利用數(shù)碼照片測定華北落葉松林分郁閉度1)

李永寧 徐成立 滕軼? 程 旭 于 泊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，保定，071000) (河北省木蘭國有林場管理局) (國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院) (河北省木蘭國有林場管理局)

郁閉度是一個(gè)重要的林分調(diào)查因子，在森林結(jié)構(gòu)調(diào)整與生態(tài)評價(jià)中廣泛應(yīng)用。森林經(jīng)營管理中，郁閉度是小班區(qū)劃、確定撫育采伐強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是通過遙感圖像進(jìn)行森林蓄積量估測不可或缺的因子［1］，世界各國也都把郁閉度作為判定森林的重要因子［2］。近年來，與郁閉度相關(guān)的生態(tài)研究不斷深入，不僅在水土流失、水源涵養(yǎng)、林分質(zhì)量評價(jià)等方面得到廣泛應(yīng)用，并還應(yīng)用于林中光照研究［3-5］、幼苗形態(tài)與解剖的影響［6］、與溪流溫度相關(guān)的森林經(jīng)營管理［7］、野生動(dòng)物如斑點(diǎn)貓頭鷹(Strixoccidentalis)［8］、綠紋霸鹟(Empidonaxvirescens)［9］棲息森林的經(jīng)營管理等方面。

然而，郁閉度的基本內(nèi)涵與調(diào)查方法卻沒有受到足夠的重視，存在著概念模糊、測定方法粗放等問題，不能滿足林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)的需要［10］。在林學(xué)與生態(tài)學(xué)中，與郁閉度相關(guān)的概念主要有林冠蓋度(canopy cover)、林冠密度(canopy density)、林冠開闊度(canopy openness)、平均樹冠完滿度(mean crown completeness) 等［3，5，11-13］。Jennings et al［3］把郁閉度定義為從林地一點(diǎn)向上仰視，得出被樹木枝體所遮擋的天空球面的比例，并把郁閉度(canopy closure)與林冠蓋度(canopy cover)區(qū)分開。李永寧等［14］則建議將生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的郁閉度稱為垂直郁閉度，而從林地一點(diǎn)向上仰視所得到的郁閉度稱為點(diǎn)郁閉度。郁閉度的測定方法可分為目測法、樹冠投影法、樣線法、樣點(diǎn)法、遙感圖像判讀法以及理論計(jì)算法等，測定工具有觀測管(sighting tube)、麋角(moosehorn)、球面密度計(jì)(spherical densiometer)、郁閉度測定器、照相機(jī)、冠層分析儀等［14］，在國內(nèi)森林調(diào)查中常用的抬頭望法屬于不應(yīng)用儀器的樣點(diǎn)法。目前，國內(nèi)外對郁閉度的測定方法與儀器等方面的研究報(bào)道較少，制約了郁閉度在林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)研究中的應(yīng)用。當(dāng)前數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用已非常普遍，通過數(shù)碼照片測定林分郁閉度是一種性價(jià)比較高的方法。本研究利用數(shù)碼照片測定華北落葉松林分的郁閉度，以期為郁閉度的測定與應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究材料

研究地點(diǎn)位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi)的河北省木蘭國有林場管理局，林分類型為華北落葉松人工林，選擇了不同胸徑、不同密度的12塊標(biāo)準(zhǔn)地作為拍攝對象，標(biāo)準(zhǔn)地大小為20 m×30 m。研究采用了Canon IXUS50數(shù)碼相機(jī)，焦距為35～105 mm，照片分辨率設(shè)置為1 600×1 200，采用自動(dòng)對焦模式。為考察不同視角對測量結(jié)果的影響，按數(shù)碼相機(jī)的不同焦距設(shè)置了大、中、小3種視角，照片對角線視角分別為63.4°(1 倍焦距)、34.3°(約2 倍焦距)、23.3°(3 倍焦距)。

