郁闭度及其测定方法
郁闭度及其测定方法
郁闭度及其测定方法2010-05-21 16：24郁闭度及其测定方法郁闭度是森林资源调查中的一个重要调查因子, 也是一个反映森林结构和森林环境的重要因子。在森林经营管理中, 郁闭度作为小班区划、确定抚育采伐强度的重要指标, 并成为通过遥感图像进行森林蓄积量估测不可或缺的因子。郁闭度也是判定森林的重要因子, 我国《森林资源规划设计调查主要技术规定》中规定有林地的技术标准为郁闭度0.2 以上( 包括0. 2),FAO 对森林的定义也要求郁闭度大于10%,森林的判定需要更为准确的郁闭度测定。然而, 长期以来, 郁闭度的基本内涵与调查方法却没有受到足够的重视, 存在着概念模糊、测定方法粗放等问题, 不能满足林业生产与生态建设的需要。
郁闭度是描述森林生态系统的状态与环境指标的最重要的特征之一。近年来, 与郁闭度及其测定方法研究与应用相关的森林经营管理与生态研究不断深入, 郁闭度也受到更多的关注与重视。郁闭度在水土流失、水源涵养、林分质量评价、森林景观建设等方面得到广泛的应用, 并应用于林中光照研究、幼苗形态与解剖的影响、与溪流温度相关的森林经营管理、反映垂直和水平森林结构的林冠多样性指数、与野生动植物生境相关的森林经营管理如在斑点猫头鹰、鹟鸟栖息的森林管理等方面。同时,随着研究和应用的深入, 对于郁闭度概念的认识、调查方法与仪器等的研究也在不断地完善和发展。但是, 国内对郁闭度的基本内涵、测定方法与仪器等方面的研究报道甚少, 在一定程度上制约了林业生产与生态研究的发展。
郁闭度是反映林分结构和密度的重要指标。由于应用领域与目的不同, 与郁闭
度相近或相似的概念很多,但概念的内涵并不明确, 在某些情况下会造成混淆甚至错误。在林学与生态中, 从用途与调查方式上来看,与郁闭度相关的概念主要有盖度(coverage) 、透光孔隙度(canopy openness) 、林冠密度(canopy density) 、林冠开阔度(canopy openness)等。林冠的投影面积与林地面积之比称为郁闭度, 其可以反映树冠的闭锁程度和树木利用生活空间的程度。由于树冠重叠, 调查时要注意到林冠的投影面积并不总是等于林分中树冠的投影面积之和。传统上郁闭度用十分法表示, 由于其应用范围的扩大和对于准确性要求的增加,郁闭度表示时可保留两位小数, 也可以用百分数表示。
盖度, 是指植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比,即投影盖度。投影盖度通常不扣除枝叶间的太阳斑点或空隙。盖度大小, 决定于植株的生物学特
性, 如植株形态、叶面积等。盖度可分为种盖度、层盖度与总盖度。林分郁闭度在应用中常常与灌草盖度相混淆, 主要是由于把郁闭度定义为林冠垂直投影与林地面积的比例, 与灌草盖度的定义相一致, 并形成了对于林冠称为郁闭度, 对于灌草称为盖度的说法。
透光孔隙度, 其定义来源于林带透光疏透度, 是把透光疏透度变换90°来考虑的, 用来表征林分内空隙在垂直方向上分布的特征量, 是林分垂直结构的重要指标, 定义为在林分内一定高度以上, 单位空间林分未被林分要素( 树干、枝、叶及林分内其他植物等) 所遮挡空间量的比率。林冠密度是另一个反映林分密度的指标。Teti 等定义为规定的天空范围内被植被遮蔽的天空比例, 与Bunnell 等使用的平均树冠完满度(mean crown completeness) 具有同等涵义。朱教君等则认为是林冠郁闭度的同义词。林冠开阔度, 指当从林地一点向上仰视, 未被树木枝体所遮挡的天空球面的比例, 经常用于生态学文献中, 林冠开阔度=1- 林冠郁闭度。林冠开阔度实际上是林分透光孔隙度的同义语。郁闭度本指林分中林冠的郁闭程度。