LAI-2000植物冠层分析仪安装(基因公司版本)
实验六 植物冠层分析仪测量原理与使用方法
实验六植物冠层分析仪测量原理与使用方法【实验目的】通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器——植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。
【实验原理】叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。
叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。
由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。
LAI是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。
LAI值变化范围：针叶林的为0.6～16.9；落叶林为6～8；年收获的作物为2～4；绝大部分生物群系为3～19。
LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法。
直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。
其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。
因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。
间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。
间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层LAI的季节变化。
冠层分析仪--叶面积指数(LAI)自动测量仪器汇总
冠层分析仪叶面积指数（LAI）自动测量仪器I SmartLAI Smart系统充分利用当前成熟的智能终端设备的成像与高性能计算功能，实现植被叶面积指数实时计算；并且提供操作与数据处理选择，方便根据实际情况进行测量设置。
LAI Smart由硬件和软件组成，其中硬件包括信息采集智能终端、用户操作控制台与仪器支架；软件包括信息采集软件模块、无线传输控制模块以及实时计算存储模块。
LAI Smart具有数据实时计算功能，用户可以即时看到数据处理结果，同时，LAI Smart支持数据无线传输，在有手机网络信号的情况下，数据可以根据用户的设置，远程传输到远端服务器，在保证测量数据安全的情况下，提供了数据实时共享的可能性。
I-Net植物联网观测矩阵——LAI Net是由多个Zigbee无线传感器网络节点组成，通过在研究区部署多个观测节点，形成一种密集的观测矩阵，能够实现长时间序列的大范围内的叶面积指数自动测量。
出发点传统的植被冠层分析系统均是依靠人工手持式的进入观测场地进行测量，这种传统的方式比较适合小范围内的较低时间频次的测量。
当需要进行大的空间范围、较高的时间频次的观测的时候，传统的方式需要消耗大量的人力和物力，且未必能够获取到满足要求的地面观测数据。
例如，在对遥感卫星获取的地面植被叶面积指数验证的时候，为了获取与卫星对应的空间范围与时间范围的数据，传统的依靠单点的观测方法，会显得力不从心。
系统组成利用当前应用较为广泛的无线传感器网络（物联网）技术，开发的一种植被联网观测矩阵，简称LAI Net。
LAI Net是由部署在植被研究区的一系列无线传感器节点组成，各个节点一方面能够实现独立的观测，另一方面又可以通过ZigBee 网络自动组网，因此，在整个研究区域之内，形成一个自组网的植被冠层观测矩阵，网络的部署结构如图所示。
LAI Net由三类传感器节点组成，分别为：（1）冠层上节点，用来接收太阳的下行总辐射；（2）冠层下节点，用来接收植被冠层的透过辐射；（3）数据汇聚节点，用来接收并无线发射上述两类节点的测量数据。
LAI2000
一原理简介植被冠层叶片的数量可通过测量光线透过冠层时被削弱的程度推导出来。
从不同的天顶角角度来测量这种削弱，也可得到叶片倾斜的情况。
LAI-2000同时测量5个角度上天空漫射线的削弱。
LAI-2050光学探头将近半球的景象提供给位于同心环上的5个探测器上。
这样，如果探头水平朝向天空，探测器1将测量正上方的亮度，探测器5将测量中心为天顶角68°弧度为13°的亮度（与地平线角度为22°）。
LAI-2000测量得到的数据至少10个：探头位于冠层上方时的5个数值，和探头位于冠层下方时的5个数值。
在这两次测量中，探头始终指向天空。
冠层透射率的5个值是由这些对应读数两两相除得来的，例如，如果探测器1在冠层上的读数为50（单位不重要），冠层下的读数为5，那么在这个角度上（中心角度为7°）的透射率为5/50=0.10。
据这5个天顶角的透射率，LAI-2000可计算出叶片数量（叶面积指数，LAI）和叶片倾斜度（平均叶片倾斜角度，MTA）。
实践中，常取多个冠层下数值来进行空间平均。
二操作方式===LAI-2000需要冠层上下的测量值来进行计算，可通过三种方式来完成。
●一个探头方式：冠层上读数（A）和冠层下读数（B）均用一个探头测得，这种方式适于矮冠层，方便将探头置于冠层上。
这种测量以A读数开始，当B读数记录后，仪器会以最近的A值来计算透射率。
如果天空条件稳定，一组A值可应用于几组B值。
如果天空条件变化迅速，则应在每组B值前迅速测量一组新的A值。
●两个探头方式：两个探头都接在主机上，一个位于冠层上，一个位于冠层下，同时记录两组值，并计算出透射率。
应注意若将两个探头置于同一条件下时应有相同的读数，主机中有校正程序，测量前应进行自我校正。
这种方式适于高大冠层，同时也解决了天空条件变化迅速的情况。
●遥感方式：一个探头和主机自动测量A值（如每15秒），另一个探头和主机手动测量B值，同两探头方式一样要进行校正。
LAI-2200C植物冠层分析仪DQR
Who’s Minding the Planet?
