智能手机App与数字半球摄影测量叶面积指数对比研究_洪楚翘.pdf

智能手机 App 与数字半球摄影测量叶面积指数对比研究*洪楚翘屈永华（北京师范大学遥感科学国家重点实验室，北京师范大学地理科学学部遥感与工程研究院，北京市陆表遥感数据产品工程技术研究中心，100875，北京）摘要基于自主开发的智能手机 App（LAISmart）对针阔混交林、阔叶林和农作物 3 种植被类型的叶面积指数（leafareaindex，LAI）进行测量，并以数字半球摄影（digitalhemisphericalphotography，DHP）的测量结果作为参考值进行对比分析.结果表明，虽然 LAISmart 与 DHP 的 LAI 值总体上具有高度一致性（R2=0.95，RMSE=0.68），但是，LAISmart的性能受到植被叶片密集程度的影响.研究发现：LAI3.9 时，LAISmart 的测量结果会明显低于 DHP 的测量结果；智能手机成像传感器的自动曝光模式，是引起 LAISmart 在测量 LAI 高值区域估值偏低的重要影响因素；当对 LAI 高值区域的 LAISmart 图像进行降低曝光度处理后，LAISmart 和 DHP 的测量结果偏差得到进一步降低，且 LAISmart 测量结果的精度可以提高 49%左右.此外，LAISmart 的较窄视场角几乎不会对其测量结果产生影响，若能在调节智能手机曝光度的条件下使用 LAISmart，则具有更高效率和更低成本优势的 LAISmart 可以成为替代 DHP 的有效方法.关键词叶面积指数；智能手机；数字半球摄影；曝光中图分类号TP391.4DOI：10.12202/j.0476-0301.2021232叶面积指数（LAI）是表征陆地生态系统中植被冠层结构的关键参数，通常被定义为一定地表面积上所有叶片表面积与土壤面积的比值1.准确快速地测量LAI 对研究植物与生长环境之间的相互影响、全球碳循环具有极其重要的意义23.LAI 的测量方法可以分为直接测量与间接测量 2 大类型.直接测量方法一般是以破坏性方式进行叶片样本采集，然后通过测量仪器（如 LI-3000C、LI-3100C、CI-202 等）人工测量叶片表面积，再根据样方面积大小计算出 LAI4.直接法相对来说技术成熟，结果准确，但会对叶片产生破坏，且操作烦琐，效率较低，不适合大范围样地的测量56.间接测量方法则是通过测量其他中间变量，如冠层间隙率或者透过率来估算冠层 LAI，具有操作简便、对植被无破坏等优点，因此一般情况下 LAI 实测工作均采用间接测量4，7.间接测量涉及经验公式法、遥感测定法和光学仪器法等多种方法，其中光学仪器法已成为 LAI 地面间接测量方法的代表8.在 光 学 仪 器 法 中，数 字 半 球 摄 影 法（digitalhemisphericalphotography，DHP）是一种应用较为广泛的测量技术.DHP 方法是利用数字单反相机配备一个具有大广角视场（一般120）的镜头来获取垂直向上或向下拍摄的半球空间植被冠层图像，并通过图像分类区别出植被与背景（天空或土壤）像素，利用多角度间隙率来计算 LAI910.处理 DHP 图像的软件包括商业软件（如 HemiView、WinScanopy 等）和免费软件（如 CAN-EYE、CIMES、GLA 等）11.DHP 方 法 测 量LAI 对设备的要求较为简单，随着单反相机价格降低与应用推广，该方法被广泛应用于多种植被类型的LAI 测量实践，如 Olivas 等12、姚丹丹等13和 Fang 等14均利用 DHP 分别测量了热带雨林、云冷杉针阔混交林和水稻的 LAI.DHP 方法估计 LAI 的有效性和可靠性也已在对果园15、林地16和农作物7，17等植被类型进行的各项研究中得到证明.但是，绝大多数 DHP 技术获取 LAI 时野外测量与图像处理是分离的，也就是说，首先需要在野外拍摄得到数字图像，再利用电脑专用软件计算 LAI.