植物冠层分析系统在LAI测定应用中的对比
SunScan和HemiView 植物冠层分析系统在LAI测定应用中的对比
前言
LAI植物叶面积指数的测量通常要求采用无损的方法进行。SunScan植物冠层分析仪和HemiView数字式植物冠层分析仪是两种采用不同模型计算叶面积指数的典型仪器设备。本文将从其采用的模型、测量的参数、具体的应用等方面进行对比，为如何选择SunScan和HemiView提供指导和参考。此外，本文也将第一次涉及HemiView和BF5的搭配应用案例。
背景
Campbell (1986)于1986年提出了通过冠层的单一直射光束（the Direct solar beam）的椭圆叶角分布函数。这个函数通过单一参数，即椭圆叶角分布参数（ELADP），可以描述很多不同类型的冠层。在这个模型里，植物冠层的椭圆叶角分布系数由椭球的平面半径除垂直半径得到。
基于植物冠层的叶面积指数和椭圆叶角分布系数计算理论，某一特定天顶角入射光线穿过植物冠层的消光系数可由下式计算：
同时，冠层孔隙度也符合比尔定律，可用下式进行计算：
得到冠层孔隙度指标后，通过半球影像分析和入射光截光率测量，都可以转化为植物叶面积指数。尤其是在获得多个天顶角度的冠层孔隙度时，再加上椭圆叶角分布的评估也可以转化为植物叶面积指数。这是HemiView植物冠层分析仪和SunScan植物冠层分析仪共同的理论背景。并且由于该模型尺度的独立性，所以实际应用中无需考虑植物冠层的实际厚度，只针对整个冠层的叶面积指数进行评价。
SunScan 植物冠层分析系统中的LAI模型
SunScan植物冠层分析系统中，利用BF5光辐射测量仪监测冠层上方直射光和散射光辐射的状况，通过SS1探头测量冠层下方总的透射光。我们假设太阳辐射为一个常态，直射光的衰减是均匀化的，以便应用Campbell模型进行计算。为此我们还需要知道入射光的入射角度，以及冠层叶片角度的分布，以便输入SunScan系统作为计算依据。然后SunScan模型中还需要的第三类参数是评估叶表面的吸光系数，因为在冠层下方测得的透射光除了穿过冠层孔隙的部分，肯定还有一小部分是由于叶片没有完全反射或吸收而穿透下来的光辐射。
HemiView 植物冠层分析系统中的LAI模型
HemiView从某种角度来说，计算理论相对简单一些。首先，我们假设获取天空半球图像时，是处于无太阳且光照条件均一的情况下；其次，HemiView获得的图片是阈值化的，主要分析的是冠层上方各个方向入射光经过冠层后的透射光和拦截率。所以在这个过程中无需考虑光反射，散射光也无需关注。这样一来就简化了计算过程，因为无需考虑光强和光反射，只关注透射光和光吸收即可。并且HemiView测量的透射光考虑到了各种可能的角度，可以据此来评估叶角分布和LAI指数。因此，在HemiView中，冠层叶面角度分布是一个输出值，而不是像SunScan中是个需要提前评估的参数。
HemiView植物冠层分析系统中光辐射计算
HemiView在计算LAI指数过程中不会用到光强，但植物冠层上下方的光辐射强度状况还是需要进行评估。计算光辐射主要依据半球图像中预设的冠层结构和相关系数，这样无论冠层上方光照条件如何，我们都能计算出冠层下方的光照条件。因此通过一张图片，我们甚至可以计算出冠层下方一年的光照条件或某一冠层结构基本不变的时段内冠层下方的光照条件。HemiView同样含有评估直射光和散射光（干净的天空条件下）的光学模型，但HemiView不会将叶片反射考虑在光辐射计算之内，在这个方面SunScan做的更好一些
实际森林植被冠层中的应用
真实的尤其是混合树种的森林植被冠层，由于其冠层结构的高度不均一和不确定性，将使LAI模型的假设和计算结果差之毫厘谬以千里。假设你认为HemiView计算得到的LAI是有效的理想的，也就是说一个均匀植物冠层的LAI指数预示了冠层均一的光截留，但这和实际状况下的LAI并非完全一致。植物冠层的生长与光截留密切相关，因此，如果应用HemiView中实际测量的冠层可见光来评估其对植物冠层的影响，将比各种假设推理得到的结论更能体现植物冠层的异质性。如果将BF5，一个可测量冠层上方实际总辐射和散射辐射的光照辐射传感器，引入HemiView系统，将能更好地优化HemiView计算理论和结果的可信性。
HemiView植物冠层分析系统与BF5太阳辐射传感器的联用
植物冠层半球图像是冠层的几何学投影，能够提供很多冠层结构参数。如果利用其它途径引入直射和散射光的测量（譬如小型气象站、总辐射模型或者BF5太阳辐射传感器的直接测量）将对评估冠层下方光照状况更有说服力。
HemiView植物冠层分析系统与BF5太阳辐射传感器如何联用？
这取决于您要做什么：
A:匹配HemiView的太阳模型与当地的气候状况，这一般应用于长期监测。HemiView的太阳模型中需要输入大气的透射系数和总入射光中的散射光比率。
