專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及林學(xué)與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種測(cè)量林窗內(nèi)任意位置光照時(shí)長(zhǎng)的方法。

背景技術(shù)：
林窗是森林更新的重要場(chǎng)所，也是森林群落演替的驅(qū)動(dòng)要素。自1947年Watt提出林窗概念至今，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量有關(guān)林窗的研究，林窗研究已成為當(dāng)前森林生態(tài)學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一。林窗的形成導(dǎo)致林窗內(nèi)光等環(huán)境因子發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而影響林窗植物萌發(fā)、生長(zhǎng)，影響林窗物種組成、分布格局和物種多樣性等。
光是植物進(jìn)行光合作用并賴(lài)以生長(zhǎng)的環(huán)境因子，影響植物的存活、生長(zhǎng)以及形態(tài)結(jié)構(gòu)。林窗的形成導(dǎo)致光環(huán)境發(fā)生劇烈的時(shí)空變化，同時(shí)，林窗光環(huán)境異質(zhì)性也影響著其它環(huán)境因子，如林窗內(nèi)地表溫度、空氣溫/濕度等熱力特征，而光環(huán)境和熱力特征又會(huì)影響土壤水分、理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素分解、土壤微生物活性等環(huán)境因子，從而導(dǎo)致林窗環(huán)境異質(zhì)性。環(huán)境異質(zhì)性決定了林窗更新，在森林動(dòng)態(tài)及演替過(guò)程中起著重要作用。
林窗光環(huán)境不僅存在日變化和季節(jié)變化，同時(shí)，也表現(xiàn)出復(fù)雜的空間異質(zhì)性。張一平等對(duì)熱帶雨林、季雨林的氣候特征進(jìn)行研究表明，林窗內(nèi)光照空間分布存在著明顯的南北不對(duì)稱(chēng)性。王進(jìn)欣等對(duì)西雙版納人工林林窗的研究結(jié)果表明，從林窗中心到林內(nèi)各梯度上光照強(qiáng)度日變化曲線(xiàn)均為不對(duì)稱(chēng)的單峰型，光照在林窗北緣的影響范圍大于其在南緣的，并隨著林內(nèi)的距離呈指數(shù)遞減。
林窗光環(huán)境的測(cè)量方法是生態(tài)學(xué)家十分關(guān)注的問(wèn)題，測(cè)量方法比較多，但均存在各自的缺點(diǎn)。測(cè)量林窗內(nèi)光環(huán)境的方法可分成三類(lèi)直接測(cè)量法、模型估測(cè)法和相片法。直接測(cè)量法精度最高，但最費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本昂貴。模型估測(cè)法最簡(jiǎn)單，對(duì)直射光和散射光均有相應(yīng)的模型，但精度最差。相比直接測(cè)量法，相片法野外工作量少，使用簡(jiǎn)單，且具有較好的精度，但用于研究林窗光環(huán)境異質(zhì)性時(shí)，則需要拍攝大量的相片，尤其對(duì)于大林窗，十分費(fèi)時(shí)。目前，國(guó)內(nèi)主要采用直接測(cè)量法中的連續(xù)監(jiān)測(cè)法測(cè)量林窗光環(huán)境，國(guó)外主要采用相片法，其中林窗光指數(shù)使用最多。
由于缺乏快速、準(zhǔn)確測(cè)量林窗光環(huán)境的方法，目前，在林窗光環(huán)境異質(zhì)性的研究中樣點(diǎn)數(shù)量過(guò)少，取樣點(diǎn)主要分布在林窗南北和東西2個(gè)軸，無(wú)法詳細(xì)地描繪林窗光環(huán)境異質(zhì)性。Canham et al.把林窗簡(jiǎn)化為圓柱體，然后采用林窗光指數(shù)首次繪制了林窗內(nèi)地面層光環(huán)境空間分布格局的等值線(xiàn)圖，討論了林窗大小、林窗邊緣木高等因素對(duì)林窗光環(huán)境的影響，但簡(jiǎn)化處理極大地降低了精確度，影響研究結(jié)果和結(jié)論。目前，林窗植物更新與光強(qiáng)關(guān)系的研究?jī)H涉及林窗內(nèi)與林下光強(qiáng)差異或林窗中心與邊緣光強(qiáng)差異的比較，并沒(méi)有討論復(fù)雜的林窗光強(qiáng)異質(zhì)性對(duì)植物更新的影響。深入研究林窗光強(qiáng)異質(zhì)性在林窗植物更新過(guò)程中的作用有助于解釋林窗物種組成、揭示林窗與物種多樣性的關(guān)系，有助于揭示林窗中植被演替和物種更新過(guò)程的機(jī)制。
