本發明涉及一種冠層葉面積指數的地面估計方法，特別指在地面上利用光學儀器觀測葉片間孔隙的大小和數量，進而估計單位水平地面上葉片總面積的方法。本發明主要解決在不同時間或地點條件下，由于太陽天頂角不同導致的葉面積指數被低估問題。

背景技術：

葉面積指數是表示冠層葉片數量的基本物理量，也是陸地表面植被生化過程、植被有效光合吸收和全球碳水循環模擬等研究領域的關鍵輸入參數。Jingming Chen和Black，T.A.于1992年將葉面積指數定義為單位地面上所有葉片截光面積的一半。

與實際測量冠層中的所有葉片面積相比，利用光學儀器在地面觀測冠層孔隙的大小和數量，進而估計冠層葉面積指數的好處是速度快、節約大量的人力和物力。目前，地面葉面積指數光學觀測儀器多達幾十種，其中基于半球照相法的光學儀器較為常用，代表性儀器有WinSCANOPY(加拿大魁北克Regent儀器公司生產)、HemiView(英國劍橋Delta-T設備公司生產)和LAI-2000(美國內布拉斯加Li-Cor公司生產)。半球照相法反演葉面積指數是根據Miller于1967年建立的葉片體密度(m²/m³)公式而設計的，該方法并不考慮葉片在真實冠層中的群聚效應，因此僅通過半球照相法的觀測并不能反演得到真正的葉面積指數(LAI)，而是假設葉片在空間中隨機分布條件下的有效葉面積指數(L_e)。為此，Jingming Chen于1995年提出了描述葉片聚集程度的方法，并設計了太陽光線方向上的葉片聚集度指數(Ω_E(θ_s))，同時發明了與聚集度指數算法相匹配的光學儀器TRAC(加拿大渥太華Third-Wave機電公司生產)。在以往的實際應用中，計算葉面積指數的方法為LAI＝L_e/Ω_E(θ_s)。

然而，通過TRAC儀器觀測數據反演得到的是太陽光線方向θ_s上的聚集度指數，隨太陽天頂角的增大聚集度指數一般會增大，而有效葉面積指數表達的是半球照相儀器在垂直方向上(天頂角為0°)獲得的葉片數量，因此，葉面積指數的真實值計算方法應該為LAI＝L_e/Ω_E(0)。如計算公式中使用了Ω_E(θ_s)而不是Ω_E(0)會造成葉面積指數被低估。目前尚沒有理論方法對此誤差進行改正。本發明利用半球照相儀器和TRAC儀器的觀測數據，提出一種計算葉面積指數真實值的理論方法，避免不同太陽天頂角條件下對計算葉面積指數的影響。

技術實現要素：

通過TRAC儀器的觀測數據計算獲得的聚集度指數Ω_E(θ_s)只能表達太陽光線方向上的葉片聚集，在結合TRAC儀器和半球照相儀器估計葉面積指數時，為了解決太陽天頂角不為0°而導致的葉面積指數被低估問題，本發明提出了一種新的葉面積指數估計方法。

本發明的具體技術方案為：

(1).半球照相儀器觀測半球天空孔隙率，并據此估計垂直方向上的有效葉面積指數L_e。以LAI-2000為例說明半球照相儀器獲取半球天空孔隙率的技術方案，實際操作中優選但不限于LAI-2000。操作者將LAI-2000置于冠層下方，按照LAI-2000的操作規程進行觀測。LAI-2000儀器自動將觀測到的半球天空按天頂角分成5個環，每個環覆蓋的天頂角范圍分別為0°～13°、16°～28°、32°～43°、47°～58°和61°～74°。分別統計這5個環的孔隙率，并根據Miller于1967年建立的算法估計L_e。

其中，W_i＝cos(θ_i)·sin(θ_i)·d(θ_i)。θ_i是第i個環的中心天頂角，是每個環統計得到孔隙率的平均值，即假如在一個樣地內使用半球照相方法進行了n次觀測，則表示對第i個環n次測量得到孔隙率的平均值。

(2).使用TRAC儀器觀測冠層的孔隙大小和分布，并據此計算太陽光線方向的葉片聚集度指數Ω_E(θ_s)。操作者按照TRAC儀器的使用規程在冠層下方進行觀測，儀器根據葉片孔隙的大小和分布數據自動計算觀測時刻太陽方向的聚集度指數，計算方法由Jingming Chen于1995年提出，即

