1.06-2.02)。如图4所示，57和PA4均由半球面影像法计算所得，实线和虛线分别代表当林窗形状为圆形时S/和户"的值，"x"和"+"分别为S/和P"的实测值。当林窗形状为圆形时，5T为恒定值(等于1),而PM随着林窗面积的增大而减少。Pearson相关指数表明，林窗面积与尸〃的相关性(/=_0.759,,0.001)比与57(i=—0.402,;=0.031)的相关性大，表明/v^受面积影响较大，而s/受面积影响较小。这说明57是一个比p/j更好的形状指数。综合以上分析，我们得到以下结果半球面影像法是一种客观、精确且易操作的测量林窗面积和形状的方法，且半球面影像拍摄位置对测量结果不存在显著的影响；通过时间系列的林窗的半球面影像，该方法可很好地监测林窗大小和形状的变化，因此，该方法对于林窗特征长期地、比较性研究具有重要意义。各种方法计算得到的林窗面积参见表3,半球面影像法在人工林窗5个不同位置测得的林窗面积参见表4。表3.各种方法计算得到的林窗面积(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4.半球面影像法测得人工林窗5个不同位置的林窗面积(m2)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1.一种测量林窗面积和形状的方法，其特征在于具有以下步骤在林窗中某一位置用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄半球面影像；测量林窗参数；对上述半球面影像进行处理，记录相片中林窗边缘木最高点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点及林窗参数计算林窗的面积和形状。2.按照权利要求l所述测量林窗面积和形状的方法，其特征在于所述半球面影像的拍摄要求为在林窗内某一点，将装配有鱼眼镜头的数码相机垂直安置在三角架上；相机光圈调至最小，焦距调至无穷远；选择全阴天、日出前或日落后拍摄；半球面影像的正上方为罗盘正北方向。3.按照权利要求1所述测量林窗面积和形状的方法，其特征在于所述林窗参数包括林窗边缘木平均高度、坡度与坡向。4.按照权利要求1所述测量林窗面积和形状的方法，其特征在于通过图像处理软件对半球面影像进行处理，得到所有林窗边缘木最高点坐标，求得各坐标点到影像中'。点的距离。5.按照权利要求1所述测量林窗的面积和形状的方法，其特征在于所述计算林窗面积包括以下步骤把林窗近似成多边形，通过以下公式计算林窗面积(J):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，w为林窗边缘木的数量，最后一个点(/="+l)也是起始点(/=1),Y为边缘木的方位角，Dy为Y方位的边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。6.按照权利要求1所述测量林窗的面积和形状的方法，其特征在于所述计算林窗形状具体为釆用周长/面积比值PA4或形状指数(S/)计算林窗形状，其中5/=户/2^;式中P为林窗周长，乂为林窗面积。7.按照权利要求1所述测量林窗的面积和形状的方法，其特征在于所述林窗周长(尸)通过以下公式计算尸=t扭0+"_.cos的'+U_柳)2+(Ac)sin(W+"_柳)2其中，"为林窗边缘木的数量，最后一个点(/="+1)也是起始点(/=1),Y为边缘木的方位角，"(,)为Y方位的林窗边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离。8.按照权利要求5或7所述测量林窗的面积和形状的方法，其特征在于林窗边缘木最高点到鱼眼镜头光轴的垂直距离(DY)的计算方法如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，/f为林窗边缘木平均高度，oc为坡度，P为坡向，/z为镜头距地面的高度，z为边缘木最高点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角。9.按照权利要求8所述测量林窗的面积和形状的方法，其特征在于所述天顶角(z)通过以下方法得到根据林窗边缘木最高点在相片中投影点的坐标值计算每个坐标点的方位角(Y)及其到相片中心点的距离")，根据鱼眼镜头的极坐标投影原理公式求边缘木最高点到鱼眼镜头垂直光轴的天顶角(z):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，7为2=90时投影点在半球面影像中的半径距离。全文摘要本发明涉及林学与生态学领域中一种用来测量林窗面积和形状的方法，具体步骤为在林窗中某一位置用装配鱼眼镜头的数码相机垂直向上拍摄半球面影像，测量林窗参数；对上述半球面影像进行处理，记录相片中林窗边缘木最高点的坐标；根据鱼眼镜头的投影原理和各坐标点及林窗参数计算林窗的面积和形状。本发明首次提出测量林窗形状的方法，填补了这一研究领域的空白，采用本发明方法可快速测量林窗面积和形状，避免了现有方法中人为因素的影响，并提高了林窗面积估测精度，容易操作，测量结果不受测量位置的影响。文档编号G01C11/00GK101319897SQ200710011580公开日2008年12月10日申请日期2007年6月6日优先权日2007年6月6日发明者朱教君,胡理乐申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所