因此，大多数 DHP 技术不能在测量现场实时显示 LAI，这对于及时发现野外测量工作中的问题非常不利.随着智能手机的普及与计算性能的提升，近年来出现了基于智能手机的 LAI 测量技术.在这类技术*国家自然科学基金资助项目（41671333，42192581）；国家重点研发计划资助项目（2016YFC0500103）通信作者：屈永华（1972），男，博士，副教授.研究方向：定量遥感.E-mail:收稿日期：2021-09-172023-02北京师范大学学报（自然科学版）59（1）JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）125中，第 1 类模式是测量与计算分离式，即仅利用了智能手机的摄像功能，数据处理仍然在室内完成.如Wang 等18和 Rudic 等19利用智能手机搭载鱼眼镜头拍摄鱼眼照片，再用电脑对其进行处理反演出 LAI.Patrignani 等20和 Tich21则是开发了可以获得植被间隙率的应用程序 Canopeo 和 GLAMA（gaplightanalysismobileapplication），用户可以将间隙率进一步转化为LAI.第 2 类模式是测量与计算一体式，即在图像获取的同时完成 LAI 计算并实时显示结果.如：Confalonieri等22提出了可实现 2 种 LAI 测量方法的智能手机应用程序 PocketLAI；deBei 等23开发了一种可基于智能手机和平板电脑估测葡萄藤冠层 LAI的应用程序VitiCanopy；Bauer 等24也提出了一种基于智能手机的 LAI 测量程序 SmartfLAIr；Qu 等25设计了一种新型的 LAI 测量程序 LAISmart，与上述几种应用程序相比，该程序提供了灵活的拍摄角度及图像分类特征选择.智能手机可以用作便携式 LAI 测量仪器，是其他商业仪器单点测量的重要补充及大范围应用的替代工具，但智能手机的测量结果仍需进一步验证.当前在验证智能手机测量 LAI 的可行性时，选择的参考仪器大多是 LAI-2000/2200C，而以 DHP 为参考的研究相对较少14，2530.考虑到 DHP 是 LAI 一种常用的间接测量方法，且与智能手机方法具有相似的测量原理，因此，研究智能手机替代 DHP 的可能性具有极为重要的意义.本文基于 LAISmart 和 DHP 测量植被 LAI，定量比较 LAISmart 和 DHP 的性能差异以及形成差异性的原因，旨在探索智能手机测量 LAI 的可行性与局限性，并进一步探索 LAISmart 是否具备代替 DHP 的潜力，以期为国内外相关研究提供参考.1材料与方法1.1试验材料2020 年在中国福建省、甘肃省、重庆市和内蒙古自治区 4 个省（区市）进行实地测量，共获取了4 个数据集，涵盖了3 种植被类型（图1-a 和表1）.在每个省的研究区，依据当地植被生长状况、郁闭度、便于测量等条件，均匀选择若干个样方作为测量区域.样方尺寸大小为 20m20m，样方内选定 4 个测量点位，为保证点位全部落在设定样方内，点位选择模式为沿着样方对角线设置，点位距离样方边缘间隔为 5m（图 1-b）.20 m20 mb 样方内采样方法a 试验区分布及 LAISmart 植被图像示例G1G2G3G4图1试验区分布及样方采样方法表1试验区概况及获取的数据集详情数据集省份植被类型植被名称样方数量经度/（）纬度/（）拍摄日期G1福建省针阔混交林相思树（Acacia confusa）和马尾松（Pinus massoniana）35118.11024.5042020-03-0804-26G2内蒙古自治区阔叶林胡杨（Populus euphratica）8101.13541.9902020-07-1307-24G3甘肃省农作物玉米（Zea mays）18100.37638.8582020-07-1707-22G4重庆市阔叶林桂树（Osmanthus fragrans）16106.31529.7562020-10-1810-191.2仪器测量1.2.1LAISmartLAISmart 是Qu 等25自主开发的一款基于安卓系统的智能手机 App，中文版可在华为应用市场下载（搜索“地遥宝”），英文版可在 Github 网站下载（https:/ 基于原始 RGB 图像中的蓝色波段，通过自动分126北京师范大学学报（自然科学版）第 59 卷割算法划分植被和天空像素来计算冠层间隙率25，31.