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對角線每隔4 m拍攝一張照片，每條對角線拍攝9張照片，拍攝時(shí)相機(jī)與眼等高，鏡頭垂直向上并目視保持水平。為提高照片質(zhì)量與方便照片的處理，照片應(yīng)于非晴天進(jìn)行攝取，也可在早晨或傍晚日光照射不強(qiáng)時(shí)攝取。但考慮到林分調(diào)查的實(shí)際情況，在上述情況不能滿足時(shí)，也進(jìn)行了拍攝，通過照片的后期處理達(dá)到所要求的水平。每塊標(biāo)準(zhǔn)地共拍攝照片54張。本次研究共需拍攝648張數(shù)碼照片，但由于林分的復(fù)雜情況又進(jìn)行了補(bǔ)拍，共得到照片672張，經(jīng)過選擇及后期數(shù)據(jù)處理得到可用照片642張。

1.2 數(shù)碼照片處理方法

數(shù)碼照片的處理參照孫雪文等(2005)的方法［15］，采用美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)開發(fā)的桌面地理信息系統(tǒng)ArcView GIS 3.2進(jìn)行，操作時(shí)為支持JPG格式的圖像，在系統(tǒng)的File菜單下的Extensions中勾選JPEG(JFIF)Image Support，同時(shí)勾選進(jìn)行空間分析的Spatial Analyst模塊。

在新建的工程文件中，添加圖像到視圖中，并點(diǎn)擊成為當(dāng)前視圖(圖1A)。首先利用Theme菜單中的Convert to Grid命令將林冠圖像中第一波段轉(zhuǎn)換為漸變色的整型柵格數(shù)據(jù)Grid(圖1B);然后通過Analysis菜單下的Reclassify命令，將Grid數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類生成新的二值圖像，天空部分一類，林冠部分一類。如圖1C所示，圖中白色部分為林冠覆蓋部分，黑色部分為天空空白部分。查看圖1C所對應(yīng)的屬性，可知各部分count字段對應(yīng)的數(shù)據(jù)，林冠覆蓋像素?cái)?shù)與總像素?cái)?shù)之比即為郁閉度。

在進(jìn)行圖像重分類時(shí)，閾值的選擇直接影響郁閉度的大小。圖像中較粗的樹枝與濃密的針葉可清晰地反映出來，而較細(xì)的樹枝與稀疏的針葉邊緣往往與天空難以區(qū)分。在確定閾值時(shí)，采用了對照林冠原圖查詢柵格圖像中最頂端枝葉邊緣的單元值的方法，經(jīng)過圖像中多處查詢，確定一個(gè)比較合理的分類閾值。進(jìn)行重分類后再進(jìn)行檢查，以小枝與針葉的輪廓以及林冠中的空隙能清楚反映出來、輪廓范圍既不擴(kuò)大也不縮小為準(zhǔn)，否則重新調(diào)整分類閾值。

依照上述方法，將各個(gè)數(shù)碼相片進(jìn)行處理，并計(jì)算出所對應(yīng)的郁閉度。然后計(jì)算同一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)同一視角沿兩條對角線拍攝的數(shù)碼照片獲得的郁閉度的平均值，即為林分在此視角下的郁閉度。

對于拍攝時(shí)空中有云或較強(qiáng)陽光的照片，雖然目視可以很好地區(qū)分出林冠與其他圖像，但通過ArcViewGIS 3.2進(jìn)行圖像重分類時(shí)，只分為兩大類會(huì)出現(xiàn)無法區(qū)分林冠與天空的情況，產(chǎn)生錯(cuò)誤的像素?cái)?shù)據(jù)。對于這種情況采用了兩種處理方法，一種是在進(jìn)行重分類時(shí)，將其分為3類，得到林冠主色一類，天空深色一類和淺色一類，再計(jì)算郁閉度值;另一種方法是圖像較復(fù)雜用上述方法不能處理的，首先用Adobe Photoshop軟件進(jìn)行圖像處理，把較亮的部分與云用天空顏色進(jìn)行填充，然后再對圖像進(jìn)行處理，并計(jì)算出郁閉度。