林窗內(nèi)全光環(huán)境通常可分成直射光和散射光。光照時(shí)長(zhǎng)(sunshine duration，SD)與全光存在較強(qiáng)的相關(guān)性，尤其與直射光，且有研究表明直射光對(duì)林下以及空地的有效光合輻射(PAR)有重要的貢獻(xiàn)。光照時(shí)長(zhǎng)(SD)也是用于估測(cè)太陽(yáng)輻射最常用的變量并廣泛應(yīng)用于許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭小Ａ执爸心骋淮_定位置的光照時(shí)長(zhǎng)(SD)主要由太陽(yáng)位置(太陽(yáng)高度角和方位角)、林窗立體結(jié)構(gòu)(大小、形狀、邊緣木高)、地形(坡度與坡向)以及云層狀況決定。不考慮云層遮擋的光照時(shí)長(zhǎng)(SD)被定義為最大光照時(shí)長(zhǎng)(potential sunshine duration，PSD)。至今，僅有少數(shù)幾篇論文介紹了林窗中最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)的計(jì)算方法。最先，Monsi&Oshima把林窗假設(shè)為最簡(jiǎn)單的圓柱體而計(jì)算林窗中各點(diǎn)的最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)；Takenaka在Monsi&Oshima的基礎(chǔ)上考慮了坡度以及冠層的厚度，但假設(shè)林窗邊緣木冠層厚度相同；Dai計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)(SD)時(shí)把林窗假設(shè)為橢圓柱體，但并沒(méi)有考慮坡度的影響。上述3種方法均不適用于具有復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的實(shí)際林窗。因此，快速、客觀(guān)、準(zhǔn)確測(cè)量林窗光照時(shí)長(zhǎng)的方法可用于估測(cè)林窗任意位置光環(huán)境。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，以能夠客觀(guān)、精確、快速測(cè)量林窗任意位置光照時(shí)長(zhǎng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，包括以下步驟 (1)在林窗中心點(diǎn)不同高度用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝兩張半球面影像； (2)根據(jù)“雙半球面影像法”測(cè)量林窗立體結(jié)構(gòu)； (3)根據(jù)林窗立體結(jié)構(gòu)、緯度、坡度和坡向計(jì)算林窗內(nèi)任意位置的最大光照時(shí)長(zhǎng)，林窗內(nèi)P點(diǎn)在時(shí)段(D)中的最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)可按下式計(jì)算 式中，時(shí)刻t以步長(zhǎng)S(例如，0.5h)在時(shí)段D中遞增；It記錄P點(diǎn)在t時(shí)刻被直射光照射的狀態(tài)，取值1(TH＜H時(shí))或0(TH≥SH時(shí))； (4)根據(jù)云層覆蓋率(C)(可通過(guò)附近氣象臺(tái)站獲得)和最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)，公式如下SD＝PSD×C。
本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)可快速測(cè)量林窗任意位置的光照時(shí)長(zhǎng)；具有較高的測(cè)量精度。



圖1是10度間隔的林窗立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位m)； 圖2是林窗坐標(biāo)計(jì)算原理圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明實(shí)施例所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，包括以下步驟 1.半球面影像的拍攝 在林窗中心點(diǎn)不同高度用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝兩張半球面影像； 2.林窗立體結(jié)構(gòu)的計(jì)算 該方法基于在林窗內(nèi)同一位置不同高度處垂直向上拍攝的2張半球面影像，稱(chēng)之為“雙半球面影像法”(現(xiàn)有技術(shù))，林窗立體結(jié)構(gòu)可用下式表示 D＝f(θ)，H＝g(θ)，(0≤θ＜360)(1) 式中，θ是方位角，D和H分別是林窗林冠邊緣點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的水平距離、垂直距離(圖1)。
3.最大光照時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算 3.1某一時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算 把地球假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)球體，太陽(yáng)高度角(SH)和方位角(SA)可分別按公式(2)和(3)計(jì)算

式中，

是緯度，δ太陽(yáng)偏角(declination)，時(shí)間角(HA，hour angle)。
HA可按下式計(jì)算 HA＝(TIME-12)×π/12 式中，TIME指一天中某一時(shí)刻，單位為h，24小時(shí)格式； δ可按下式計(jì)算 式中，DAY為儒略日(Julian day)，可用現(xiàn)有技術(shù)的軟件(Julian Day Converter V1.0 software)計(jì)算。
