CN101330823A - 评价树体生长能力的方法、用于评价树体生长能力的拍摄装置及用于评价树体生长能力的程序 - Google Patents

Abstract

决定旋转半长圆球体模型作为表示树体的外形的模型，测量在距离主干规定距离的位置上配置光学树体构造测量装置而测量出的透过树叶的光的强度、和未透过树叶的光的强度，基于半长圆体模型，计算入射到树体的光所通过的光路长度，根据测量出的光的强度和光路长度来求树体总叶面积。替代光学树体构造测量装置而配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置，通过对由拍摄而取得的图像数据进行的运算处理，也能求得树体总叶面积。由此，对于孤立的或隔着间隔的树体，使用树冠构造测量装置或安装有鱼眼透镜的拍摄装置，利用非破坏的方法，不需要过多时间即可评价树体生长能力。

Description

评价树体生长能力的方法、用于评价树体生长能力的拍摄装置及用于评价树体生长能力的程序

技术领域

本发明涉及评价树体生长能力的方法、用于评价树体生长能力的拍摄装置及用于评价树体生长能力的程序。

背景技术

此前，人们对以非破坏形式来推定作为树体生长能力的指标之一的树体叶面积的方法进行了各种研究，作为其中之一，有使用光学树体构造测量装置来计量树叶的透过光从而推定树体总叶面积的方法。该方法是，在孤立的树体或具有间隔地存在多棵的树体下的位置配置光学树体构造测量装置，使用计量树叶的透过光而获得的数据来推定树体的总叶面积、评价树体生长能力。

作为光学树体构造测量装置，下述文献中公开了使用树冠分析仪(Plant Canopy Analyzer)(PCA：商品名)来推定树体叶面积的技术。

非专利文献1：中野敬之「プランキヤノピ一アナライザ一の茶樹への適用」(日本作物学会記事69(3)：419-423(2000))

非专利文献2：J.S.Broadhead et a1.“Comparison of method for leafarea in three rows”(Agricultural and Forest Meteorology 115：151-161(2003))

在非专利文献1中，在作为孤立群落的茶树树列的叶面积诊断中应用了树冠分析仪。测量时将传感器朝向树体中心部，安装用于限制方位方向(水平方位)的视野的开度90°的观测罩(view cap)，此外还安装了用于将天顶角方向的视野限制在0°至60°的视野限制用滤光器。在该方法中，在进行叶面积推定时，在假设一样的个体群的条件下进行计算，此外，在茶树的情况下，与丛生的叶相比，其树枝的存在量多，所以对叶面积指数评价过高，从而难以用于叶面积推定。

在非专利文献2中，在肯尼亚大草原上的树木(Crotonmegalocarpus，Melia volkensil)的树列的叶面积密度(单位体积的叶面积比率)的推定中应用了树冠分析仪，使用假设树列的截面为椭圆形而推定的光路长度，基于孤立树的测量方法计算叶面积密度。在该方法中，计算结果和实测的叶面积密度的相关度低，因此重新实测各个叶的倾斜角的天顶角分布，并利用基于上述天顶角分布的模型来提高计算结果和实测值之间的相关度。然而，为了追加新模型而测量各个叶的倾斜角，需要大量的人力和时间，所以不是很实用的方法。

作为有代表性使用的光学树体构造测量装置，有PCA(树冠分析仪：美国LI-COR公司制造的LAI-2000)，该装置如图1所示，构成为包括透镜系统、反射镜、滤光器以及检测器，上述透镜系统包括取入前端侧的入射角148°范围内的光的鱼眼透镜，检测器执行下述控制：将受光元件的硅配置成同心圆状，检测5个不同天顶角的光，并对利用检测器测量而获得的数据进行处理，向计算机转送数据。

PCA的测量对象，一般来说为半径方向的延展在个体群的高度z的3倍以上、且各方位的叶面积分布及高度大致相同的植物个体群，呈现如图2所示的截面形状。此时，在地表面上测量个体群的透过率时沿天顶角θ的光路长度S(θ)利用下式来推定。