1.3 抬頭望法測定林分郁閉度方法

為便于對數(shù)碼照片法測定的郁閉度結(jié)果進(jìn)行比較，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，用抬頭望法測定了林分郁閉度。為縮小林冠的范圍，減小視角的影響，在觀測中使用細(xì)的塑料管來確定林冠范圍。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿每條對角線，每隔2 m設(shè)置一個(gè)樣點(diǎn)，在每個(gè)樣點(diǎn)垂直仰望林冠，記錄被林冠遮蔽的樣點(diǎn)數(shù)與總樣點(diǎn)數(shù)，并計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)地的林分郁閉度。

數(shù)據(jù)的整理與郁閉度的計(jì)算通過EXCEL 2003進(jìn)行，測定結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析通過SPSS 11.5進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)碼照片法與抬頭望法測定結(jié)果比較

調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理與計(jì)算，得到了各標(biāo)準(zhǔn)地不同視角及抬頭望法測定的郁閉度，結(jié)果見表1。

表1 數(shù)碼照片法與抬頭望法測定郁閉度比較

從整體上看，當(dāng)郁閉度較小時(shí)(0.21～0.34)，數(shù)碼照片法比抬頭望法測定的郁閉度值大，而在郁閉度中等或較大時(shí)(0.37～0.91)，數(shù)碼照片法比抬頭望法測定的郁閉度值小或接近。究其原因，可從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：一是抬頭望法根據(jù)目視判斷樣點(diǎn)是否被林冠遮擋，當(dāng)郁閉度較小時(shí)，天空的范圍較大，給人造成了空曠的感覺，影響到了調(diào)查員的判斷，使郁閉度測定值偏小，使得數(shù)碼照片法比抬頭望法測定的郁閉度值大;二是用數(shù)碼照片測定林分郁閉度時(shí)，照片可以清晰記錄林冠中的微小孔隙，會(huì)使所測的林冠面積減少，從而使林分郁閉度降低。但當(dāng)郁閉度較小時(shí)，天空比較開闊，林冠在照片上所占比例較小，微小孔隙對郁閉度的影響不明顯;而當(dāng)郁閉度較大時(shí)，數(shù)碼照片記錄了更多的小孔隙，使郁閉度測定結(jié)果比抬頭望法的測定結(jié)果小。

為檢驗(yàn)數(shù)碼照片法與抬頭望法的差異性，對兩種方法的測定結(jié)果進(jìn)行了配對樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果表明(表2)，大、中、小視角數(shù)碼照片與抬頭望法測定郁閉度相比，顯著性水平均遠(yuǎn)大于0.1，兩種方法的測定結(jié)果差異均不顯著。用數(shù)碼照片法代替林業(yè)調(diào)查中常用的抬頭望法是可接受的，數(shù)碼照片法是一種可行的郁閉度測定方法。

表2 抬頭望法與數(shù)碼照片法郁閉度測定值配對樣本t檢驗(yàn)

2.2 不同視角的數(shù)碼照片測定結(jié)果比較

2.2.1 郁閉度測定值比較

視角的大小影響著景深、林冠范圍以及照片上圖像的傾斜程度，進(jìn)而對郁閉度測定值產(chǎn)生影響。由郁閉度測定結(jié)果可知，在12塊標(biāo)準(zhǔn)地中，大視角數(shù)碼照片比中、小視角數(shù)碼照片的測定結(jié)果大的為 8 塊(2、3、4、7、8、9、10、12)，占 66.7%;測定結(jié)果相近的為2塊(6、11)，占16.7%;比中視角或小視角小的各1塊(1、5)，占16.7%。中視角比小視角的郁閉度大的為5 塊(3、4、5、7、8)，占 41.7%;結(jié)果相近的為 5 塊(2、6、9、11、12)，占41.7%;比小視角小的為 2 塊(1、10)，占 16.7%。整體上說，視角大則郁閉度值較大，視角小則郁閉度值較小。究其原因，主要是由于數(shù)碼照片是通過相機(jī)鏡頭中心形成的中心投影，測定的是點(diǎn)郁閉度，拍攝視角越大，在數(shù)碼照片上非垂直的林冠所占的面積越大，使郁閉度測定值變大;同時(shí)，視角越大，在相機(jī)側(cè)方傾斜林冠的厚度增加，使得在照片上出現(xiàn)的孔隙比例減少，林分郁閉度的測定結(jié)果增大。少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)地沒有反映出這種規(guī)律性，出現(xiàn)了郁閉度偏小的情況，主要是由于林分結(jié)構(gòu)與樣點(diǎn)位置的影響，對于同一林分增加樣點(diǎn)數(shù)可能會(huì)改善這種情況。

