2024年2月9日发(作者：慎千凡)
第一章 文献综述
7他树木折干断枝、枯朽、倒伏死亡等原因造成的林冠上层中的微小缝隙。因此对林隙的不同定义是由于不同学者从不同的研究角度采取不同尺度而造成的。但从现有的文献分析，多数学者将林隙限定在一个小尺度范围上[3, 65]。
林隙分数（群落冠层空隙度gap fraction）是半球照片应用下的一个林分概念，指一个区域的空隙度——位于天空区域的象素占此区域总象素的比例。总空隙度指的是在整个半球照片中位于天空区域的象素数占整个照片象素的比例，它就等于没有加入权重的总开度(openness)，此定义也是小尺度范围定义[66]。
林隙分数是目前很多冠层间接测量仪器的基础，间接的测定方法常常涉及林冠内外的辐射，冠层结构与冠层内的辐射环境的相互作用是一个可定量化的关系，辐射交换和冠层结构的耦合关系非常明显，利用测定辐射的相关数据可推断冠层的结构特征，这种关系形成了间接测定技术的基础。通过采用辐射测定方法取得的数据，结合合适的辐射转换理论，借助逆程序可获得冠层结构特征的估测值，但其数据的缩减要经过复杂的演算过程，因而往往需借助合适的计算机程序。如美国CID公司生产的CI- 110型数字植物冠层图象分析仪，其理论基础就是林隙分数( gap fraction)逆程序，林隙分数方法提供了一个估测完全覆盖或单独的林冠、甚至是异质性冠层的叶面积指数和叶倾角的强大工具[65, 67, 68]。
1.1.6果树冠层及光照研究技术
获取有关植物冠层结构信息最直接的办法是测定植物的器官,包括面积、形状、角度和方位等。虽然所有直接测定的手段对植物并非都是毁坏性的，但多多少少会干扰冠层，至少会干扰叶片角度的分布，从而影响数据的质量，而且野外工作量过大，多次测量不现实[67]。
果树冠层结构包括地上部枝条、树干、叶、果等要素的大小、形状、空间分布及方向等，它是动态变化的。要完整描述其结构是相当复杂的，因此多数情况下应简化[69]。直接测定果树冠层结构几乎是不可能的，目前主要用间接测定的方法，如测定与叶面积相关的茎截面积、冠层体积和光(或辐射)等，间接的测定方法常常涉及林冠内外的辐射。冠层结构与冠层内的辐射环境的相互作用是一个可定量化的关系，辐射交换和冠层结构的藕合关系非常明显，利用测定辐射的相关数据可推断冠层的结构特征，这种关系形成了间接测定技术的基础[22,35,67]。
果树冠层结构及光照研究方法较多地参考了林木及作物等群体性冠层结构的研究方法[36]，Monsi于1953年最早将随机分布介质中的Beer-Lambert光传播定律应用到植物冠层内的光传输研究，假设作物冠层内叶片随机分布，按高度层切分成许多层，测定每一层中的叶面积和光强，从实际测定和理论推导两个方面建立了光强对叶面积的依赖关系，说明光强随着光线的穿过冠层内深度的增加呈指数递减[27]。此后,基于植冠结构在空间上的异质性,建立了一系列复杂的植冠辐射传输模型,特别是处理特定冠层结构
8WinsCanopy冠层分析仪对渭北地区苹果树冠层结构及光照分布的研究
的一些专门模型,例如，Jackson等有关作物的辐射传输模型[34]；Acock等有关叶片非随机空间分布的辐射传输模型[34]；Oker-Blom等关于不同植冠形状对辐射传输的影响研究[68]；Norman等有关作物和叶片规则排列的辐射模型[29,69]，以及Myneni等对半影效应的理论计算和应用等[11]。这些辐射传输模型所取得的进步为冠层光合生产力的模拟计算奠定了基础,并广泛应用到各种作物的冠层光合生产力的模拟计算和产量预测中。ROSS等对光在植冠中传输的数学描述作了详细的回顾和论述[3]。
我国研究者从80年代初开始对一些经济林树种的林冠结构和林内辐射分布进行了研究和探索[54,63,65,67,74]，苹果树冠层结构研究也有所涉及，如李伏生等利用林窗部分转换技术测定苹果树冠层结构的研究，程述汉等对苹果园光能截获率的数学模型的研究[36,69]。