将BF5置于冠层上方，长期运行以获得监测数据
据此得出监测点的月总直射辐射和散射辐射
利用HemiView计算出相关值
修正大气的透射系数和总入射光中的散射光比率值
这样的修正将使得利用HemiView及其太阳模型得到更有说服力的计算结果。
B.应用BF5测量植物冠层上方实际的光辐射状况，以便HemiView计算冠层孔隙度。
B.1 长期监测
1、分析BF5的监测数据给出月总散射辐射，以及直射辐射的月总值、每天的分时值
2、这些数据乘以立地因子（计算散射辐射）和冠层孔隙度（计算直射辐射）
3、将数据相加得到冠层下方的透射光辐射情况
=上方散射辐射（BF5测得）xISF（from HemiView）
=上方直射辐射（BF5测得）x冠层孔隙度（fromHemiView）
B.2 光斑或时间表分析
利用BF5的实测数据修正HemiView中的时间表
冠层下方的辐射=上方直射辐射x时间表中的太阳轨迹
B.3 时间方程式修正
HemiView 内嵌了太阳时，也即太阳在正南的时候定义为中午12点，但是由于地球围绕太阳公转的轨道偏差，太阳时和钟表时可能会有高达20分钟的时间差，这必须要经常予以修正。
如何选择SunScan和HemiView植物冠层分析系统
HemiView 相对于SunScan详细评估了冠层的几何学影响
BF5结合HemiView应用提供了快速直接的太阳光辐射测量
SunScan植物冠层分析系统实时测量冠层上方和下方的PAR光照水平，结合冠层结构理论模型，计算植物冠层LAI指数，易于重复测量且便于携带。HemiView植物冠层分析系统通过分析冠层半球影像的几何学特征以计算LAI指数，并且可计算得出冠层上下方光照水平。
农作物较为低矮，冠层也相对均一，契合SunScan植物冠层分析系统的理论假设和模型，因此SunScan植物冠层分析系统非常适合用于低矮的农作物和植被冠层分析，而由于高大乔木或森林植物冠层上方的光照情况难以测量，所以SunScan植物冠层分析系统无能为力。
HemiView植物冠层分析系统，则非常适用于评估冠层结构复杂，并且受冠层高度影响较小，因此更适合应用于高大乔灌木冠层的分析，尤其是结合BF5太阳辐射传感器的测量。相反，由于很难获取低矮作物冠层的半球影像，且其冠层结构随着快速生长的较快变化都使得应用HemiView评估其LAI有失偏颇。
所以，总的来说两者都能针对多种冠层类型进行分析。SunScan植物冠层分析更适用于低矮、生长有规律、冠层均一的分析应用，HemiView植物冠层分析系统（配备BF5太阳光照辐射传感器更好）则更适用于高大、冠层结构复杂的分析应用。
SunScan和HemiView植物冠层分析系统对比一览表
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HemiView 植物冠层分析系统 |
SunScan 植物冠层分析系统 |
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技术原理 |
通过获取冠层半球影像，然后分析影像获得植物冠层特征 |
通过测量直射光和散射光，计算植物冠层参数 |
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系统组成 |
硬件包括相机、鱼眼镜头、自平衡支架及必要附件，软件为HemiView分析软件 |
SunScan探头式传感器，SunData软件, BF5光辐射传感器和手持数据终端 |
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适用冠层类型 |
非常适用于高大、不规则的冠层结构类型，譬如森林 |
非常适用于低矮、规则的冠层结构类型，譬如农作物，能很好地反映出冠层PAR截留率 |
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光照条件测量 |
需要均一的光照条件（黎明、黄昏以及阴天或多云都可以） |
任意光照条件下都可以（最好是白天测量） |
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太阳辐射 |
利用冠层半球影像，根据几何学特征计算太阳辐射
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利用传感器直接测量太阳光辐射：总入射和透射光，以及冠层上方的直射和散射光 |
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LAI叶面积指数 |
通过图像分析和内嵌模型计算得到
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通过传感器测量值和内嵌模型计算得到 |