所設(shè)置的3種視角，對于同一林分，大視角數(shù)碼照片的郁閉度測定值與中視角、小視角相比，由于視角相差較大(29.1°、40.1°)，規(guī)律性反映得較為明顯;中視角與小視角相比，由于差別較小(11.0°)，視角大小對郁閉度的影響較小，規(guī)律性不明顯。配對樣本t檢驗(yàn)結(jié)果也表明(表2)，大視角與中、小視角相比，顯著性水平均小于0.1，差異顯著;而中、小視角相比，差異不顯著。

2.2.2 測定結(jié)果的精確度比較

抬頭望法與數(shù)碼照片法測定郁閉度的原理不同，抬頭望法觀測整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的所有樣點(diǎn)得到一個(gè)郁閉度，而數(shù)碼照片法在每個(gè)樣點(diǎn)上都可得到一個(gè)郁閉度，各樣點(diǎn)的郁閉度平均值即為標(biāo)準(zhǔn)地的郁閉度。精確度是反映測量結(jié)果之間一致性的指標(biāo)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)差來衡量不同視角數(shù)碼照片測定郁閉度的精確度。

郁閉度大小對精確度的影響見表3，當(dāng)林分郁閉度較小或中等時(shí)(1～8號標(biāo)準(zhǔn)地)，標(biāo)準(zhǔn)差較大，精確度較低;而當(dāng)郁閉度較大時(shí)(9～12號標(biāo)準(zhǔn)地)，標(biāo)準(zhǔn)差較小，精確度較高。分析原因，主要是由于林分郁閉度較大時(shí)，林冠所占的面積較大，均質(zhì)性強(qiáng)，不同樣點(diǎn)所對應(yīng)的林冠與天空的比例差異較小，標(biāo)準(zhǔn)差就小，精確度較高;而當(dāng)郁閉度較小時(shí)，林冠異質(zhì)性大，樣點(diǎn)間的差異較大，變動(dòng)性大，所測郁閉度的標(biāo)準(zhǔn)差就大，精確度就低。

表3 不同視角數(shù)碼照片測定郁閉度的標(biāo)準(zhǔn)差比較

視角大小對精確度的影響。對于不同視角的數(shù)碼照片，視角大則取樣的尺度大，從而提高了對林冠特征的代表性，不同樣點(diǎn)間郁閉度的差異較小，標(biāo)準(zhǔn)差較小，精確度較高;視角小則取樣尺度小，不同樣點(diǎn)間郁閉度差異較大，標(biāo)準(zhǔn)差也較大，精確度低。由表3可知，當(dāng)郁閉度較小時(shí)(1～7號標(biāo)準(zhǔn)地)，規(guī)律性反映得比較明顯;而當(dāng)郁閉度較大時(shí)(8～12號標(biāo)準(zhǔn)地)，林冠的均質(zhì)性增強(qiáng)，取樣尺度大小對郁閉度的影響降低，視角大小對精確度的影響不明顯。出現(xiàn)了個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)地視角較大而標(biāo)準(zhǔn)差也較大的情況，如標(biāo)準(zhǔn)地1中中視角的標(biāo)準(zhǔn)差最大，標(biāo)準(zhǔn)地8中大視角的標(biāo)準(zhǔn)差最大，這是由于林分結(jié)構(gòu)千差萬別，影響郁閉度的因素較多，如林冠的分布特征及樣點(diǎn)的位置等，都會(huì)影響到測定值的離散程度，沒有反映出視角對精確度影響的共性特征。