由于在现实调查中, 常用林冠的投影面积与林地面积之比来确定, 便由此定义了郁闭度的概念。概念应当能够准确反映其本质属性, 并具有一定的内涵和外延。用林冠投影面积与林地面积之比来定义郁闭度,其实是用调查方法来定义的, 只是部分反映了森林的郁闭程度,掩盖了其固有的其他属性。概念是随着主、客观条件的变化、应用的不断深入, 以及调查方法的发展而发展的。Jennings 等把郁闭度定义为从林地一点向上仰视, 被树木枝体所遮挡的天空球面的比例, 为很多学者所接受, 并把郁闭度(canopy closure) 与林冠盖度(canopy cover) 区分开, 认为林分郁闭度受林分高度的影响, 而林冠盖度不受树高的影响。Fiala 等也根据观测视角的不同, 划分为林冠盖度(canopy cover) 与垂直林冠盖度(vertical canopy
cover)2 类, 但如果与生态上的盖度联系起来, 则更容易引起误解。综上所述,郁闭度及其相关的概念很多, 在使用中容易引起误解与歧义,需要明确郁闭度的概念与内涵。用林冠的投影面积定义的郁闭度, 在应用中已广泛接受, 同时这个概念也反映了林冠的郁闭程度, 把它称为林冠盖度并与郁闭度截然分开是不适合的,也难以得到普遍理解与应用。为便于理解与减少歧义, 建议将生产中广泛应用的郁闭度称为垂直郁闭度, 而从林地一点向上仰视所得到的郁闭度称为点郁闭度。垂直郁闭度与点郁闭度分别是林冠在地面上的垂直投影与过某点的中心投影所形成。垂直郁闭度与点郁闭度都是林分郁闭程度的反映, 同时也都是一种测定方法, 既继承了传统上对郁闭度的定义, 也便于在应用与测定上进行区分。生物多样性可用不同的多样性指数来反映, 盖度也可分为投影盖度与基盖
度, 郁闭度从不同的角度来定义与测定也是可行的。郁闭度的测定方法在林业与生态应用中, 发展和形成了很多的郁闭度调查方法与仪器。实践中由于概念上的混乱, 很多研究中没有区分垂直郁闭度与点郁闭度, 甚至有些只是应用调查结果而没有说明调查方法。国内郁闭度的调查大多是目测或用样点法测定,缺少相应的调查仪器, 其结果不仅数据的一致性差, 同时也缺乏必要的精确度与准确度。目前,国外已形成较为成熟的调查方法, 并有多种仪器可供选择与应用, 能满足一定的精度与准确度要求。目测法：目测法是测定林冠郁闭度的常用方法,是最为迅速简便的方法, 但受主观因素影响大, 误差也较大,同时也受地形、地貌、下层植被的影响。森林经营中经常使用这种方法,调查结果用于经营决策, 不需要较高准确性,也不具有可比性, 调查结果的重复性差,同一地点受不同天气的影响,测定值会存在很大差异。在进行目测调查前要进行训练, 目测精度满足要求时才可开展调查。目测由于受主观因素影响大, 通常要由有经验的人员进行。在国家林业局2003年颁布的《森林资源规划设计调查主要技术规定》中指出,有林地小班,可以通过目测确定各林层林冠对地面的覆盖程度, 但强调有经验的调查人员才能够应用目测法。目测法仅能满足郁闭度十分法表示的精度, 更为准确的调查则需要其他方法。
树冠投影法：树冠投影法是一种调查郁闭度较为准确的方法。调查时先将林木
定位, 然后从几个方位测量各株树的树冠边缘到树干的水平距离,按一定比例将树冠投影标绘在图纸上, 最后从图纸上计算树冠投影总面积与林地面积的比值
得到郁闭度。树冠投影法测定林分郁闭度常用于生态研究或需要较准确地测定
郁闭度时,但由于树冠的投影大小也是依靠人眼来判断,存在着主观性,且在有些林分中存在着树冠重叠使投影难以判断, 也不能考虑到树冠内的空隙影响。调查时需要多人同时工作,绘图与计算也很麻烦,费工费时, 不适合大范围的森林调查需要。
样线法：样线法既可用于调查林冠郁闭度, 也可用来调查灌草盖度。调查时按
下述公式计算：郁闭度=树冠冠幅总长/二对角线总长。
