Полусферическая фотография

Полусферическая фотография, использованная для изучения микроклимата среды зимнего ночлега в биосферном заповеднике бабочек Монарх , Мексика.

Полусферическая фотография , также известная как фотография навеса , представляет собой метод оценки солнечной радиации и характеристики геометрии растительного покрова с использованием фотографий, сделанных при взгляде вверх через широкоугольный объектив или объектив «рыбий глаз» (Рич, 1990). Обычно угол обзора приближается или равен 180 градусам, так что все направления неба видны одновременно. Полученные фотографии фиксируют геометрию видимого неба или, наоборот, геометрию перекрытия неба кронами растений или другими приземными объектами. Эту геометрию можно точно измерить и использовать для расчета солнечной радиации, передаваемой через растительный покров (или перехватываемой им), а также для оценки таких аспектов структуры покрова, как индекс площади листьев . Подробное описание полевых исследований и аналитической методологии было предоставлено Полом Ричем (1989, 1990) и Робертом Пирси (1989).

История

Полусферическая линза (также известная как « рыбий глаз» или линза всего неба) была первоначально разработана Робином Хиллом (1924) для обзора всего неба для метеорологических исследований образования облаков. Лесники и экологи задумали использовать фототехнику для изучения световой обстановки в лесах путем изучения геометрии полога . В частности, Эванс и Кумб (1959) оценили проникновение солнечного света через отверстия в пологе леса, наложив диаграммы солнечного пути на полусферические фотографии. Позже Маргарет Андерсон (1964, 1971) провела тщательную теоретическую разработку расчета прохождения прямой и рассеянной компонент солнечной радиации через проемы в пологе с использованием полусферических фотографий. В то время анализ полусферических фотографий требовал утомительной ручной оценки наложений квадрантов неба и траектории движения Солнца. С появлением персональных компьютеров исследователи разработали цифровые методы для быстрого анализа фотографий полусферы (Чаздон и Филд, 1987, Рич, 1988, 1989, 1990, Беккер и др., 1989). В последние годы исследователи начали использовать цифровые камеры в пользу пленочных, и разрабатываются алгоритмы для автоматической классификации и анализа изображений. Для анализа полусферических фотографий стали доступны различные коммерческие программы, и этот метод применяется для различных целей в экология , метеорология , лесное хозяйство и сельское хозяйство .

Приложения

Полусферическая фотография успешно использовалась в широком спектре приложений, включая определение характеристик микрорайонов и оценку солнечной радиации у земли и под кронами растений. Например, полусферические фотографии использовались для характеристики мест зимних ночевок бабочек-монархов (Weiss et al., 1991), влияния опушек леса (Galo et al., 1991), влияния лесных промежутков между деревьями на регенерацию деревьев (Rich et al., 1993). ), пространственная и временная изменчивость света в подлеске тропических лесов (Кларк и др., 1996), воздействие ураганов на экологию леса (Беллингем и др., 1996), индекс площади листьев для проверки результатов дистанционного зондирования (Чен и др., 1997), архитектура полога бореальных лесов (Фурнье и др., 1997), световая среда в старовозрастных тропических лесах умеренного пояса (Вайс, 2000) и управление решетками виноградников для получения лучшего вина (Вайс и др., 2003).

Полусферическая фотография с наложенной солнечной дорожкой из закрытого полога залива Сан-Францискокито-Крик, полуостров Сан-Франциско, Калифорния, использованная для изучения среды обитания стальноголовой форели.

Полусферическая фотография с открытого полога ручья Сан-Франциското. Наложение солнечной дорожки позволяет рассчитать солнечное воздействие, поскольку оно влияет на температуру воды.