其中，P_c(θ_s)是在太陽天頂角θ_s方向上由TRAC儀器觀測獲得的真實冠層孔隙率(有葉片聚集發生)。P_r(θ_s)是根據TRAC儀器自帶算法計算的理想冠層孔隙率(葉片隨機分布，無聚集Ω_E(θ_s)表示太陽天頂角θ_s方向上的葉片聚集度。

(3).將太陽天頂角θ_s方向上的葉片聚集度Ω_E(θ_s)校正到太陽天頂角為0°時的葉片聚集度Ω_E(0)。一般情況下，太陽天頂角θ_s方向上包含葉片聚集效應的冠層孔隙率表示為

其中，G(θ_s)是太陽天頂角θ_s方向上的葉片方向投影函數。因此，θ_s方向上的葉片聚集度為

太陽天頂角為0°方向上的葉片聚集度為

其中，P_c(0)可以用半球照相法中最小一個環的孔隙率近似，例如用LAI-2000儀器中0°～13°這一環的孔隙率近似。太陽天頂角為0°時的葉片方向投影函數G(0)可根據L_e和P_c(0)計算得到

將G(0)和θ_s＝0代入Wilson在1960年建立的葉片平均傾角α(平面葉片法線方向與水平面間的夾角)在某方向上與葉傾角函數G(θ_s)的關系

G(θ_s)＝cos(α)·cos(θ_s) α+θ_s≤90°

G(θ_s)＝cos(α)·cos(θ_s)·{1+2/π·(tan(γ)-γ)} α+θ_s＞90°

其中，γ＝arccos(cot(α)·cot(θ_s))。由于α取值范圍在0°～90°之間，根據上式得到α＝arccos(G(0))。將已知的θ_s和α代入上式，得到G(θ_s)。進一步得到Ω_E(0)。

(4).根據垂直方向上的有效葉面積指數L_e和垂直方向上的葉片聚集度指數Ω_E(0)計算冠層葉面積指數

LAI＝L_e/Ω_E(0)

本發明的有益之處在于可以計算垂直方向上的葉面積指數。利用半球觀測儀器和TRAC儀器的觀測數據計算葉面積指數的過程中，可以解決太陽天頂角不為0°時造成的葉面積指數被低估問題。

【附圖說明】

圖1是本發明的流程圖。

【具體實施方式】

本發明結合下面例子并參照附圖詳述具體實施方式：

本例采用美國內布拉斯加Li-Cor公司生產的LAI-2000儀器采集半球照相數據。根據技術方案步驟(1)所述，操作者根據LAI-2000的操作規程，將其置于冠層下方，選取不同位置進行n次測量。LAI-2000將按照步驟(1)中所述的方法自動計算垂直于水平地面方向上的有效葉面積指數L_e。如通過LAI-2000觀測獲得的L_e值為3。

采用加拿大渥太華Third-Wave機電公司生產的TRAC儀器采集冠層孔隙大小和分布數據。操作者根據TRAC的操作規程，在冠層下方垂直于太陽方向的平面上手持TRAC在行走過程中進行觀測。TRAC在操作者行走過程中將自動觀測和記錄葉片間孔隙，并根據技術方案步驟(2)所述的方法自動計算觀測時刻太陽天頂角方向上的葉片聚集度指數Ω_E(θ_s)。同時也可以通過TRAC儀器自動計算太陽天頂角方向上的葉片孔隙率P_c(θ_s)。如通過TRAC儀器觀測得到的P_c(θ_s)為0.1，Ω_E(θ_s)為0.6。

根據技術方案步驟(3)的計算方法

為了獲得Ω_E(0)需要預先知道Ω_E(θ_s)、G(θ_s)、G(0)、P_c(0)、P_c(θ_s)和θ_s。其中，Ω_E(θ_s)和P_c(θ_s)已知，太陽天頂角θ_s可以根據觀測時刻(格林尼治時間)和觀測地點所處的經緯度(使用羅盤儀測量)獲得，如此時太陽天頂角θ_s為45°，P_c(0)在LAI-2000觀測的最小一環讀數中獲得，如P_c(0)為0.9。根據以上已知量，根據技術方案步驟(3)的方法計算G(0)和G(θ_s)，此時G(0)為0.0351，G(θ_s)為0.4502。因此，計算Ω_E(0)為0.8284。

根據技術方案步驟(4)，計算冠層真實葉面積指數LAI＝L_e/Ω_E(0)＝3/0.8284＝3.6214。