3.2判斷林窗內(nèi)某一點(diǎn)在某一時(shí)刻是否被太陽(yáng)照射 圖2中林窗中心點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)O，位于平面xy上方向?yàn)棣恋纳渚€(xiàn)PE與林冠林窗的垂直投影輪廓相交于E點(diǎn)，T點(diǎn)是投影于E點(diǎn)的林窗林冠邊緣點(diǎn)，T點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)O的方位角、水平距離、垂直距離分別為θE，f(θE)和g(θE)。P是林窗內(nèi)某一特定點(diǎn)，它的極坐標(biāo)可表示為(d(θp)，h(θp))；θp是方位角，d和h分別是點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)O的水平距離和垂直距離。
當(dāng)h(θp)等于0時(shí)，位于平面xy中方向?yàn)镾A的射線(xiàn)PE的方程可表示為 DPE＝d(θP)· sinθP/sinθ(SA＝0) 式中，DPE是是射線(xiàn)PE上任意一點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離，方位角θ在SA和θP之間； 基于公式(2)和(3)，可求得射線(xiàn)PE與林冠林窗垂直投影輪廓的交點(diǎn)E的方位角θE，那么，將θE代入到公式(1)中可求得E點(diǎn)到原點(diǎn)O的距離f(θE)，然后，線(xiàn)段PE的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算 接下來(lái)，點(diǎn)P到林窗林冠邊緣點(diǎn)T(圖2)的仰角(TH)可按下面公式計(jì)算 TH＝π/2(PE＝0) TH＝arctan(g(θE)/PE)(PE＞0)(6) 當(dāng)h(θp)不等于0時(shí)，仰角TH可按下式進(jìn)行計(jì)算 假定林窗所在地面坡度(γ)和坡向(β)恒定不變，并且點(diǎn)P位于地面上，那么，點(diǎn)P到坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離h(θp)可按下式計(jì)算 h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)(8) 如果點(diǎn)P距地面有一恒定距離(z)，那么，h(θp)可按下式計(jì)算 h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)+z(9) 假定林窗林冠頂點(diǎn)距地面的高度相同(Hc)，那么，方位角θ處林窗林冠頂點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)O的高度g(θ)可按下式計(jì)算 g(θ)＝-tanγ·f(θ)·cos(θ-β)+Hc(10) 把h(θ)和g(θ)代入公式(7)，便可計(jì)算其對(duì)應(yīng)的仰角TH。
當(dāng)TH＜SH時(shí)，P點(diǎn)被太陽(yáng)照射；當(dāng)TH≥SH時(shí)，P點(diǎn)不被太陽(yáng)照射。
3.3計(jì)算林窗內(nèi)某一點(diǎn)在某一時(shí)段的光照時(shí)長(zhǎng) 最后，P點(diǎn)在時(shí)段(D)中的最大光照時(shí)長(zhǎng)可按下式計(jì)算 式中，時(shí)刻t以步長(zhǎng)S(例如，0.5h)在時(shí)段D中遞增；It記錄P點(diǎn)在t時(shí)刻被直射光照射的狀態(tài)，取值1(TH＜SH時(shí))或0(TH≥SH時(shí))。
4.光照時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算 根據(jù)云層覆蓋率(C)和最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)可計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)(SD)，公式如下SD＝PSD×C。
權(quán)利要求
1、一種測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于根據(jù)林窗立體結(jié)構(gòu)、緯度、坡度和坡向計(jì)算林窗內(nèi)任意位置在任意時(shí)段的最大光照時(shí)長(zhǎng)，然后根據(jù)最大光照時(shí)長(zhǎng)和云層覆蓋率計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)。
2、按照權(quán)利要求1所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于最大光照時(shí)長(zhǎng)指不考慮云層遮擋時(shí)被太陽(yáng)照射的時(shí)間長(zhǎng)度，林窗內(nèi)點(diǎn)P在時(shí)段(D)中的最大光照時(shí)長(zhǎng)可按下式計(jì)算
式中，時(shí)刻t以步長(zhǎng)S(例如，0.5h)在時(shí)段D中遞增；It記錄P點(diǎn)在t時(shí)刻被直射光照射的狀態(tài)，取值1(TH＜SH時(shí))或0(TH≥SH時(shí))，其中SH為太陽(yáng)高度角，TH為仰角。