孤立木测量3---孤树测量
孤树测量由于冠层的形状是不均匀的，Vector路径长需要您来指定，见 下图所示提供坐标值，即可以利用重计算软件进行修改了。
Who’s Minding the Planet?
针叶树测量的考虑
由于针叶树种叶片的排列是高度有序的，这违背了LAI-2200的测量基本 假设。因此，根据辐射模型，测量可能存在LAI的低估现象。LAI-2200测量 的实际上是“Shoot面积指数”，而不是“Needle area index”。建议在LAI 的基础上乘以系数R来修正。
仪器组成
Who’s Minding the Planet?
Who’s Minding the Planet?
2250光学探头构造图
Who’s Minding the Planet?
7°：0°--13° 38°：32°--44° 68°：62°--74°
23°：16°--29° 53°：46°--59°
测量参数
测量叶面积指数（LAI） 计算叶面积标准误（SEL） 测量无截取散射（DIFN） 测量平均叶倾角（MTA） 计算平均倾角标准误（SEM） 表观聚类因子（ACF） GPS数据（latitude/longtitude/altitude）
叶面积指数（LAI）
LAI回答“有多少叶片”，尽管LAI字面上是 指“叶面积指数”，但LAI-2200是测量所有挡光 的物体。LAI没有单位，可认为是叶面积/地面积。
使用180度或更小视野的遮盖帽（遮挡树干），传感器紧贴树干。下图 右显示了两种方法，但是要注意的是如果采用方法2的话，那么您需要利用 重计算程序把看不到叶片的第5环蒙蔽掉。
如果附近有其他的树，那么您应该使用视野更小的遮盖帽以避免这种误 差（见下图左）。但是要注意的是您需要根据视野的大小来确定B阅对称的，那么您应该采用不同的 文件来进行测量并做平均，见下图中。
LAI2000使用说明
一、仪器基本构成：分为传感器、处理器两部分；传感器采集器二、传感器和处理器连接注意采集器顶部的插口，只需将传感器串口和采集器顶部左上串口相连即可，并锁紧螺丝。
用如图指出的端口与传感器串口相连三、开机、关机、按键（1）开机、关机只需按采集器部分相应按键即可；开机：按ON键；关机：按FCT+0+9键；开机 关机（按图所示顺序按键）（2）基本按键 某些操作，如记录观测地点、观测对象等参数时需要输入字母或数字，配合采集器的按键完成录入。
数字键：只需直接按采集器相应的数字按键即可； 字母：由于字母分布在某些按键的不同位置，因此需要配合上下键进行操作；（如，需要输入AK ，则需要一次按↑SETUP ↓FCT 操作即可，如下图）；输入字母四、基本设置1.检查监视模式14注：可以通过F1方便我们找出下一个文件的号码，方便记录和操作2.调整执行列表注：此项内容已经无需在进行调整3.设置操作模式这里的op mode采用1次观测上方观测，6次冠层下方观测的方法进行观测；只需更改set prompts选项；4.文件的基本操作使用FILE，可以显示文件操作菜单，显示如下：20 **Files21 Memory Status22 Delete23 Renumber24 Clear Ram25 Edit26 Recompute27 View2829 Off这里，有必要说明的是21、22和27项；Memory Status 用↑键即可是21显示在采集器屏幕中第一行，按下ENTER后，屏幕会显示采集器已经观测文件条数，以及剩余的内存百分比和内存大小。
当内存容量进行90%时要考虑导出必要文件做好备份，并删除文件以释放内存。
Delete 同样用↑键使得22显示在采集器屏幕第一行，按下ENTER后；屏幕会指示输入需要删除的文件起止号，如From：87，THRU：90即删除87~90条观测文件，为form87，thru87则删除第87条观测文件。
LAI——SUNSCAN(冠层分析仪)使用介绍知识分享
LAI & Sunscan
How does it work ?