Теория

Расчеты солнечной радиации

Прямая и рассеянная составляющие солнечной радиации рассчитываются отдельно (см. Радиационный баланс Земли ). Прямая радиация рассчитывается как сумма всей прямой (солнечной) радиации, исходящей из видимых (незатененных) направлений неба вдоль пути Солнца. Аналогичным образом, диффузное солнечное излучение рассчитывается как сумма всего диффузного излучения (рассеянного атмосферой), исходящего из любых видимых (незатененных) направлений неба (см. Диффузное излучение неба ). Сумма прямой и рассеянной составляющих дает глобальное излучение.

Эти расчеты требуют теоретического или эмпирического распределения прямой и рассеянной радиации на открытом воздухе, без навеса или других препятствий на небе. Обычно расчеты проводятся либо для фотосинтетически активного излучения (400-700 нанометров), либо для инсоляции , интегральной по всем длинам волн, измеряемой в киловатт-часах на квадратный метр (кВт·ч/м). ² ).

Фундаментальное предположение состоит в том, что большая часть солнечной радиации исходит из видимых (незатененных) направлений неба, что является сильным эффектом первого порядка, и что отраженное излучение от кроны или других приземных объектов (невидимых или скрытых направлений неба) незначительно, небольшое эффект второго порядка. Другое предположение состоит в том, что геометрия видимого (незатененного) неба не меняется за период, для которого проводятся расчеты.

Расчеты навеса

Индексы кроны, такие как индекс площади листьев (LAI), основаны на расчете доли просвета, доли видимого (незатененного) неба в зависимости от направления неба. Индекс площади листьев обычно рассчитывается как площадь листьев на единицу площади земли, которая дает наблюдаемое распределение доли зазора, учитывая предположение о случайном распределении углов листьев или известном распределении углов листьев и степени слипания. Расчет LAI с использованием этого косвенного метода может быть очень неточным. Для дальнейшего объяснения см. Индекс площади листьев.

Индексы

Полусферическая фотография, используемая для изучения LAI, смыкания полога или других показателей полога.

Фактор прямого места (DSF) — это доля прямой солнечной радиации в данном месте по отношению к солнечной радиации на открытом воздухе, либо интегрированная с течением времени, либо рассчитанная в соответствии с интервалами времени суток и/или сезона.

Косвенный фактор места (ISF) — это доля рассеянного солнечного излучения в данном месте по отношению к таковому на открытом воздухе, либо интегрированная во времени для всех направлений неба, либо решенная по направлению сектора неба.

Глобальный фактор места (GSF) — это доля глобальной солнечной радиации в данном месте по отношению к солнечной радиации на открытом воздухе, рассчитываемая как сумма DSF и ISF, взвешенная по относительному вкладу прямых и рассеянных компонентов. Иногда этот индекс еще называют Total Side Factor (TSF).

Индексы могут быть нескорректированными или скорректированными по углу падения относительно плоской воспринимающей поверхности. Нескорректированные значения одинаково учитывают солнечную радиацию, исходящую со всех направлений. Скорректированные значения взвешивают солнечное излучение по косинусу угла падения с учетом фактического перехвата с направлений, нормальных к отражающей поверхности.

Индекс площади листа — это общая площадь поверхности листьев на единицу площади земли.

Доля зазора (GapF) — это количество в процентах от полога по отношению ко всей зоне измерения.

Методология

Полусферическая фотография состоит из пяти этапов: получение фотографий, оцифровка, регистрация, классификация и расчет. Регистрация, классификация и расчет выполняются с использованием специального программного обеспечения для анализа полусферических фотографий.

Приобретение фотографий

Полусферические фотографии, обращенные вверх, обычно получаются при равномерном освещении неба, рано или поздно днем ​​или в пасмурную погоду. Известная ориентация (зенит и азимут) необходима для правильной регистрации в полусферической системе координат анализа. Равномерное освещение необходимо для точной классификации изображений. Самовыравнивающееся крепление (подвесы) может облегчить съемку, гарантируя, что камера будет направлена ​​прямо вверх, в зенит. Камера обычно ориентирована так, что север (абсолютный или магнитный) ориентирован к верхней части фотографии.