但这种方法考虑的是整个树冠, 而没有考虑到树冠内的空隙对郁闭度的影响。
在矩形样地中, 样线按对角线布设。而在圆形样地中,可以样地中心为起点, 从正北方向开始, 按方位角0°,120°,240°布设3条样线。样线法被认为是估计垂直郁闭度的最可靠的方法, 可与通过遥感影像进行的郁闭度估测进行直接比
较。
样点法：样点法是估算林分郁闭度方法简单、快速实用的方法, 在林分郁闭度
调查中广泛应用。一般情况下采用系统抽样方法,在样地内设置样点, 判断样点
是否为树冠遮盖,统计被遮盖样点数, 即可算出郁闭度：郁闭度=被树冠遮盖的样点数/ 样点总数。但系统抽样会出现严重的偏差, 特别是对规则分布的人工林, 在这种情况下, 随机抽样要优于系统抽样。同时, 由于树冠与林冠空隙的空间
自相关特征, 系统或团状抽样中,要使样点间的距离大于林中主要空间特征（如树冠、空隙、林中空地）的大小。在用样点法进行调查时, 为减少样点数量以提高效率, 可通过线截抽样（line transect sampling）的方法来进行样点设置。根据样地大小与调查精度来设置样线长度与样点数量, 样线可根据样地的大小与形状设计为直线、三角形与菱形。在林业调查中, 常常在样地两条对角线上设置样点进行调查。样点数依精度要求根据样点所代表的面积而定, 少的可为
4 个点, 多的达250 个点。样点法根据应用调查仪器与否以及仪器种类可分为多种。
抬头望法：样点法中, 不应用调查仪器且应用最为广泛郁闭度及其测定方法研
究与应用的是抬头望法。通常是在样地内按一定水平间距系统布设样点, 在每
个样点垂直仰望树冠,最后将所有被树冠遮蔽的样点数除以样点总数, 就得到林分的郁闭度。由于人体颈部构造与人眼视觉的影响, 观测者很难垂直抬头观测, 并且抬头所看到的不是一个点而是一个区域, 无论怎样努力保持窄的视角, 抬头望法都有较大的面积与较宽的视角, 观测中具有很大的主观性,会产生较大的量测偏差。
观测管法：为了减少抬头望法测量偏差的发生, 相应的观测仪器应运而生。观
测管（sighting tube）有时也称为densitometers, 是一个管状的仪器, 在顶端安装了十字丝, 有些还安装了水准气泡与45°的反光镜, 以使头部保持水平并得到垂直的视线。相似的仪器还有vertical tube（垂直管）和gimbal sight（平衡环瞄准器）等。用观测管法调查郁闭度简便、快捷, 是调查郁闭度的常用仪器,但对精确调查需要的样点数存在着争议,Ganey和Block 认为调查样地的20 个样点就能满足要求,Jennings 等则认为至少要100 个样点, 而Rautiainen 等认为要得到相对稳定的结果需要250 个左右的样点。观测管调查可以获得大量的森林信息, 既可以反映样地在水平与垂直方向上的多样性,也可以反映物种组成、大小与林冠结构以及地面状况和灌木与草本覆盖等非林木特征。Moosehorn 法：Moosehorn是一种改进的郁闭度观测仪器, 由于其外形与狩猎驼鹿的一种工具相似, 因而得名。这种仪器在加拿大应用广泛。仪器上部有一透明屏, 在透明屏上布设均匀分布网格点,通过透明屏能够显示出林冠, 并能计数出遮蔽林冠的点数。仪器上安置了水准气泡以使仪器保持垂直, 也有的仪器安装了45°的反光镜与瞄准孔以使观测者头部水平。透明屏网格中心点是垂直投影的, 其他点的视角取决于仪器的结构。通过观测管得到的是垂直样点, 而通过Moosehorn
观测的则是有一定视角的林冠区域。但由于视角的原因, 用Moosehor n 测定的郁闭度要比通过照片测得的郁闭度低10%左右, 测定结果比球面密度计的标准差小、一致性好。