计算公式如下：
f e f e • (1 ) K(x , )[1gdir •(1a )L] b
La b
A x L e ( ) 3 B(x )LCa(x ) a
《SPAC课程》研究性学习
LAI & Sunscan
What is Sunscan ?
Sunscan =
SS1 Sunscan探头
掌上电脑
BF3漫反射传感器
《SPAC课程》研究性学习
LAI & Sunscan
What can Sunscan do for us ?
Sunscan(植物冠层分析仪)是一台通过菜 单操作的线性光合有效辐射测量仪，用于测 量作物生长的限制因素的有价值的信息。
地面检测
接触法
典型仪器--Sunscan 非接触法
地面检测间接非接触法主
要使用基于冠层内光透射的 光学模型方法。
光学模型方法应用基于冠 层组分随机分布假设的比尔朗伯定律( Beer-Lambert-law ) 指数递减模型以及基于叶角 分布函数的光分布模型。
考虑了冠层辐射的截取与
入射光的成分、光属性和冠 层结构的关系, 使用光量子传 感器、电容传感器和激光传 感器等传感器测量到地面的 辐射( 直射、散射和总辐射) 。
基本功能：1、测量植物冠层中光线的 拦截情况，即快速实时测量有效光合辐2、计算冠层的叶面积指数LAI值。
注：PAR(光合有效辐射)——太阳辐射中能被绿色植物用来进行光 合作用的那部分能量成为光合有效辐射，photosynthetically active radiation 的缩写。
叶片总面积 即：LAI = 土地面积
LAI-2000植物冠层分析仪安装基因公司版本
欧洲冷杉、红松、白松和挪威云杉的系数R分别是1.49、1.5、1.67 和1.6。这种系数处理后在LAI的直接测量和间接测量之间的相关系数达到了 0.96。
也有研究报道在去掉了第5环的数据后，测量误差大大减小了，但是 还没有得到厂家的证明。
农作物或人工林的测量 具体的测量方法是如下图所示进行实验设计以尽可能对B阅读进行平均。如 果行距过大，则应该减小视野范围来降低误差。
4 遮盖帽的用途？ 1. 从传感器的视野中去除太阳； 2. 从视野中去除操作者的影响； 3. 天空的亮度不均匀； 4. 冠层内有明显的空隙； 5. 减小对测量样地尺寸的需要； 6. 减小了森林内必须的空地尺寸。
5 光线的需求 直射的阳光：应尽可能避免直射的阳光，尽量在日出日落时或多云的天气进
行测量，如果避免不了，那么需要注意： 1. 使用270度的遮盖帽或更小的视野遮盖帽； 2. 背对阳光进行测量，遮挡住日光和操作者本身； 3. 对植物冠层进行遮阴处理；
如果附近有其他的树，那么您应该使用视野更小的遮盖帽以避免这 种误差（见下图左）。但是要注意的是您需要根据视野的大小来确定B阅读 的数量以覆盖整个树冠。如果您测量的树冠是不对称的，那么您应该采用不 同的文件来进行测量并做平均，见下图中。
孤立木测量3---孤树测量 孤树测量由于冠层的形状是不均匀的，Vector路径长需要您来指定，
值与环带上被天空照亮部分成比例的。
假设条件
叶片不透光，且无反射； 叶片排列是随机的；
叶片面积相对每环的观测范围是很小的； 叶片的位置分布是随机的。
1 叶片不透光且无反射
假设冠层下的读值不包括任何叶 片反射或透射的光线。LAI-2050探头有一 个光滤器，过滤了波长大于490nm的光线。 因为在低于490nm区域的光线受叶片反射及 散射作用最小。这使得叶簇在天空背景下 是黑色的，从而满足了前题假设。
LAI-2000简易操作指南
LAI-2000简易操作指南LAI回答“有多少叶片”，尽管LAI字面上是指“叶面积指数”，但LAI-2000是测量所有挡光的物体。
LAI没有单位，可认为是叶面积/地面积。