S(θ)＝z/cosθ

但是，在是上式的假设不成立的孤立群落(孤立的1棵树，即孤立树等)时，一般来说，需要在树干的根部使传感器朝向群落外侧来测量透过光，并且需要根据测量地点实测沿天顶角θ的光路长度。因为孤立群落的形状及叶面积依方位的不同而不同，所以，需要进行4个方位左右的测量，其结果是，需要合计20个部位的长度测量(5个部位的光路长度×4个方位)。此外，由于使传感器朝向外侧，所以个体群中心部上方不是测量对象。并且，由于用该方法求得的是叶面积密度(树体单位体积的叶面积)，因此为了计算总叶面积，需要另外测量群落的体积。

本发明人针对柑橘树的33个树体，使用PCA计量了树体的透过光，并假设上述那样的不同方位的叶面积分布及高度大致一样的植物个体群来推定树体的叶面积。在该结果中，利用PCA得到的叶面积指数(单位面积的叶面积的比率)和树冠叶面积指数(将树冠投影到土地上而得到的面积的叶面积的比率)之间的关系如图3所示，与叶面积密度的高低无关且相关度低(r＝0.418)，呈分散状态。作为利用PCA得到的叶面积指数与树冠叶面积指数之间的相关度这样低的因素，可以认为是作为测量对象的柑橘树的树体，本来不是作为PCA的对象的高度均匀的树体群等。

对于此前使用光学树冠构造测量装置的树冠叶面积的推定方法来说，存在下述问题，即、不能应用于叶面积密度低的仅有老叶(越了冬的叶)的树体，很难进行计量，不能评价新叶(过冬后新展开的叶)和老叶的比率。此外，当对不是孤立的或具有间隔地存在且高度均匀的树体群的树体实施树冠叶面积的推定时，实施所需要的时间增多，并且作为测量结果而获得的叶面积指数和树冠叶面积指数之间的相关度低。因此，人们一直在寻求一种实施不需要很多时间、作为测量结果而获得的叶面积指数和树冠叶面积指数之间的相关度高的技术，此外还要减少所需的经费。

发明内容

本发明就是为解决上述问题而完成的，本发明的评价树体生长能力的方法，是对孤立存在的树体或隔开间隔地存在多个的各个树体，测量树体的透过光，由此评价树体生长能力的方法，由下述步骤构成：决定旋转半长圆球体模型，该旋转半长圆球体模型为以1棵树体的主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体；以入射光轴相对于水平面垂直朝向上方的方式，在离该主干规定距离的地面附近位置上配置光学树体构造测量装置，利用该光学树体构造测量装置来测量以成为测量对象的多个天顶角入射并透过树叶的光的强度；以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在来自天空的光未被遮挡的位置上配置光学树体构造测量装置，利用该光学树体构造测量装置来测量成为测量对象的上述多个天顶角下的未透过树叶的光的强度；根据以上述多个天顶角入射并透过树叶的光的强度、和未透过树叶的光的强度来求该多个天顶角下的空隙率；基于旋转半长圆球体模型，针对成为测量对象的上述多个天顶角，来计算入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度和树冠体积；根据上述多个天顶角下的空隙率、和与上述多个天顶角对应的光路长度来求与各天顶角对应的光的衰减量；以及根据该光的衰减量来求叶面积密度，并根据叶面积密度和上述树冠体积求树体总叶面积。

根据上述测量出的多个天顶角下的入射光的强度，利用下式(1)

[算式1]

来求该多个天顶角下的空隙率T(θ_i)，利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

来求叶面积密度(LAD)。

此外，作为对孤立存在的树体、或隔着间隔地存在多个的各个树体，通过测量树体的透过光来评价树体生长能力的方法，也可以由下述步骤构成：决定旋转半长圆球体模型，该旋转半长圆球体模型为以1棵树体的主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体；以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在离该主干规定距离的地面附近位置上配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置；利用上述拍摄装置来拍摄包含从成为测量对象的多个天顶角入射的入射光的视场角的图像；对由上述拍摄装置取得的图像数据进行运算处理，求得上述多个天顶角下的入射光的可见度；基于旋转半长圆球体模型，针对成为测量对象的上述多个天顶角来计算入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度以及树冠体积；根据从上述多个天顶角入射的入射光的可见度、和与上述多个天顶角对应的光路长度来求出与各天顶角对应的光的衰减量；根据该光的衰减量来求叶面积密度，并根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

