1、郁閉度及其測定方法郁閉度及其測定方法2010-05-21 16：24郁閉度及其測定方法郁閉度是森林資源調(diào)查中的一個重要調(diào)查因子,也是一個反映森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境的重要因子。在森林經(jīng)營管理中,郁閉度作為小班區(qū)劃、確定撫育采伐強(qiáng)度的重要指標(biāo),并成為通過遙感圖像進(jìn)行森林蓄積量估測不可或缺的因子。郁閉度也是判定森林的重要因子,我國森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定中規(guī)定有林地的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為郁閉度0.2以上(包括0.2),FAO對森林的定義也要求郁閉度大于10%,森林的判定需要更為準(zhǔn)確的郁閉度測定。然而,長期以來,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)

2、生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)的需要。郁閉度是描述森林生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)與環(huán)境指標(biāo)的最重要的特征之一。近年來,與郁閉度及其測定方法研究與應(yīng)用相關(guān)的森林經(jīng)營管理與生態(tài)研究不斷深入,郁閉度也受到更多的關(guān)注與重視。郁閉度在水土流失、水源涵養(yǎng)、林分質(zhì)量評價、森林景觀建設(shè)等方面得到廣泛的應(yīng)用,并應(yīng)用于林中光照研究、幼苗形態(tài)與解剖的影響、與溪流溫度相關(guān)的森林經(jīng)營管理、反映垂直和水平森林結(jié)構(gòu)的林冠多樣性指數(shù)、與野生動植物生境相關(guān)的森林經(jīng)營管理如在斑點(diǎn)貓頭鷹、鹟鳥棲息的森林管理等方面。同時,隨著研究和應(yīng)用的深入,對于郁閉度概念的認(rèn)識、調(diào)查方法與儀器等的研究也在不斷地完善和發(fā)展。但是,國內(nèi)對郁閉度的基本內(nèi)涵、測定方法與儀器等方面的

3、研究報道甚少,在一定程度上制約了林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)研究的發(fā)展。郁閉度是反映林分結(jié)構(gòu)和密度的重要指標(biāo)。由于應(yīng)用領(lǐng)域與目的不同,與郁閉度相近或相似的概念很多,但概念的內(nèi)涵并不明確,在某些情況下會造成混淆甚至錯誤。在林學(xué)與生態(tài)中,從用途與調(diào)查方式上來看,與郁閉度相關(guān)的概念主要有蓋度(coverage)、透光孔隙度(canopy openness)、林冠密度(canopy density)、林冠開闊度(canopy openness)等。林冠的投影面積與林地面積之比稱為郁閉度,其可以反映樹冠的閉鎖程度和樹木利用生活空間的程度。由于樹冠重疊,調(diào)查時要注意到林冠的投影面積并不總是等于林分中樹冠的投影面積之和。

4、傳統(tǒng)上郁閉度用十分法表示,由于其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和對于準(zhǔn)確性要求的增加,郁閉度表示時可保留兩位小數(shù),也可以用百分?jǐn)?shù)表示。蓋度,是指植物地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比,即投影蓋度。投影蓋度通常不扣除枝葉間的太陽斑點(diǎn)或空隙。蓋度大小,決定于植株的生物學(xué)特性,如植株形態(tài)、葉面積等。蓋度可分為種蓋度、層蓋度與總蓋度。林分郁閉度在應(yīng)用中常常與灌草蓋度相混淆,主要是由于把郁閉度定義為林冠垂直投影與林地面積的比例,與灌草蓋度的定義相一致,并形成了對于林冠稱為郁閉度,對于灌草稱為蓋度的說法。透光孔隙度,其定義來源于林帶透光疏透度,是把透光疏透度變換90來考慮的,用來表征林分內(nèi)空隙在垂直方向上分布的特征量