Объектив, используемый в полусферической фотографии, обычно представляет собой круглый «рыбий глаз» , например, объектив «рыбий глаз» Nikkor 8 мм. Полнокадровый «рыбий глаз» не подходит для полусферической фотографии, поскольку он захватывает только полные 180° по диагонали и не обеспечивает полного полусферического изображения.

На заре применения этой технологии большинство полусферических фотографий делались с помощью 35-мм фотоаппаратов (например, Nikon FM2 с объективом Nikkor 8 мм «рыбий глаз») с использованием высококонтрастной черно-белой пленки с высоким показателем ASA. Позже стало обычным явлением использование цветной пленки или слайдов. В последнее время большинство фотографий делается с помощью цифровых фотоаппаратов (например, Kodak DCS Pro 14nx с объективом Nikkor 8 мм «рыбий глаз»).

Когда изображения получены из мест с большой разницей в открытости (например, закрытые места навеса и просветы в навесе), важно контролировать экспозицию камеры. Если камере разрешено автоматически регулировать экспозицию (которая контролируется диафрагмой и выдержкой), в результате небольшие отверстия в закрытых условиях будут яркими, тогда как отверстия того же размера в открытых условиях будут темнее (например, навес области вокруг зазора). Это означает, что во время анализа изображения отверстия одинакового размера будут интерпретироваться как «небо» на изображении с закрытым куполом и «навес» на изображении с открытым куполом. Без контроля воздействия реальные различия между условиями закрытого и открытого полога будут недооценены.

Оцифровка

Фотографии оцифровываются и сохраняются в стандартных форматах изображений. Для пленочных камер для этого шага требуется сканер негативов или слайдов или дигитайзер видео. Для цифровых камер этот этап происходит при получении фотографий.

Регистрация

Регистрация фотографий включает в себя выравнивание фотографий с полусферической системой координат, используемой для анализа, с точки зрения перевода (центрирования), размера (совпадения краев фотографии и горизонта в системе координат) и вращения (азимутальное выравнивание относительно направлений компаса).

Классификация

Классификация фотографий включает в себя определение того, какие пиксели изображения представляют видимые (незатененные) и невидимые (затененные) направления неба. Обычно это достигается с помощью интерактивного определения порогов, при котором соответствующий порог выбирается так, чтобы лучше всего соответствовать двоичной классификации с наблюдаемой видимостью неба, при этом значения интенсивности пикселей выше порога классифицируются как видимые, а значения интенсивности пикселей ниже порога классифицируются как невидимые. В последнее время были достигнуты успехи в разработке автоматических пороговых алгоритмов, однако еще требуется дополнительная работа, прежде чем они станут полностью надежными.

Расчет

При расчете полусферических фотографий используются алгоритмы, которые вычисляют долю зазора в зависимости от направления неба и вычисляют желаемую геометрию купола и / или индексы солнечной радиации. Для солнечного излучения быстрый расчет часто выполняется с использованием предварительно рассчитанных справочных таблиц теоретических или эмпирических значений солнечного излучения, разделенных по секторам неба или положению на солнечной дорожке.

См. также

• Индекс площади листа
• Панорамная фотография
• Посмотреть фактор
• Камера всего неба