获取 LAI 的方式是基于冠层间隙率与 LAI 之间的比尔-朗伯定律（Beer-LambertLaw）关系模型32：P()=eG()ILA/cos，（1）那么，可以得到 LAI 计算式：ILA=lnP()cos/G()，（2）P()G()式中：指 天顶角处的间隙率；指叶片在 天顶角处的平均投影面积比.G()假设方位角与叶片倾角（叶倾角）随机分布，在这种情况下，叶倾角分布函数近似为球型分布，叶片的平均投影面积比为 0.533.因此，当 LAISmart 在0天顶角下运行时，其 LAI 计算式为：ILA=2lnP(0)，（3）P(0)式中：等于在 0天顶角处的图像中天空像素占整幅图像像素的比例.实验使用手机型号为魅族 Note6.测量时，使用前置摄像头向上拍摄，同时尽量将手臂伸直并保持人眼距离地面高度仅略高于手机距离地面高度，以避免人像出现在图像中.拍照时，通过观察 App 主界面天顶角度数，选择 0左右天顶角进行拍摄.需要注意的是，在实际测量中，由于测量人员是手持智能手机进行拍摄的，没有固定支架，因此很难将智能手机固定在 0天顶角.为了减少天顶角带来的不确定性，仅在目标角度2范围内时触发 LAI 测量功能.拍摄图像以 JPG 格式保存，分辨率为 720960.每个样方共计测量 4 次.为了减少太阳直射光对图像造成的光斑影响，选择在傍晚直射光较弱或者阴天的时间进行拍摄.1.2.2DHPDHP 测量点位与 LAISmart 一一对应，并同步观测.选用 2 种 DHP 设备获取了 DHP 图像，设备详情及获取的对应数据集如表 2 所示.拍摄的 DHP图像均存储为 JPG 格式，测量时参考苑振皓34的方法将曝光模式设置为负一挡快门速度挡位.为了避免图像产生畸变，拍摄时 DHP 镜头尽量垂直于取景框向上拍摄.同时利用具备 GPS 定位功能的地图软件获取测量点位的经纬度坐标，用于后续处理图像时作为参数输入.表22 种 DHP 设备详情及获取的数据集DHP设备数字单反相机型号鱼眼镜头型号视场角/（）图像分辨率获取的数据集第1种CanonEOS6DSamyang8mmf/3.518054723648G1、G2、G3第2种CanonEOS40DCanonEF15mmf/2.812028861880G4P()采用 CAN_EYEV6.4.91 软件35对获得的 DHP 图像进行处理，根据 CAN_EYE 软件的用户说明文档，依次进行相机校准、定义参数、图像掩膜、图像分类等操作，获取基于 DHP 的 LAI.在处理过程中，将天顶角和方位角的角度分辨率设置为 2.5.假设叶倾角呈椭球分布，并使用查找表方法反演 LAI35.其中查找 表 数 据 来 自 LAI（010，步 长 0.1）和 平 均 叶 倾 角（averageleafinclinationangle，ALA）（1080，步长 2）的随机组合及其根据式（1）生成的数据.需要说明的是，本文基于 LAISmart 和 DHP 获取的数字图像无法区分植被叶片与枝干等非光合作用组分，且不考虑叶片在冠层内的聚集现象，因此 2 种方法提供的均为冠层的有效 LAI1，而非真实 LAI.1.3数据分析方法1.3.1LAISmart 与 DHP 点对点直接比较方法对于LAISmart 和 DHP 测量结果的点对点直接对比，通过绘制散点图可视化地定性表现 LAISmart 是否与 DHP方法具有较好的一致性；然后，利用线性回归模型定量表达二者的相关性与偏差，斜率越接近 1 表明二者一致性越高，计算模