5、,是林分垂直結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),定義為在林分內(nèi)一定高度以上,單位空間林分未被林分要素(樹干、枝、葉及林分內(nèi)其他植物等)所遮擋空間量的比率。林冠密度是另一個反映林分密度的指標(biāo)。Teti等定義為規(guī)定的天空范圍內(nèi)被植被遮蔽的天空比例,與Bunnell等使用的平均樹冠完滿度(mean crown completeness)具有同等涵義。朱教君等則認(rèn)為是林冠郁閉度的同義詞。林冠開闊度,指當(dāng)從林地一點(diǎn)向上仰視,未被樹木枝體所遮擋的天空球面的比例,經(jīng)常用于生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)中,林冠開闊度=1-林冠郁閉度。林冠開闊度實(shí)際上是林分透光孔隙度的同義語。郁閉度本指林分中林冠的郁閉程度。由于在現(xiàn)實(shí)調(diào)查中,常用林冠的投影面積與林地

6、面積之比來確定,便由此定義了郁閉度的概念。概念應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確反映其本質(zhì)屬性,并具有一定的內(nèi)涵和外延。用林冠投影面積與林地面積之比來定義郁閉度,其實(shí)是用調(diào)查方法來定義的,只是部分反映了森林的郁閉程度,掩蓋了其固有的其他屬性。概念是隨著主、客觀條件的變化、應(yīng)用的不斷深入,以及調(diào)查方法的發(fā)展而發(fā)展的。Jennings等把郁閉度定義為從林地一點(diǎn)向上仰視,被樹木枝體所遮擋的天空球面的比例,為很多學(xué)者所接受,并把郁閉度(canopy closure)與林冠蓋度(canopy cover)區(qū)分開,認(rèn)為林分郁閉度受林分高度的影響,而林冠蓋度不受樹高的影響。Fiala等也根據(jù)觀測視角的不同,劃分為林冠蓋度(can

7、opy cover)與垂直林冠蓋度(vertical canopy cover)2類,但如果與生態(tài)上的蓋度聯(lián)系起來,則更容易引起誤解。綜上所述,郁閉度及其相關(guān)的概念很多,在使用中容易引起誤解與歧義,需要明確郁閉度的概念與內(nèi)涵。用林冠的投影面積定義的郁閉度,在應(yīng)用中已廣泛接受,同時這個概念也反映了林冠的郁閉程度,把它稱為林冠蓋度并與郁閉度截然分開是不適合的,也難以得到普遍理解與應(yīng)用。為便于理解與減少歧義,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。垂直郁閉度與點(diǎn)郁閉度分別是林冠在地面上的垂直投影與過某點(diǎn)的中心投影所形成。垂直郁閉度與點(diǎn)郁閉度都是林分

8、郁閉程度的反映,同時也都是一種測定方法,既繼承了傳統(tǒng)上對郁閉度的定義,也便于在應(yīng)用與測定上進(jìn)行區(qū)分。生物多樣性可用不同的多樣性指數(shù)來反映,蓋度也可分為投影蓋度與基蓋度,郁閉度從不同的角度來定義與測定也是可行的。郁閉度的測定方法在林業(yè)與生態(tài)應(yīng)用中,發(fā)展和形成了很多的郁閉度調(diào)查方法與儀器。實(shí)踐中由于概念上的混亂,很多研究中沒有區(qū)分垂直郁閉度與點(diǎn)郁閉度,甚至有些只是應(yīng)用調(diào)查結(jié)果而沒有說明調(diào)查方法。國內(nèi)郁閉度的調(diào)查大多是目測或用樣點(diǎn)法測定,缺少相應(yīng)的調(diào)查儀器,其結(jié)果不僅數(shù)據(jù)的一致性差,同時也缺乏必要的精確度與準(zhǔn)確度。目前,國外已形成較為成熟的調(diào)查方法,并有多種儀器可供選擇與應(yīng)用,能滿足一定的精度與準(zhǔn)確