Ссылки

• Андерсон, MC 1964. Исследования светового климата лесной местности I. Фотографический расчет условий освещенности. Журнал экологии 52:27-41.
• Андерсон, MC 1971. Радиация и структура урожая. стр. 77–90. В: З. Сестак, Дж. Катски и П.Г. Джарвис (ред.). Методическое руководство по фотосинтетическому производству растений . Хлам. Гаага.
• Беккер П., Д.В. Эрхарт и А.П. Смит. 1989. Анализ освещенности леса. Часть I. Компьютерная оценка солнечной радиации по фотографиям полусферического полога. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 44:217-232.
• Беллингем, П.Дж., Э.Дж. Таннер, П.М. Рич и Т.К.Р. Гудленд. 1996. Изменения света под пологом горного тропического леса Ямайки после урагана. Журнал тропической экологии 12:699–722.
• Боном, Р., К. Варлет Грейнджер и П. Шартье. 1974. Использование полусферических фотографий для определения индекса площади листьев молодых культур. Фотосинтетика 8:299-301.
• Бреширс, Д.Д., П.М. Рич, Ф.Дж. Барнс и К. Кэмпбелл. 1997. Неоднородность солнечной радиации и влажности почвы, вызванная перестройкой в ​​полузасушливых лесах. Экологические приложения 7: 1201–1215.
• Чаздон Р.Л. и CB Field. 1987. Фотографическая оценка фотосинтетически активной радиации: оценка компьютеризированной техники. Экология 73: (4) 525–532.
• Чен, Дж. М. и Дж. Сихлар. 1995. Теория анализа размеров промежутков в кроне растений для улучшения оптических измерений индекса площади листьев. Прикладная оптика 34, 6211–6222.
• Чен, Дж. М. и Т. А. Блэк. 1992. Определение индекса площади листа для неплоских листьев. Растение, клетка и окружающая среда 15:421-429.
• Чен, Дж. М., П. М. Рич, С. Т. Гауэр, Дж. М. Норман и С. Пламмер. 1997. Индекс площади листьев бореальных лесов: теория, методы и измерения. Журнал геофизических исследований, специальный выпуск 102 BOREAS (D24): 29429–29444.
• Чен, Дж. М., Т. А. Блэк и Р. С. Адамс. 1991. Оценка полусферической фотографии для определения индекса площади растений и геометрии древостоя. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 56:129-143.
• Кларк, Д.Б., Д.А. Кларк и П.М. Рич. 1993. Сравнительный анализ использования микросреды обитания саженцами девяти видов деревьев в неотропических тропических лесах. Биотропика 25: 397–407.
• Кларк, Д.Б., Д.А. Кларк, П.М. Рич, С.Б. Вайс и С.Ф. Обербауэр. 1996. Ландшафтная оценка освещения подлеска и структуры полога: методы и применение в неотропических низинных тропических лесах. Канадский журнал лесных исследований 26:747–757.
• Эванс, Г.Д. и Д.Э. Кумб. 1959. Фотография полусферических и лесных пологов и световой климат. Журнал экологии 47:103-113.
• Фурнье, Р.А., П.М. Рич и Р. Лэндри. 1997. Иерархическая характеристика архитектуры полога бореального леса. Журнал геофизических исследований, специальный выпуск 102 BOREAS (D24): 29445–29454.
• Фурнье, Р.А., П.М. Рич, Ю.Р. Алджер, В.Л. Петерсон, Р. Лэндри и Н.М. Август. 1995. Архитектура полога бореальных лесов: связь между дистанционным зондированием и экологией. Технические документы Американского общества фотограмметрии и дистанционного зондирования 2: 225-235.
• Гало, А.Т., П.М. Рич и Джей Джей Юэл. 1992. Влияние опушек на режим солнечной радиации в ряде реконструированных тропических экосистем. Технические документы Американского общества фотограмметрии и дистанционного зондирования . стр. 98–108.
• Гауэр, С.Т. и Дж.М. Норман. 1991. Экспресс-оценка индекса площади листьев в лесах с использованием LI-COR LAI-2000. Экология 72:1896-1900.
• Хилл, Р. 1924. Объектив для фотографий всего неба. Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества 50:227-235.