关于林冠研究起步较晚，最初的研究都以描述性研究为主，随着技术进步及研究的深入，一些先进技术逐渐应用到林冠研究中来，使这一领域的研究有了大的发展[75]。由于林冠直接测量比较困难，因此目前间接方法应用的比较广泛，现在已有的各种用于间接测定冠层结构的仪器分为两大类，线型传感器和半球型传感器。线型传感器一次只能测定一个方向(太阳入射方向)，要求在测定时不断移动以取得有代表性的平均值，如线型量子传感器。半球型传感器一次可从多方向观测，如LAI一2000叶片激光仪以及CI一100植物冠层分析仪[69]。所有这些方法都是通过测量光辐射变化及其它生态因子，根据特定的模型反演出植物冠层的特征，如LAI、林分密度等。林冠测量的技术应用上有激光辅助扫描、鱼眼照相半球图像分析、遥感反演、荧光技术、3D模拟技术等，这些方法都各有其优缺点及适用范围，大部分仪器对于生长均匀的作物如小麦和森林的冠层结构描述结果较好，但对行植作物和果树的冠层结构的测定有一定困难[23,57,69,76-82]。
1.2 Winscanopy2004冠层分析仪
1.2.1仪器基本原理
WinsCanopy2004a冠层分析仪是一款通过测量叶面积指数（leaf area index）、林隙分数（gap fraction）、 冠层开度（ canopy openness）、 定点因子（ site factors）、光合有效辐射通量密度（PPFD）及其它指标来分析植物冠层和太阳辐射的数字图像分析系统，由加拿大REGENT INSTRUMENTS INC公司生产，主要组成部分包括：WINSCANOPY分析软件；XLSCANOPY 数据处理软件（For MS-EXCEL），高分辨率专业数码相机（Nikon Coolpix4500）及180o鱼眼镜头（Fish-eye ，3.3百万象素，分辨率：2048 x 1536，24位图象），野外便携式支架及附件，电脑（最低配置：Pentium III /
64 MB内存 / 17"显示器）。
WinsCanopy2004a是通过分析由数码相机和鱼眼镜头拍摄的半球图像或用狭窄视角的覆盖图像（cover images with a narrower view angle）实现分析的。不是用测定光强的办法，而是通过鱼眼镜头获取图像(全天空照片)，计算机分析软件对被捕获的图像进
2024年2月9日发(作者：慎千凡)
第一章 文献综述
7他树木折干断枝、枯朽、倒伏死亡等原因造成的林冠上层中的微小缝隙。因此对林隙的不同定义是由于不同学者从不同的研究角度采取不同尺度而造成的。但从现有的文献分析，多数学者将林隙限定在一个小尺度范围上[3, 65]。
林隙分数（群落冠层空隙度gap fraction）是半球照片应用下的一个林分概念，指一个区域的空隙度——位于天空区域的象素占此区域总象素的比例。总空隙度指的是在整个半球照片中位于天空区域的象素数占整个照片象素的比例，它就等于没有加入权重的总开度(openness)，此定义也是小尺度范围定义[66]。
林隙分数是目前很多冠层间接测量仪器的基础，间接的测定方法常常涉及林冠内外的辐射，冠层结构与冠层内的辐射环境的相互作用是一个可定量化的关系，辐射交换和冠层结构的耦合关系非常明显，利用测定辐射的相关数据可推断冠层的结构特征，这种关系形成了间接测定技术的基础。通过采用辐射测定方法取得的数据，结合合适的辐射转换理论，借助逆程序可获得冠层结构特征的估测值，但其数据的缩减要经过复杂的演算过程，因而往往需借助合适的计算机程序。如美国CID公司生产的CI- 110型数字植物冠层图象分析仪，其理论基础就是林隙分数( gap fraction)逆程序，林隙分数方法提供了一个估测完全覆盖或单独的林冠、甚至是异质性冠层的叶面积指数和叶倾角的强大工具[65, 67, 68]。
1.1.6果树冠层及光照研究技术
获取有关植物冠层结构信息最直接的办法是测定植物的器官,包括面积、形状、角度和方位等。虽然所有直接测定的手段对植物并非都是毁坏性的，但多多少少会干扰冠层，至少会干扰叶片角度的分布，从而影响数据的质量，而且野外工作量过大，多次测量不现实[67]。
果树冠层结构包括地上部枝条、树干、叶、果等要素的大小、形状、空间分布及方向等，它是动态变化的。要完整描述其结构是相当复杂的，因此多数情况下应简化[69]。直接测定果树冠层结构几乎是不可能的，目前主要用间接测定的方法，如测定与叶面积相关的茎截面积、冠层体积和光(或辐射)等，间接的测定方法常常涉及林冠内外的辐射。冠层结构与冠层内的辐射环境的相互作用是一个可定量化的关系，辐射交换和冠层结构的藕合关系非常明显，利用测定辐射的相关数据可推断冠层的结构特征，这种关系形成了间接测定技术的基础[22,35,67]。