9、度要求。目測法：目測法是測定林冠郁閉度的常用方法,是最為迅速簡便的方法,但受主觀因素影響大,誤差也較大,同時也受地形、地貌、下層植被的影響。森林經(jīng)營中經(jīng)常使用這種方法,調(diào)查結(jié)果用于經(jīng)營決策,不需要較高準(zhǔn)確性,也不具有可比性,調(diào)查結(jié)果的重復(fù)性差,同一地點(diǎn)受不同天氣的影響,測定值會存在很大差異。在進(jìn)行目測調(diào)查前要進(jìn)行訓(xùn)練,目測精度滿足要求時才可開展調(diào)查。目測由于受主觀因素影響大,通常要由有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行。在國家林業(yè)局2003年頒布的森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定中指出,有林地小班,可以通過目測確定各林層林冠對地面的覆蓋程度,但強(qiáng)調(diào)有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)查人員才能夠應(yīng)用目測法。目測法僅能滿足郁閉度十分法表示的

10、精度,更為準(zhǔn)確的調(diào)查則需要其他方法。樹冠投影法：樹冠投影法是一種調(diào)查郁閉度較為準(zhǔn)確的方法。調(diào)查時先將林木定位,然后從幾個方位測量各株樹的樹冠邊緣到樹干的水平距離,按一定比例將樹冠投影標(biāo)繪在圖紙上,最后從圖紙上計(jì)算樹冠投影總面積與林地面積的比值得到郁閉度。樹冠投影法測定林分郁閉度常用于生態(tài)研究或需要較準(zhǔn)確地測定郁閉度時,但由于樹冠的投影大小也是依靠人眼來判斷,存在著主觀性,且在有些林分中存在著樹冠重疊使投影難以判斷,也不能考慮到樹冠內(nèi)的空隙影響。調(diào)查時需要多人同時工作,繪圖與計(jì)算也很麻煩,費(fèi)工費(fèi)時,不適合大范圍的森林調(diào)查需要。樣線法：樣線法既可用于調(diào)查林冠郁閉度,也可用來調(diào)查灌草蓋度。調(diào)查時按下

11、述公式計(jì)算：郁閉度=樹冠冠幅總長/二對角線總長。但這種方法考慮的是整個樹冠,而沒有考慮到樹冠內(nèi)的空隙對郁閉度的影響。在矩形樣地中,樣線按對角線布設(shè)。而在圓形樣地中,可以樣地中心為起點(diǎn),從正北方向開始,按方位角0,120,240布設(shè)3條樣線。樣線法被認(rèn)為是估計(jì)垂直郁閉度的最可靠的方法,可與通過遙感影像進(jìn)行的郁閉度估測進(jìn)行直接比較。樣點(diǎn)法：樣點(diǎn)法是估算林分郁閉度方法簡單、快速實(shí)用的方法,在林分郁閉度調(diào)查中廣泛應(yīng)用。一般情況下采用系統(tǒng)抽樣方法,在樣地內(nèi)設(shè)置樣點(diǎn),判斷樣點(diǎn)是否為樹冠遮蓋,統(tǒng)計(jì)被遮蓋樣點(diǎn)數(shù),即可算出郁閉度：郁閉度=被樹冠遮蓋的樣點(diǎn)數(shù)/樣點(diǎn)總數(shù)。但系統(tǒng)抽樣會出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差,特別是對規(guī)則分布

12、的人工林,在這種情況下,隨機(jī)抽樣要優(yōu)于系統(tǒng)抽樣。同時,由于樹冠與林冠空隙的空間自相關(guān)特征,系統(tǒng)或團(tuán)狀抽樣中,要使樣點(diǎn)間的距離大于林中主要空間特征(如樹冠、空隙、林中空地)的大小。在用樣點(diǎn)法進(jìn)行調(diào)查時,為減少樣點(diǎn)數(shù)量以提高效率,可通過線截抽樣(line transect sampling)的方法來進(jìn)行樣點(diǎn)設(shè)置。根據(jù)樣地大小與調(diào)查精度來設(shè)置樣線長度與樣點(diǎn)數(shù)量,樣線可根據(jù)樣地的大小與形狀設(shè)計(jì)為直線、三角形與菱形。在林業(yè)調(diào)查中,常常在樣地兩條對角線上設(shè)置樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查。樣點(diǎn)數(shù)依精度要求根據(jù)樣點(diǎn)所代表的面積而定,少的可為4個點(diǎn),多的達(dá)250個點(diǎn)。樣點(diǎn)法根據(jù)應(yīng)用調(diào)查儀器與否以及儀器種類可分為多種。抬頭望法：