3 結(jié)論與討論

由于數(shù)碼相機(jī)具有較高的性價(jià)比，以及多功能性和便攜性，通過數(shù)碼照片測定林分的郁閉度是可行的，并具有較高的精確度。通過數(shù)碼照片測定林分郁閉度，外業(yè)操作簡便易行，圖像處理軟件也較易掌握，能滿足林分精確調(diào)查的需要。理論上，這種方法測定郁閉度時(shí)，每個(gè)樣點(diǎn)都可得到一個(gè)郁閉度值，在林分微環(huán)境的測定中具有更大的優(yōu)勢。

在整體上，與抬頭望法相比較，當(dāng)郁閉度較小時(shí)，數(shù)碼照片法測定的郁閉度值偏大，而在郁閉度中等或較大時(shí)，測定結(jié)果相近或偏小。

對于同一林分來說，大視角數(shù)碼照片的測定結(jié)果較大，小視角的測定結(jié)果較小。當(dāng)林分郁閉度較小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差較大，精確度較低;當(dāng)郁閉度較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差較小，精確度較高。大視角數(shù)碼照片的測定結(jié)果的精確度較高，小視角的較低。

在野外拍攝數(shù)碼照片時(shí)，要避免陽光直射，最好在均勻的陰天或早晚進(jìn)行，但在實(shí)際調(diào)查中很難滿足這種光線條件。通過研究發(fā)現(xiàn)，在陽光不強(qiáng)烈的晴天也可進(jìn)行拍攝，均勻的藍(lán)色背景也便于圖像的處理。同時(shí)，大視角的數(shù)碼照片獲取強(qiáng)光的機(jī)會(huì)多，給圖像處理帶來困難，較小的拍攝視角更易于照片的后期處理。在拍攝數(shù)碼照片時(shí)，要求相機(jī)保持水平，鏡頭垂直向上，本次研究中采用了目視水平的方法，還需要簡便易行的快速整平的儀器。

在數(shù)碼照片處理中，閾值的選擇是關(guān)鍵，并會(huì)影響測定結(jié)果［4］。在進(jìn)行圖像的重分類時(shí)，陰暗的天空常被誤判為林冠，而明亮的枝葉甚至樹皮的反光斑點(diǎn)會(huì)被誤判為天空。同時(shí)，太陽光通過林冠中的細(xì)小孔隙會(huì)產(chǎn)生“針孔效應(yīng)”［3］，會(huì)給閾值的確定帶來困難。本次研究中，通過細(xì)枝與針葉的輪廓來確定閾值，在光線均勻的情況下相對容易，而在光線不均的情況下比較困難。要提高數(shù)碼照片測定郁閉度的處理速度與精度，還需要制定適合的確定閾值的方法。通過照片測定郁閉度時(shí)，較粗的樹枝或距樣點(diǎn)較近的樹干會(huì)影響郁閉度的大小，在已有的研究中，既有不進(jìn)行處理的［13，16］，也有分離樹干部分后再計(jì)算郁閉度的［17］，當(dāng)視角較小時(shí)，對郁閉度沒有影響或影響較小，可以不進(jìn)行處理;但當(dāng)視角較大時(shí)，直接分離出去會(huì)使郁閉度降低，可以采用臨近的樹冠填充方法，對郁閉度的影響較小。

