葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）是植物冠層結(jié)構(gòu)研究中的重要參數(shù)，可反映一定地表面積上植物葉片的分布狀況。在作物、果樹、林木及其他植被冠層研究中，LAI常被用于分析冠層結(jié)構(gòu)、光能截獲以及植物群體生長(zhǎng)狀態(tài)。

目前，植物冠層LAI可通過(guò)冠層圖像分析以及光合有效輻射（PAR）數(shù)據(jù)進(jìn)行間接測(cè)定。FG-2200植物冠層分析儀將這兩種冠層分析方式集成于同一系統(tǒng)：一方面通過(guò)廣角鏡頭獲取半球形冠層圖像，用于孔隙率及LAI分析；另一方面通過(guò)儀器臂桿內(nèi)置的24個(gè)PAR傳感器獲取光合有效輻射及光斑信息，并可基于PAR數(shù)據(jù)計(jì)算葉面積指數(shù)。

一、什么是葉面積指數(shù)LAI？

葉面積指數(shù)是描述植物冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。FG-2200分析結(jié)果中，LAI用于表征單位地表面積對(duì)應(yīng)的葉片面積狀況，同時(shí)還可以得到葉片平均傾角、輻射透過(guò)系數(shù)以及不同天頂角和方位角范圍內(nèi)的冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

在實(shí)際冠層研究中，僅觀察植物高度或覆蓋程度往往難以完整反映冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。LAI能夠從葉片數(shù)量及空間分布角度提供定量信息，因此是植物冠層分析中的核心參數(shù)之一。

二、半球圖像法如何測(cè)量植物冠層？

半球圖像法主要通過(guò)廣角或魚眼鏡頭從冠層下方獲取植物冠層圖像，再根據(jù)圖像中葉片與天空間隙的分布進(jìn)行分析。

FG-2200測(cè)量時(shí)，需要將魚眼鏡頭置于待測(cè)冠層下方，并保持鏡頭水平。啟動(dòng)測(cè)量后，軟件獲取實(shí)時(shí)冠層圖像，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光照情況調(diào)整曝光時(shí)間、亮度、對(duì)比度、增益及飽和度，以改善圖像質(zhì)量。

獲得冠層圖像后，軟件可進(jìn)一步識(shí)別圖像中的天空區(qū)域與植物葉片區(qū)域。通過(guò)不同天頂角和方位角區(qū)域的冠層間隙信息，分析冠層孔隙狀況，并進(jìn)一步計(jì)算LAI、葉片平均傾角及消光系數(shù)等參數(shù)。

因此，半球圖像法并不是簡(jiǎn)單“拍一張照片"，其關(guān)鍵在于：

• 冠層圖像是否清晰；

• 天空與葉片能否準(zhǔn)確區(qū)分；

• 鏡頭是否保持正確位置和方向；

• 天頂角和方位角分析范圍是否合理；

• 圖像閾值設(shè)置是否適當(dāng)。

這些因素都會(huì)影響后續(xù)冠層參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

三、間隙分?jǐn)?shù)閾值為什么重要？

在冠層圖像分析過(guò)程中，一個(gè)非常重要的參數(shù)是間隙分?jǐn)?shù)閾值（Gap Fraction Threshold）。

該參數(shù)主要用于區(qū)分圖像中的天空間隙和植物葉片。FG-2200軟件可以利用Otsu方法自動(dòng)計(jì)算閾值，同時(shí)也支持根據(jù)實(shí)際圖像情況手動(dòng)調(diào)整閾值百分比。說(shuō)明書特別指出，閾值設(shè)置會(huì)直接影響天空和葉片的識(shí)別，并進(jìn)一步影響冠層參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

例如，當(dāng)閾值設(shè)置不合理時(shí)，一部分較亮的葉片可能被誤認(rèn)為天空，而部分較暗的天空區(qū)域也可能被識(shí)別為植物組織，從而改變冠層孔隙率以及LAI計(jì)算結(jié)果。

因此，在進(jìn)行冠層圖像分析時(shí)，建議結(jié)合原始圖像和二值化后的識(shí)別結(jié)果檢查閾值是否合理，而不應(yīng)僅依賴單一默認(rèn)參數(shù)。

四、為什么還需要PAR法計(jì)算LAI？

除冠層圖像分析外，F(xiàn)G-2200還可以利用PAR數(shù)據(jù)進(jìn)行葉面積指數(shù)計(jì)算。

PAR即光合有效輻射，是植物能夠用于光合作用的有效輻射范圍。在植物冠層中，葉片會(huì)對(duì)進(jìn)入冠層的輻射產(chǎn)生遮擋和衰減，因此冠層上方和冠層下方的PAR會(huì)存在差異。

FG-2200儀器臂桿內(nèi)置24個(gè)PAR傳感器，可以測(cè)量冠層下方光合有效輻射，同時(shí)記錄光斑信息，并為基于PAR數(shù)據(jù)計(jì)算LAI提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在進(jìn)行PAR LAI計(jì)算時(shí)，需要設(shè)置相關(guān)背景參數(shù)，包括冠層上方PAR以及葉片平均傾角模型計(jì)算所需的最大天頂角等。其中，冠層上方PAR可將儀器放置在沒(méi)有植物葉片遮擋的位置進(jìn)行測(cè)量。