MTA回答“叶片倾斜如何”。
如果所有叶片都是水平的，那么MTA就是0°；若都是垂直的，则为90°。
一般MTA处于30°（水平叶片占优势）~60°（垂直叶片占优势）之间。
结合空隙部分（GAPS）计算出DIFN，以表示未被叶片遮挡的天空部分。
此值范围在0（全叶片）~1（无叶片）之间。
DIFNS大体可看作是冠层结构的一个代表值，它将LAI和MTA结合为一个值。
1.连接一个传感器于X口或Y口上；2.FCT05确认时间和日期准确：准确的时间是必要的。
3.检查监视模式使用BREAK 键同ON 键首先显示的是时间使用和键选择查看上面一行的信息4.OPER 12 Set Prompts 这是一个附加信息设置告诉我们所采集资料的种类和位置按下ENTER 键提示输入所测的植物的种类例如输入GRASS 再按下ENTER 键输入位置例如PLOT55.FCT11设置操作模式为1 Sensor X(或1 Sensor Y)。
设置Seq=（冠层上下数据的测量顺序，例如“↑↑↓↓↓↓↓”）和Reps=（重复次数，如果输入0的话，则手动控制冠层测量的上或下，用• 来控制。
）6.以上确认后即启动测量程序，如果Seq输入0的话，则需要按log键才可以启动。
在连续两次输入标记后，即可开始测量。
7.在按钮按下后，听到两次提示音即表示一次数据记录完成。
8.按下FILE 键或者使用FCT 27 都可以进行测量结果观察9.需要多少B资料？1) 利用6 个B 资料来决定一个LAI 保证包含树冠的最稀疏的和最浓密的部分2) 计算SEL/LAI 叶面积指数的标准差。
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假设条件
叶片不透光，且无反射；
叶片排列是随机的； 叶片面积相对每环的观测范围是很小的；
叶片的位置分布是随机的。
Who’s Minding the Planet?
1 叶片不透光且无反射
假设冠层下的读值不包括任何叶片反
射或透射的光线。LAI-2050探头有一个光
滤器，过滤了波长大于490nm的光线。因
射到光电感应器上。使用具
有“鱼眼”视野的透镜能保 证了用于计算LAI的冠层样
本尽可能大。
LAI-2050光学感应器
感应器是专门为LAI-2000设计的，被
分为五个同心圆。当光线折射到感应器上 时，每一个感应器所检测的角度范围都不
同。感应器所检测的光线是经过过滤的，
只对波长小于490nm的光线响应——因 为在这个范围里的光线受叶片的反射及折 射最小。滤光片使得叶簇相对其光亮的天 空背景，表现为黑色。每一个感应器的输 出值与环带上被天空照亮部分成比例的。
量以覆盖整个树冠。如果您测量的树冠是不对称的，那么您应该采用不同的
对简单地测量出光线穿透情况，并对冠层结构作出精确的估计。
LAI-2000特点
快速直接测量叶面积指数；
不受光线条件限制，能在不同光照下进行测量；
测量时不需太阳直射光线照射； LAI-2000可能测量不同大小的冠层，细至小草，大至森林 仪器轻便易携，便于野外使用； 低能耗，可以在野外长时间使用；
可以连接多种辐射感应器，能同时测量PAR等；
平均叶倾角（MTA）
MTA回答“叶片倾斜如何”。如果所有叶 片都是水平的，那么MTA就是0°；若都是垂直 的，则为90°。一般MTA处于30°（水平叶片
占优势）~60°（垂直叶片占优势）之间。
无截取散射（DIFN）
结合空隙部分（GAPS）计算出DIFN，以表示未被叶片遮 挡的天空部分。此值范围在0（全叶片）~1（无叶片）之间。 DIFNS大体可看作是冠层结构的一个代表值，它将LAI和MTA 结合为一个值。
Who’s Minding the Planet?