一般認(rèn)為，視角的存在使樹木好像倒向觀測區(qū)域中心，測定結(jié)果往往偏大［3，5，11，18］。通過數(shù)碼照片測定的郁閉度也從整體上反映了這種情況。但視角對郁閉度的影響也與林分結(jié)構(gòu)、樣點(diǎn)位置與數(shù)量有關(guān)，在研究中也出現(xiàn)了少數(shù)視角大而郁閉度小的情況。研究發(fā)現(xiàn)，由于樣點(diǎn)位置的不同，增大視角會(huì)出現(xiàn)郁閉度減小的情況，如圖2A中，增大視角增加了林冠的投影范圍，使郁閉度增加;而在圖2B中，由于樣點(diǎn)位置的影響，且華北落葉松樹冠呈圓錐形，增大視角反而使郁閉度降低。

圖2 視角對測定郁閉度的影響

除林冠的分布特征、樣點(diǎn)的位置及視角大小對郁閉度的大小造成影響外，通過數(shù)碼照片測定郁閉度是利用中心投影成像，與垂直投影不同，樹高與活枝下高也會(huì)影響郁閉度的大?。?，11］。在測定郁閉度時(shí)，要說明視角的大小，并要綜合考慮林分的樹高、活枝下高等因子對郁閉度的影響。

［1］李崇貴，蔡體久.森林郁閉度對蓄積量估測的影響規(guī)律［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(1)：15-17.

［2］趙憲文.什么是森林［J］.林業(yè)資源管理，2002(5)：61-64.

［3］Jennings SB，Brown N D，Sheil D.Assessing forest canopies and understorey illumination：canopy closure，canopy cover and other measures［J］.Forestry，1999，72(1)：59-74.

［4］Englund SR，O’Brien J J，Clark D B.Evaluation of digital and film hemispherical photography and spherical densiometry for measuring forest light environments［J］.Can J For Res，2000，30(12)：1999-2005.

［5］Korhonen L，Korhonen K T，Rautiainen M，et al.Estimation of forest canopy cover：a comparison of field measurement techniques［J］.Silva Fennica，2006，40(4)：577-588.

［6］Collet C，Lanter O，Pardos M.Effects of canopy opening on the morphology and anatomy of naturally regenerated beech seedlings［J］.Trees，2002，16(4/5)：291-298.

［7］Teti P A，Pike R G.Selecting and testing an instrument for surveying stream shade［J］.B CJournal of Ecosystems and Management，2005，6(2)：1-16.

［8］May C A，Petersburg M L，Gutierrez R J.Mexican spotted owl nest-and roost-site habitat in northern Arizona［J］.Journal of wildlife management，2004，68(4)：1054-1064.

［9］McComb B C，Kenney E.Assessing habitat suitability for acadian flycatchers in massachusetts［J］.Northeast Wildlife，2002，57：19-27.

［10］杜文峰，王鳳臻，李慶.提高郁閉度調(diào)查精度的幾點(diǎn)建議［J］.林業(yè)資源管理，1999(3)：62-64.

［11］Bunnell F L，Vales D J.Comparison of methods for estimating forest overstory cover：differences among techniques［J］.Can J For Res，1990(20)：101-107.

［12］朱教君.透光分層疏透度測定及其在次生林結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14(8)：1229-1233.

［13］朱教君，康宏樟，胡理樂.應(yīng)用全天空照片估計(jì)林分透光孔隙度(郁閉度)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2005，24(10)：1234-1240.

［14］李永寧，張賓蘭，秦淑英，等.郁閉度及其測定方法研究與應(yīng)用［J］.世界林業(yè)研究，2008，21(1)：40-46.

［15］孫雪文，高德武，李日新，等.ArcViewGIS支持下的林地郁閉度的快速精確測定方法［J］.黑龍江水專學(xué)報(bào)，2005，32(3)：89-90.

［16］宋國元，劉峰，董峰.應(yīng)用圖像軟件對植物樣方郁蔽度的分析［J］.上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，35(6)：81-86.

［17］祁有祥，駱漢，趙廷寧.基于魚眼鏡頭的林冠郁閉度簡易測量方法［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(6)：60-66.

［18］Cook JG，Stutzman T W，Bowers CW，et al.Spherical densiometers produce biased estimates of forest canopy cover［J］.Wildl Soc Bull，1995，23(4)：711-717.