球面密度计法：球面密度计(spherical densiometer) 是一种价格便宜、设计简单、便于携带、受环境限制少的郁闭度测定仪器,最早由Lemmon于1956年提出, 其应用比Moosehorn还要广泛。这种仪器主要由凸出或凹下的球形镜面构成,镜面刻有24个格网,由于具有曲率,能够反射较大的天空范围。读数时, 调查者根据每个格网上均匀分布的4个点计数树冠的影子遮蔽的点数, 从而计算出郁闭度。在测定时,使仪器在腰高位置保持水平,并要距离身体足够远, 以避免头部在仪器上成像。许多球面密度计上安装有水准气泡, 以使其在观测时保持水平。球面密度计的量测准确度并不高, 但是方便携带、结实耐用, 是单点测量可应用的最好的快捷方法。通过三角架支撑能使仪器保持水平并提高准确度, 但却会使操作的便利性大大降低。同时, 凹形球面密度计由于反射的天空范围较少, 比凸形球面密度计的准确度还要低。观测者的训练以及测定工作的规范化对于郁闭度的测定是有益的, 显示在球面上的树干是否被记录也对测定结果有影响。球面密度计的视角较大, 与视角较小的仪器如Moosehorn相比,往往过高地估计了郁闭度, 同时,由于观测的林冠面积大, 精度也相应提高。
郁闭度测定器法：郁闭度测定器是吉林省林科院赵彤堂研究员等研究的一种新
式森调工具。测定器根据球冠镜聚影原理设计, 由聚影镜、计点盘和底盘 3 部分组成。计点盘上绘有16个方格和2套彩色点,100 个黄色点用于测定郁闲度百分数,10 个红色点用于测定十分法郁闭度。实际测定时, 将测定器水平持于胸前, 观测点周围的树冠影像聚于计点盘上, 查数树冠影像所覆盖的点数,即为郁闭度测定值。布设若干个测点,取其平均值即可。仪器计测简捷、携带方便, 减少了郁闭度调查中主观因素的影响。但由于多方面的原因, 郁闭度测定器没有在森
林调查中普及应用。照片法：由于数字成像技术、计算机技术与相关软件的发展, 使得通过照片测定林分郁闭度成为可能。在森林内一定高度拍摄的照片可用于郁闭度的测定, 也可用于测定林内光照环境与林冠开阔度。为扩大拍摄的林冠范围, 可通过鱼眼镜头(fisheye lens) 拍摄林冠的全天空照片(hemispherical photograph) 。全天空照片广泛应用于农业与林业气象、植物生态的光管理研究中。对于普通像片(film photograph), 可通过网点板计数天空与林冠的比例来估计郁闭度, 也可经过扫描、二值化处理、通过像素比例计算郁闭度。对数码像片(digital photograph) 则不需要进行胶片处理与影像扫描, 可直接用于分析计算。在像片处理中, 阈值的选择是比较关键的步骤,Englund 等认为不同的阈值会补
偿拍摄时的天空条件, 操作者的判断会影响后继的分析并会产生误差。在较密的林冠下, 选择的阈值的很小变化都会使郁闭度发生相当大的变化。在郁闭度的测定中,明亮反光的植被以及通过林冠中细小孔隙的太阳照射所形成的"针孔效应"( pinhole effect) 会给一致性的阈值确定带来困难。用于林冠图像处理的软件很多, 如Ad obe Photoshop,Illustrator,ScionImage,Canop On
Program,Hemiphot,L
IAforWin32,ArvView
GIS,Winphot,Solarcalc 等。处理后得到像片中林冠占天空范围, 通过面积或像素比例计算出郁闭度。由于数码相机性价比的大幅度提高, 以及其多功能性和便携性,使其表现出更大的优势。Englund 等对普通与数码全天空像片进行了比较,认为数码像片能记录更小的林冠孔隙, 比普通像片更有效、更方便、也更便宜, 相机设置与镜头特性对测定结果也有影响。通过数码照片测定林分郁闭度, 外业工作简便快捷并可提高调查的精度,但是内业照片处理较为复杂, 且拍摄的照片质量受天气的影响。