13、樣點(diǎn)法中,不應(yīng)用調(diào)查儀器且應(yīng)用最為廣泛郁閉度及其測定方法研究與應(yīng)用的是抬頭望法。通常是在樣地內(nèi)按一定水平間距系統(tǒng)布設(shè)樣點(diǎn),在每個樣點(diǎn)垂直仰望樹冠,最后將所有被樹冠遮蔽的樣點(diǎn)數(shù)除以樣點(diǎn)總數(shù),就得到林分的郁閉度。由于人體頸部構(gòu)造與人眼視覺的影響,觀測者很難垂直抬頭觀測,并且抬頭所看到的不是一個點(diǎn)而是一個區(qū)域,無論怎樣努力保持窄的視角,抬頭望法都有較大的面積與較寬的視角,觀測中具有很大的主觀性,會產(chǎn)生較大的量測偏差。觀測管法：為了減少抬頭望法測量偏差的發(fā)生,相應(yīng)的觀測儀器應(yīng)運(yùn)而生。觀測管(sighting tube)有時也稱為densitometers,是一個管狀的儀器,在頂端安裝了十字絲,有些還安

14、裝了水準(zhǔn)氣泡與45的反光鏡,以使頭部保持水平并得到垂直的視線。相似的儀器還有vertical tube(垂直管)和gimbal sight(平衡環(huán)瞄準(zhǔn)器)等。用觀測管法調(diào)查郁閉度簡便、快捷,是調(diào)查郁閉度的常用儀器,但對精確調(diào)查需要的樣點(diǎn)數(shù)存在著爭議,Ganey和Block認(rèn)為調(diào)查樣地的20個樣點(diǎn)就能滿足要求,Jennings等則認(rèn)為至少要100個樣點(diǎn),而Rautiainen等認(rèn)為要得到相對穩(wěn)定的結(jié)果需要250個左右的樣點(diǎn)。觀測管調(diào)查可以獲得大量的森林信息,既可以反映樣地在水平與垂直方向上的多樣性,也可以反映物種組成、大小與林冠結(jié)構(gòu)以及地面狀況和灌木與草本覆蓋等非林木特征。Moosehorn法：

15、Moosehorn是一種改進(jìn)的郁閉度觀測儀器,由于其外形與狩獵駝鹿的一種工具相似,因而得名。這種儀器在加拿大應(yīng)用廣泛。儀器上部有一透明屏,在透明屏上布設(shè)均勻分布網(wǎng)格點(diǎn),通過透明屏能夠顯示出林冠,并能計(jì)數(shù)出遮蔽林冠的點(diǎn)數(shù)。儀器上安置了水準(zhǔn)氣泡以使儀器保持垂直,也有的儀器安裝了45的反光鏡與瞄準(zhǔn)孔以使觀測者頭部水平。透明屏網(wǎng)格中心點(diǎn)是垂直投影的,其他點(diǎn)的視角取決于儀器的結(jié)構(gòu)。通過觀測管得到的是垂直樣點(diǎn),而通過Moosehorn觀測的則是有一定視角的林冠區(qū)域。但由于視角的原因,用Moosehorn測定的郁閉度要比通過照片測得的郁閉度低10%左右,測定結(jié)果比球面密度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差小、一致性好。球面密度計(jì)法