孤立木测量1
叶面积指数是指单位土地面积上的叶片面积，但是用于孤立木测 量时存在很大的问题。因为这时的叶片数量取决于它的位置（见下图 右）。我们通过冠层的垂直投影面积来表达LAI。因此，如果不给定土 地面积的话，无法实现LAI的准确测量。更准确地表达的概念可以定义 为叶片密度，即叶片面积/冠层体积，m-1。
仪器组成
Who’s Minding the Planet?
Who’s Minding the Planet?
2050光学探头构造图
Who’s Minding the Planet?
LAI-2050光学感应器
LAI-2000的心脏就是匠 心设计的LAI-2050光学感应 器。LAI-2050使用一个“鱼 眼”镜头（天顶角为74度）， 将半球视野范围内的光线折
测量参数
测量叶面积指数（LAI） 计算叶面积标准误（SEL） 测量无截取散射（DIFN）
测量平均叶倾角（MTA）
计算平均倾角标准误（SEM）
叶面积指数（LAI）
LAI回答“有多少叶片”，尽管LAI字面上是
指“叶面积指数”，但LAI-2000是测量所有挡光
的物体。 LAI 没有单位，可认为是叶面积 / 地面积。
Who’s Minding the Planet?
孤立木测量2---灌木测量
对于半球形的灌木，我们可以首先指定Vector（Fct 06,选择Edit，设置5
个环的值都为一个固定的半径，例如0.7米），然后再进行实际测量。
Who’s Minding the Planet? 孤立木测量3---孤树测量
较它们的相对差别或以直接测量来校正仪器。
LAI在科学研究上的应用
冠层产量 森林活力 大气污染沉降模型 昆虫侵害研究
遥感技术
Who’s Minding the Planet?
实验设计与注意事项
Who’s Minding the Planet?
实验设计
1. 孤立木测量 2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ针叶树测量
3. 农作物测量 4. 森林测量
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为什么要测量叶面积指数？
冠层结构——叶片的数量及其分布情况，是研究冠层中光线穿透
情况，冠层生产力，冠层下土壤水分蒸发、蒸腾损失总量，冠层截留，
及土壤温度的基础因子。同时对于不同尺度上的生态系统过程、系统 之间的物流和能流的研究均是非常重要的。 然而直接测量植物冠层结构是十分困难，手工测量只限于小冠层； 对于象森林那样大的冠层，几乎是不可能的。然而光线传播模型能相
使用180度或更小视野的遮盖帽（遮挡树干），传感器紧贴树干。下图 右显示了两种方法，但是要注意的是如果采用方法2的话，那么您需要利用
重计算程序把看不到叶片的第5环蒙蔽掉。
如果附近有其他的树，那么您应该使用视野更小的遮盖帽以避免这种误 差（见下图左）。但是要注意的是您需要根据视野的大小来确定B阅读的数
为在低于490nm区域的光线受叶片反射及
散射作用最小。这使得叶簇在天空背景下
是黑色的，从而满足了前题假设。
2 叶片排列是随机的
不同的冠层有不同的形状，可能是 条状（条播作物）、椭圆体（单一植 株）、巨大的正方体（草地）或者是有 孔的大正方体（充满林隙的落叶林）。 在这些不同形状的空间中叶片分布是随 机的。
方位随机的假设。但是这种假设实际上并不是非常重要。许多冠
层可视为是随机分布的，而叶片确实对低于490nm的光线有相对 低的反射和透射率。误差相互抵销是经常发生的，如当叶片丛生
于枝条时（增加透射率），却又尽量排列地不相互遮挡（减少透
射率）。 还有与理想状态偏离很大的情况，如针叶树叶片有很强的组织
性。在这些情况下，LAI的绝对误差会很大，唯一的解决办法是比
3 叶片大小相对每一环的 观测范围是很小的
在说明书附录量化了这种关系，也 可大概估测：即探头与最近叶片的距离 应至少为叶片宽度的4倍。
4 叶片位置分布是随机的
不管叶片如何倾斜，只要所有叶 片不是朝向同一角度即可。用广视角 进行测量时这种假设基本是得到满足 的。
对假设模型的说明
没有任何一种冠层完全符合这些假设。叶片不是随机排列的， 而是在茎或枝条上丛生。许多植物都表现出向日性，这也减少了