3、按照權(quán)利要求2所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于把地球假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)球體，太陽(yáng)高度角(SH)和方位角(SA)可分別按公式(2)和(3)計(jì)算
式中，
是緯度，6是太陽(yáng)偏角，HA是時(shí)間角，其中
HA可按下式計(jì)算
HA＝(TIME-12)×π/12
式中，TIME指一天中某一時(shí)刻，單位為h，24小時(shí)格式；
δ可按下式計(jì)算
式中，DAY為儒略日。
4、按照權(quán)利要求3所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于當(dāng)點(diǎn)P位于平面xy上時(shí)，點(diǎn)P到林窗林冠邊緣點(diǎn)T的仰角(TH)可按下面公式計(jì)算
TH＝π/2 (PE＝0)
TH＝arctan(g(θE)/PE)(PE＞0) (6)
當(dāng)h(θP)不等于0時(shí)，仰角TH可按下式進(jìn)行計(jì)算
(PE≠0)(7)
式中，線(xiàn)段PE位于平面xy中方位角等于α的一條射線(xiàn)上，點(diǎn)P是射線(xiàn)的頂點(diǎn)，該射線(xiàn)與林冠林窗的垂直投影輪廓相交于點(diǎn)E；點(diǎn)T是投影于點(diǎn)E的林窗林冠邊緣點(diǎn)，θE，f(θE)和g(θE)分別是點(diǎn)T相對(duì)于原點(diǎn)O(林窗中心點(diǎn))的方位角、水平距離和垂直距離。
5、按照權(quán)利要求4所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于線(xiàn)段PE的方程按下式計(jì)算
DPE＝d(θP)·sinθP/sinθ，(α＝0)
(α≠0)(5)
式中，DPE是線(xiàn)段PE上任意一點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離，方位角θ在α和θP之間變化；基于公式(1)和(2)，可求得線(xiàn)段PE與林冠林窗垂直投影輪廓的交點(diǎn)E的方位角θE，將θE代入到公式(1)中可求得點(diǎn)E到原點(diǎn)O的距離f(θE)，線(xiàn)段PE的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算
式中，θP是P點(diǎn)方位角，d(θP)，h(θP)分別是點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)O的水平距離和垂直距離。
6、按照權(quán)利要求4所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于假定林窗所在地面坡度(γ)和坡向(β)恒定不變，并且點(diǎn)P位于地面上，那么，點(diǎn)P到坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離h(θp)可按下式計(jì)算
h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)(8)
如果點(diǎn)P距地面有一恒定距離(z)，那么，h(θp)可按下式計(jì)算
h(θP)＝-tanγ·d(θP)·cos(θP-β)+z(9)
假定林窗林冠頂點(diǎn)距地面的高度相同(Hc)，那么，方位角θ處林窗林冠頂點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)O的高度g(θ)可按下式計(jì)算
g(θ)＝-tanγ·f(θ)·cos(θ-β)+Hc(10)
把h(θ)和g(θ)代入公式(7)，便可計(jì)算其對(duì)應(yīng)的仰角TH。
7、按照權(quán)利要求2所述的測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，其特征在于根據(jù)云層覆蓋率(C)和最大光照時(shí)長(zhǎng)(PSD)計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)(SD)，公式如下
SD＝PSD×C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量林窗內(nèi)光照時(shí)長(zhǎng)的方法，包括以下步驟在林窗中心點(diǎn)不同高度用裝配魚(yú)眼鏡頭的數(shù)碼相機(jī)垂直向上拍攝兩張半球面影像；根據(jù)“雙半球面影像法”測(cè)量林窗立體結(jié)構(gòu)；根據(jù)林窗立體結(jié)構(gòu)、緯度、坡度和坡向計(jì)算林窗內(nèi)任意位置的最大光照時(shí)長(zhǎng)；根據(jù)云層覆蓋率和最大光照時(shí)長(zhǎng)計(jì)算光照時(shí)長(zhǎng)。本發(fā)明有益效果考慮了復(fù)雜的林窗立體結(jié)構(gòu)計(jì)算林窗光照時(shí)長(zhǎng)，具有較高的測(cè)量精度，可以計(jì)算林窗任意位置的光照時(shí)長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01W1/12GK101408626SQ20081018240
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者胡理樂(lè), 李俊生, 全占軍, 吳曉莆, 羅遵蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院