16、：球面密度計(jì)(spherical densiometer)是一種價格便宜、設(shè)計(jì)簡單、便于攜帶、受環(huán)境限制少的郁閉度測定儀器,最早由Lemmon于1956年提出,其應(yīng)用比Moosehorn還要廣泛。這種儀器主要由凸出或凹下的球形鏡面構(gòu)成,鏡面刻有24個格網(wǎng),由于具有曲率,能夠反射較大的天空范圍。讀數(shù)時,調(diào)查者根據(jù)每個格網(wǎng)上均勻分布的4個點(diǎn)計(jì)數(shù)樹冠的影子遮蔽的點(diǎn)數(shù),從而計(jì)算出郁閉度。在測定時,使儀器在腰高位置保持水平,并要距離身體足夠遠(yuǎn),以避免頭部在儀器上成像。許多球面密度計(jì)上安裝有水準(zhǔn)氣泡,以使其在觀測時保持水平。球面密度計(jì)的量測準(zhǔn)確度并不高,但是方便攜帶、結(jié)實(shí)耐用,是單點(diǎn)測量可應(yīng)用的最好的快捷

17、方法。通過三角架支撐能使儀器保持水平并提高準(zhǔn)確度,但卻會使操作的便利性大大降低。同時,凹形球面密度計(jì)由于反射的天空范圍較少,比凸形球面密度計(jì)的準(zhǔn)確度還要低。觀測者的訓(xùn)練以及測定工作的規(guī)范化對于郁閉度的測定是有益的,顯示在球面上的樹干是否被記錄也對測定結(jié)果有影響。球面密度計(jì)的視角較大,與視角較小的儀器如Moosehorn相比,往往過高地估計(jì)了郁閉度,同時,由于觀測的林冠面積大,精度也相應(yīng)提高。郁閉度測定器法：郁閉度測定器是吉林省林科院趙彤堂研究員等研究的一種新式森調(diào)工具。測定器根據(jù)球冠鏡聚影原理設(shè)計(jì),由聚影鏡、計(jì)點(diǎn)盤和底盤3部分組成。計(jì)點(diǎn)盤上繪有16個方格和2套彩色點(diǎn),100個黃色點(diǎn)用于測定郁閑

18、度百分?jǐn)?shù),10個紅色點(diǎn)用于測定十分法郁閉度。實(shí)際測定時,將測定器水平持于胸前,觀測點(diǎn)周圍的樹冠影像聚于計(jì)點(diǎn)盤上,查數(shù)樹冠影像所覆蓋的點(diǎn)數(shù),即為郁閉度測定值。布設(shè)若干個測點(diǎn),取其平均值即可。儀器計(jì)測簡捷、攜帶方便,減少了郁閉度調(diào)查中主觀因素的影響。但由于多方面的原因,郁閉度測定器沒有在森林調(diào)查中普及應(yīng)用。照片法：由于數(shù)字成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與相關(guān)軟件的發(fā)展,使得通過照片測定林分郁閉度成為可能。在森林內(nèi)一定高度拍攝的照片可用于郁閉度的測定,也可用于測定林內(nèi)光照環(huán)境與林冠開闊度。為擴(kuò)大拍攝的林冠范圍,可通過魚眼鏡頭(fisheye lens)拍攝林冠的全天空照片(hemispherical phot

19、ograph)。全天空照片廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)與林業(yè)氣象、植物生態(tài)的光管理研究中。對于普通像片(film photograph),可通過網(wǎng)點(diǎn)板計(jì)數(shù)天空與林冠的比例來估計(jì)郁閉度,也可經(jīng)過掃描、二值化處理、通過像素比例計(jì)算郁閉度。對數(shù)碼像片(digital photograph)則不需要進(jìn)行膠片處理與影像掃描,可直接用于分析計(jì)算。在像片處理中,閾值的選擇是比較關(guān)鍵的步驟,Englund等認(rèn)為不同的閾值會補(bǔ)償拍攝時的天空條件,操作者的判斷會影響后繼的分析并會產(chǎn)生誤差。在較密的林冠下,選擇的閾值的很小變化都會使郁閉度發(fā)生相當(dāng)大的變化。在郁閉度的測定中,明亮反光的植被以及通過林冠中細(xì)小孔隙的太陽照射所形成的針