全天空照片只能在特定时间、均匀的阴天进行拍摄, 直接的太阳光会导致叶片明亮的反射, 使其与天空的区分变得困难。相机是否水平以及照片处理的精度也影响郁闭度的测定精度。全天空照片除测定林冠郁闭度外, 不同时期的照片也可用于建立林冠动态模型。冠层分析仪法：冠层分析仪主要用来测定叶面积指数, 也可测定其他相关的林冠特征。冠层分析仪如LAI- 2000冠层分析仪,主要由光合有效辐射探头和数据处理系统组成,利用一个"鱼眼"光学传感器( 视野范围148°) 进行辐射测量来计算叶面积指数(LAI) 和其他冠层结构。仪器可测量" 冠层下可见天空比例"(DIFN), 进而可计算出郁闭度。冠层分析仪在测定林冠郁闭度的相关研究中已有较多应用。用冠层分析仪测定郁闭度, 测量迅速, 时间短,对天空条件要求比较严格,测定时要避免阳光直射, 要求在均匀的阴天或早晚进行, 变幻的阴天由于天空不稳定要应用带一定角度的镜盖。但仪器昂贵不便携带,且应用约束条件多,不适用于大范围的森林郁闭度测定。
遥感图像判读法：对于大面积的郁闭度调查, 可通过航空像片或高分辨率的卫
星图像进行判读。在航空像片上可通过树冠密度尺(crown density scale) 或微细网点板进行郁闭度判读。在中、小比例尺像片上, 也可根据树冠影像颗粒的疏密程度和垂直能见度用目估法判读郁闭度。用卫星图像进行郁闭度调查时,是以地面调查的郁闭度为基础, 利用与郁闭度相关性高的波段或变量, 建立多元回归模型来估测郁闭度。通过卫星图像进行郁闭度估测, 涉及到的因素较多, 波段选择也很关键,还没有形成成熟的估测方法。理论计算法：由于实测郁闭度影响因
素多, 费工费时,便产生了通过理论计算测定林分郁闭度的方法。由于林分中各径阶胸径与冠幅间存在明显的回归关系, 且不受立地条件、林龄、密度的影响。李德民等认为可建立胸径与冠幅的回归曲线, 通过样地中各径阶株数得到树冠投影面积,减去重叠的冠幅面积,即可求算郁闭度。此种方法简单易行, 准确可靠, 但只适用于单一树种,且要有大量的调查数据建立适用的回归曲线, 不能普遍推广与应用。熊奎山针对人工同龄纯林, 提出可根据林木的不同排列方式、株行距、树冠半径长度计算相应的理论郁闭度值。Fiala 通过与距离无关的单木模型FVS(Forest Vegetation Simulator), 利用树冠半径公式计算单株树冠面积, 再进行合计得到郁闭度的估计值, 但通过与地面测定方法的比较发现模型估计的方法一致性低、变动郁闭度及其测定方法研究与应用性大。
郁闭度本是反映林冠郁闭程度的指标, 由于应用领域与测定方法的不同, 产生了很多与郁闭度相近的概念, 上面从郁闭度的本意与测定方法出发,把郁闭度划分为垂直郁闭度与点郁闭度, 既继承了传统郁闭度的定义, 也从应用与测定方法上进行了区分。从测定方法上来说, 树冠投影法、样线法、观测管法与遥感图像
判读法测定的是垂直郁闭度, 而抬头望法、Moosehorn法、球面密度计法、郁闭度测定器法、照片法、冠层分析仪法测定的是点郁闭度。郁闭度的测定方法很多, 但要根据测定的目的与仪器的视角选择适合的测定方法。窄视角的测定方法能用来估计下层植被的丰富度, 而宽视角的估测更能反映植物的间接光照水
平或动物对遮蔽的感知。垂直郁闭度的测定方法可认为是没有视角或视角较小
可忽略, 点郁闭度的测定方法则要考虑到视角的影响。不同的仪器视角也不同, 从Moosehorn的最小12.6 °到鱼眼镜头的最大180°不等。视角的存在, 使树木好像倒向观测区域中心, 测定结果往往偏大。不同的郁闭度测定方法与视角都
会影响测定结果,在郁闭度的测定与结果应用中, 要明确或注明所应用的测定方法与仪器视角。
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