果树冠层结构及光照研究方法较多地参考了林木及作物等群体性冠层结构的研究方法[36]，Monsi于1953年最早将随机分布介质中的Beer-Lambert光传播定律应用到植物冠层内的光传输研究，假设作物冠层内叶片随机分布，按高度层切分成许多层，测定每一层中的叶面积和光强，从实际测定和理论推导两个方面建立了光强对叶面积的依赖关系，说明光强随着光线的穿过冠层内深度的增加呈指数递减[27]。此后,基于植冠结构在空间上的异质性,建立了一系列复杂的植冠辐射传输模型,特别是处理特定冠层结构
8WinsCanopy冠层分析仪对渭北地区苹果树冠层结构及光照分布的研究
的一些专门模型,例如，Jackson等有关作物的辐射传输模型[34]；Acock等有关叶片非随机空间分布的辐射传输模型[34]；Oker-Blom等关于不同植冠形状对辐射传输的影响研究[68]；Norman等有关作物和叶片规则排列的辐射模型[29,69]，以及Myneni等对半影效应的理论计算和应用等[11]。这些辐射传输模型所取得的进步为冠层光合生产力的模拟计算奠定了基础,并广泛应用到各种作物的冠层光合生产力的模拟计算和产量预测中。ROSS等对光在植冠中传输的数学描述作了详细的回顾和论述[3]。
我国研究者从80年代初开始对一些经济林树种的林冠结构和林内辐射分布进行了研究和探索[54,63,65,67,74]，苹果树冠层结构研究也有所涉及，如李伏生等利用林窗部分转换技术测定苹果树冠层结构的研究，程述汉等对苹果园光能截获率的数学模型的研究[36,69]。
关于林冠研究起步较晚，最初的研究都以描述性研究为主，随着技术进步及研究的深入，一些先进技术逐渐应用到林冠研究中来，使这一领域的研究有了大的发展[75]。由于林冠直接测量比较困难，因此目前间接方法应用的比较广泛，现在已有的各种用于间接测定冠层结构的仪器分为两大类，线型传感器和半球型传感器。线型传感器一次只能测定一个方向(太阳入射方向)，要求在测定时不断移动以取得有代表性的平均值，如线型量子传感器。半球型传感器一次可从多方向观测，如LAI一2000叶片激光仪以及CI一100植物冠层分析仪[69]。所有这些方法都是通过测量光辐射变化及其它生态因子，根据特定的模型反演出植物冠层的特征，如LAI、林分密度等。林冠测量的技术应用上有激光辅助扫描、鱼眼照相半球图像分析、遥感反演、荧光技术、3D模拟技术等，这些方法都各有其优缺点及适用范围，大部分仪器对于生长均匀的作物如小麦和森林的冠层结构描述结果较好，但对行植作物和果树的冠层结构的测定有一定困难[23,57,69,76-82]。
1.2 Winscanopy2004冠层分析仪
1.2.1仪器基本原理
WinsCanopy2004a冠层分析仪是一款通过测量叶面积指数（leaf area index）、林隙分数（gap fraction）、 冠层开度（ canopy openness）、 定点因子（ site factors）、光合有效辐射通量密度（PPFD）及其它指标来分析植物冠层和太阳辐射的数字图像分析系统，由加拿大REGENT INSTRUMENTS INC公司生产，主要组成部分包括：WINSCANOPY分析软件；XLSCANOPY 数据处理软件（For MS-EXCEL），高分辨率专业数码相机（Nikon Coolpix4500）及180o鱼眼镜头（Fish-eye ，3.3百万象素，分辨率：2048 x 1536，24位图象），野外便携式支架及附件，电脑（最低配置：Pentium III /
64 MB内存 / 17"显示器）。
WinsCanopy2004a是通过分析由数码相机和鱼眼镜头拍摄的半球图像或用狭窄视角的覆盖图像（cover images with a narrower view angle）实现分析的。不是用测定光强的办法，而是通过鱼眼镜头获取图像(全天空照片)，计算机分析软件对被捕获的图像进