通過(guò)冠層上下光合有效輻射的變化，可以從冠層對(duì)光輻射的衰減情況對(duì)LAI進(jìn)行分析。

五、圖像法與PAR法有什么區(qū)別？

從測(cè)量思路來(lái)看，兩種方法關(guān)注的冠層信息并不相同。

1. 半球圖像法

半球圖像法主要從冠層空間結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)分析葉片與天空間隙在不同方向上的分布獲得冠層結(jié)構(gòu)信息。

可涉及的參數(shù)包括：

• 孔隙率；

• 葉面積指數(shù)LAI；

• 葉片平均傾角；

• 消光系數(shù)；

• 不同天頂角范圍內(nèi)的輻射透過(guò)情況；

• 不同方位角范圍內(nèi)的葉片分布。

2. PAR法

PAR法更側(cè)重冠層內(nèi)部的光環(huán)境變化，通過(guò)冠層上下PAR差異反映植物冠層對(duì)光輻射的截獲和衰減，并據(jù)此計(jì)算PAR LAI。

FG-2200能夠同時(shí)獲得冠層下PAR以及基于PAR數(shù)據(jù)計(jì)算得到的LAI值。

從應(yīng)用角度來(lái)看，圖像分析能夠提供較豐富的冠層空間結(jié)構(gòu)信息，而PAR測(cè)量則能夠同步反映冠層內(nèi)部的光輻射環(huán)境。將兩類數(shù)據(jù)結(jié)合，可以從“冠層結(jié)構(gòu)"和“光環(huán)境"兩個(gè)角度觀察植物群體。

六、測(cè)量過(guò)程中需要注意哪些因素？

1. 保持鏡頭水平

冠層半球圖像涉及不同天頂角和方位角區(qū)域，因此鏡頭位置和水平狀態(tài)會(huì)直接影響圖像對(duì)應(yīng)的空間方向。測(cè)量時(shí)應(yīng)將鏡頭正確放置于待測(cè)冠層下方。

2. 合理調(diào)整曝光參數(shù)

光照過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱都會(huì)影響葉片和天空之間的識(shí)別。FG-2200允許調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、明暗度、對(duì)比度、增益和飽和度，以適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)條件。

3. 檢查間隙閾值

在圖像分析過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)觀察天空和植物葉片是否被正確區(qū)分。必要時(shí)可對(duì)間隙分?jǐn)?shù)閾值進(jìn)行調(diào)整。

4. 排除無(wú)關(guān)區(qū)域干擾

FG-2200軟件可以設(shè)置方位角分區(qū)及屏蔽區(qū)域，例如排除操作者身影所在方向。同時(shí)，也可以通過(guò)設(shè)置天頂角的內(nèi)屏蔽區(qū)域和外屏蔽區(qū)域，排除儀器桿或接近地平線位置的干擾信息。

5. 正確獲取冠層上方PAR

進(jìn)行PAR LAI分析時(shí)，冠層上方PAR需要在沒(méi)有植物葉片遮擋的位置進(jìn)行測(cè)量，以獲得相應(yīng)的背景輻射數(shù)據(jù)。

七、FG-2200可以獲得哪些冠層參數(shù)？

FG-2200植物冠層分析儀將半球圖像采集與PAR傳感器測(cè)量集成在同一套系統(tǒng)中。

儀器可以直接獲得：

• 冠層圖像孔隙率；

• 光合有效輻射PAR；

• 光斑數(shù)據(jù)；

• GPS位置及方位信息。

在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步計(jì)算：

• 葉面積指數(shù)LAI；

• 葉片傾角分布；

• 消光系數(shù)；

• 基于PAR數(shù)據(jù)計(jì)算得到的葉面積指數(shù)。

完成圖像及參數(shù)設(shè)置后，軟件可以對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并顯示相應(yīng)的冠層結(jié)構(gòu)結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)保存后，還可以重新進(jìn)入分析界面，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并重新計(jì)算。

植物冠層LAI測(cè)量并不是單一參數(shù)的簡(jiǎn)單讀取，而是與冠層孔隙分布、葉片傾角、光輻射透過(guò)以及圖像識(shí)別條件等多種因素有關(guān)。

半球圖像法能夠從植物冠層空間結(jié)構(gòu)角度分析LAI及孔隙分布，PAR法則可以從冠層光輻射衰減角度提供另一種LAI計(jì)算方式。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)特別注意鏡頭位置、圖像曝光、間隙分?jǐn)?shù)閾值、方位角和天頂角設(shè)置以及冠層上下PAR數(shù)據(jù)的獲取。

FG-2200植物冠層分析儀將半球圖像分析和24通道PAR傳感器測(cè)量結(jié)合，可同時(shí)獲取冠層結(jié)構(gòu)及光環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，為植物冠層葉面積指數(shù)及相關(guān)參數(shù)分析提供數(shù)據(jù)支持。