20、孔效應(yīng)(pinhole effect)會給一致性的閾值確定帶來困難。用于林冠圖像處理的軟件很多,如Adobe Photoshop,Illustrator,ScionImage,Canop On Program,Hemiphot,L IAforWin32,ArvView GIS,Winphot,Solarcalc等。處理后得到像片中林冠占天空范圍,通過面積或像素比例計(jì)算出郁閉度。由于數(shù)碼相機(jī)性價比的大幅度提高,以及其多功能性和便攜性,使其表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。Englund等對普通與數(shù)碼全天空像片進(jìn)行了比較,認(rèn)為數(shù)碼像片能記錄更小的林冠孔隙,比普通像片更有效、更方便、也更便宜,相機(jī)設(shè)置與鏡頭特性對測

21、定結(jié)果也有影響。通過數(shù)碼照片測定林分郁閉度,外業(yè)工作簡便快捷并可提高調(diào)查的精度,但是內(nèi)業(yè)照片處理較為復(fù)雜,且拍攝的照片質(zhì)量受天氣的影響。全天空照片只能在特定時間、均勻的陰天進(jìn)行拍攝,直接的太陽光會導(dǎo)致葉片明亮的反射,使其與天空的區(qū)分變得困難。相機(jī)是否水平以及照片處理的精度也影響郁閉度的測定精度。全天空照片除測定林冠郁閉度外,不同時期的照片也可用于建立林冠動態(tài)模型。冠層分析儀法：冠層分析儀主要用來測定葉面積指數(shù),也可測定其他相關(guān)的林冠特征。冠層分析儀如LAI-2000冠層分析儀,主要由光合有效輻射探頭和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成,利用一個魚眼光學(xué)傳感器(視野范圍148)進(jìn)行輻射測量來計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI

22、)和其他冠層結(jié)構(gòu)。儀器可測量冠層下可見天空比例(DIFN),進(jìn)而可計(jì)算出郁閉度。冠層分析儀在測定林冠郁閉度的相關(guān)研究中已有較多應(yīng)用。用冠層分析儀測定郁閉度,測量迅速,時間短,對天空條件要求比較嚴(yán)格,測定時要避免陽光直射,要求在均勻的陰天或早晚進(jìn)行,變幻的陰天由于天空不穩(wěn)定要應(yīng)用帶一定角度的鏡蓋。但儀器昂貴不便攜帶,且應(yīng)用約束條件多,不適用于大范圍的森林郁閉度測定。遙感圖像判讀法：對于大面積的郁閉度調(diào)查,可通過航空像片或高分辨率的衛(wèi)星圖像進(jìn)行判讀。在航空像片上可通過樹冠密度尺(crown density scale)或微細(xì)網(wǎng)點(diǎn)板進(jìn)行郁閉度判讀。在中、小比例尺像片上,也可根據(jù)樹冠影像顆粒的疏密程度和垂直能見度用目估法判讀郁閉度。用衛(wèi)星圖像進(jìn)行郁閉度調(diào)查時,是以地面調(diào)查的郁閉度為基礎(chǔ),利用與郁閉度相關(guān)性高的波段或變量,建立多元回歸模型來估測郁閉度。通過衛(wèi)星圖像進(jìn)行郁閉度估測,涉及到的因素較多,波段選擇也很關(guān)鍵,還沒有形成成熟的估測方法。理論計(jì)算法：由于實(shí)測郁閉度影響因素多,費(fèi)工費(fèi)時,便產(chǎn)生了通過理論計(jì)算測定林分郁閉度的方法。由于林分中各徑階胸徑與冠幅間存在明顯的回歸關(guān)系,且不受立地條件、林齡、密度的影響。李德民等認(rèn)為可建立胸徑與冠幅的回歸曲線,通過樣地中各徑階株數(shù)得到樹冠投影面積,減去重疊的冠幅面積,即可