• Иноуэ А., К. Ямамото, Н. Мизуэ и Ю. Кавахара. 2004. Влияние качества изображения, размера и типа камеры на оценку освещенности леса с использованием цифровой полусферической фотографии. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 126:89-97.
• Иноуэ А., К. Ямамото, Н. Мизуэ и Ю. Кавахара. 2004. Калибровка угла обзора и искажений объектива конвертера «рыбий глаз» Nikon FC-E8. Журнал лесных исследований 9:177-181.
• Иноуэ А., К. Ямамото, Н. Мизуэ и Ю. Кавахара. 2002. Оценка относительной освещенности с использованием цифровой полусферической фотографии. Журнал лесного планирования 8:67-70.
• Иноуэ, А. 1999. Разница в факторах диффузного местоположения из-за пространственного распределения яркости неба. Журнал лесного планирования 5:29-33.
• Ярчушка, Б. 2008. Методический обзор полусферической фотографии, продемонстрированный на примере программного обеспечения GLA. Folia Oecologica 35:66–69. PDF
• Лэндри Р., Р.А. Фурнье, Ф.Дж. Ахерн и Р.Х. Ланг. 1997. Векторизация дерева: методология описания древовидной архитектуры для поддержки моделей дистанционного зондирования. Канадский журнал дистанционного зондирования 23:91-107.
• Ланг, ARG 1986. Площадь листьев и средний угол листьев в зависимости от пропускания прямого солнечного света. Австралийский журнал ботаники 34:349-355.
• Ланг, АРГ, Р.Э. Макмертри и М.Л. Бенсон. 1991. Достоверность показателей площади поверхности Pinus radiata, оцененных по коэффициенту пропускания солнечного луча. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 37:229-243.
• Лердау, М.Т., Холбрук, Н.М., Х.А. Муни, П.М. Рич и Дж.Л. Уитбек. 1992. Сезонные закономерности колебаний кислотности и запаса ресурсов у древесного кактуса Opuntia excelsa в зависимости от доступности света и размера. Экология 92:166-171.
• Лин Т., П.М. Рич, Д.А. Хейслер и Ф.Дж. Барнс. 1992. Влияние геометрии кроны на приземную солнечную радиацию и водный баланс сосновых лесов из пиньон-можжевельника и пондероза. Технические документы Американского общества фотограмметрии и дистанционного зондирования . стр. 285–294.
• Миллер, Дж. Б. 1967. Формула средней густоты листвы. Австралийский журнал ботаники 15:141-144.
• Митчелл, П.Л. и Т.С. Уитмор. 1993. Использование полусферических фотографий в экологии леса: расчет абсолютного количества радиации под пологом . Оксфордский институт лесного хозяйства. Оксфорд, Великобритания.
• Нойманн, Х.Х., Г.Д. Ден Хартог и Р.Х. Шоу. 1989. Измерения площади листьев на основе фотографий полушария и сбора опада из лиственного леса во время осеннего листопада. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 45:325-345.
• Норман, Дж. М. и Г. С. Кэмпбелл, 1989. Структура навеса. стр. 301–326. В: Р.В. Пирси, Дж. Элерингер, Х.А. Муни и П.В. Рандел (ред.). Физиологическая экология растений: полевые методы и приборы . Чепмен и Холл. Лондон.
• Обербауэр, С.Ф., Д.Б. Кларк, Д.А. Кларк, П.М. Рич и Г. Вега. 1993. Световая среда, газообмен и ежегодный рост саженцев трех видов деревьев тропических лесов в Коста-Рике. Журнал тропической экологии 9: 511–523.
• Пирси, Р.В., 1989. Измерения радиации и света. стр. 95–116. В: Р. В. Пирси, Дж. Элерингер, Х. А. Муни и П. В. Рундел (редакторы), Физиологическая экология растений: полевые методы и приборы . Чепмен и Холл. Нью-Йорк.
• Рейфснидер, В.Е., 1967. Радиационная геометрия в измерении и интерпретации радиационного баланса. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 4:255-265.
• Рич, П.М. 1988. Анализ видеоизображения фотографий полусферического купола. В: П.В. Маузель (редактор), Первый специальный семинар по видеосъемке . Терре-Хот, Индиана. 19–20 мая 1988 г., «Американское общество фотограмметрии и дистанционного зондирования», стр. 84–95.
• Рич, П.М. 1989. Руководство по анализу фотографий полусферического купола. Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-11733-M. PDF
• Рич, П.М. 1990. Характеристика растительных покровов с помощью полусферических фотографий. В: Н. С. Гоэл и Дж. М. Норман (ред.), Приборы для изучения растительных покровов для дистанционного зондирования в оптическом и тепловом инфракрасном диапазонах. Обзоры дистанционного зондирования 5:13-29.
• Рич, ПМ, Д.А. Кларк, Д.Б. Кларк и С.Ф. Обербауэр. 1993. Долгосрочное исследование режимов солнечной радиации во влажном тропическом лесу с использованием квантовых датчиков и полусферической фотографии. Сельскохозяйственная и лесная метеорология 65:107–127.
• Рич, П.М., Р. Дубая, В.А. Хетрик и SC Saving. 1994. Использование моделей видимости для расчета перехваченной солнечной радиации: приложения в экологии. Технические документы Американского общества фотограмметрии и дистанционного зондирования . стр. 524–529.
• Рич, ПМ, ДМ Ранкен и Дж. С. Джордж. 1989. Руководство по микрокомпьютерному анализу изображений. Отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-11732-M. PDF
• Рич, П.М., Дж. Чен, С.Дж. Сулатицки, Р. Вашишт и WS Wachspress. 1995. Расчет индекса площади листьев и других индексов кроны на основе доли промежутка: руководство для программного обеспечения LAICALC. Отчет об открытом файле программы прикладного дистанционного зондирования штата Канзас . Лоуренс, Канзас. PDF
• Рич, П.М., Дж. Вуд, Д.А. Виглейс, К. Бурек и Н. Уэбб. 1999. Руководство по HemiView: программное обеспечение для анализа полусферических фотографий . Delta–T Devices, Ltd., Кембридж, Англия.
• Рич, ПМ, Н. М. Холбрук и Н. Латтинджер. 1995. Развитие листьев и геометрия кроны двух ириартеоидных пальм. Американский журнал ботаники 82:328–336.
• Шоу, округ Колумбия, и С.Б. Вайс. 2000. Освещение кроны и распространение карликовой омелы болиголова ( Arceuthobium tsugenses [Rosendahl] GN Jones subsp. tsugense ) в воздушных побегах в старовозрастном лесу пихты Дугласа / болиголова западного. Северо-западная наука 74: 306-315
• Тернер, И.М. 1990. Рост и выживание саженцев деревьев в тропических лесах Малайзии. Биотропика , 22:146-154.
• Тертон, С.М. 1988. Режимы солнечной радиации в тропических лесах северного Квинсленда. Труды Экологического общества Австралии , 15:101-105.
• Вайс, С.Б. 00. Вертикальные и временные закономерности инсоляции в старовозрастном лесу. Канадский журнал лесных исследований 30: 1953–1964.
• Вайс, С.Б., П.М. Рич, Д.Д. Мерфи, У.Х. Калверт, П.Р. Эрлих. 1991. Структура лесного полога в местах зимовки бабочек-монархов: измерения с помощью полусферических фотографий. Биология сохранения 5: 165-175.
• Вайс, С.Б. и округ Колумбия Лют. 2002. Оценка среды обитания зимующей бабочки-монарха в Купер-Гроув (государственный парк Эндрю Молера, округ Монтерей, Калифорния) с использованием полусферической фотографии. Отчет Центра наблюдения Земли Криксайд , Менло-Парк, Калифорния.
• Вайс, С.Б., округ Колумбия Лют и Б. Герра. 2003. Потенциальная солнечная радиация в решетке ВСП на 38° северной широты. Практическая винодельня и виноградник 25:16-27.
• Вайс, С.Б. и др. 2005. Топоклимат и микроклимат в биосферном заповеднике бабочки Монарх (Мексика). Проект Всемирного фонда дикой природы. Отчет Центра наблюдения Земли Криксайд , Менло-Парк, Калифорния.
• Уэллс, Дж. М. 1990. Некоторые косвенные методы оценки структуры полога. Обзоры дистанционного зондирования 5:31-43.