关于上述拍摄装置拍摄的图像，利用下式(5)

[算式5]

求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

来求得叶面积密度(LAD)。

也可以使上述旋转半长圆球体模型为以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

本发明的用于评价树体生长能力的拍摄装置，具有鱼眼透镜、配置在该鱼眼透镜的成像位置上的拍摄元件、拍摄动作控制部、对由上述拍摄元件取得的图像数据进行运算处理的运算电路、以及输出该运算电路的运算结果的输出部，在对孤立存在的树体或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光时，上述运算电路进行下述运算处理：对于以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在离一棵树体的主干规定距离的地面附近位置配置上述拍摄装置进行拍摄而取得的图像，根据分别包含成为测量对象的多个天顶角的多个角度范围的图像部分中的图像数据，求在上述多个角度范围内的可见度；对于上述树体，基于决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体的旋转半长圆球体模型，针对上述多个天顶角，求入射光从旋转半长圆球体模型的旋转半长圆球体表面上的入射点至上述拍摄装置所通过的光路长度以及树冠体积；根据上述可见度和与上述多个天顶角对应的光路长度，求与包含各天顶角的角度范围对应的光的衰减量；根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

上述运算电路也可以进行以下运算处理：针对所取得的图像数据，利用式(5)

[算式5]

来求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

来求叶面积密度(LAD)。

也可以使上述旋转半长圆球体模型为以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

本发明的用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，在对孤立存在的树体、或隔着间隔地存在多个的各个树体测量该树体的透过光时，执行以下运算处理：根据两个光强度，即、以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在离1棵树体的主干规定距离的地面附近位置上配置光学树体构造测量装置进行测量而得到的以多个天顶角入射并透过叶的光的强度，和以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在来自天空的光未被遮挡的位置上配置光学树体构造测量装置进行测量而得到的上述多个天顶角下的未透过树叶的光的强度，求该多个天顶角下的空隙率；对于上述树体，针对基于决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体的旋转半长圆球体模型而求出的上述多个天顶角，根据入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度以及树冠体积，求与各天顶角对应的光的衰减量；根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

也可以根据上述所测量出的多个天顶角下的入射光的强度，利用下式(1)

[算式1]

来求该多个天顶角下的空隙率T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

来求得叶面积密度(LAD)。

此外，在对孤立存在的树体、或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光时，也可以进行下述运算处理：对于以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在离1棵树的主干规定距离的地面附近位置上配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置进行拍摄而取得的图像，根据分别包含成为测量对象的多个天顶角的多个角度范围的图像部分中的图像数据，求上述多个角度范围内的可见度；对于上述树体，基于决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体的半椭球体模型，针对上述多个天顶角，求入射光从旋转半长圆球体模型的旋转半长圆球体表面上的入射点至上述拍摄装置所通过的光路长度以及树冠体积；根据上述可见度和与上述多个天顶角对应的光路长度来求与包括各天顶角的角度范围对应的光的衰减量；根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

用于在计算机上执行技术方案11所记载的用于评价树体生长能力的运算处理的程序，其特征在于，对于针对包含从多个天顶角入射的入射光的视场角所取得的图像数据，利用下式(5)

[算式5]

来求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

来求得叶面积密度(LAD)。

也可以使上述旋转半长圆球体模型为以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

在本发明中，通过对孤立的、或隔着间隔的树体应用半长圆球体模型，使用光学树体构造测量装置测量树体的透过光，或者使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置来拍摄包含从成为测量对象的多个天顶角入射的入射光的视场角的图像，有下述效果：即使对叶面积密度低的树体或仅有老叶的树体也能恰当地评价树体总叶面积，并且不需要过多的时间和人力，叶面积指数和树冠叶面积指数之间的相关度高，从而能得到和实测情况等同的测量结果。此外，通过使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置，能减少用于执行测量的经费。

附图说明

图1是表示树冠构造测量装置的概略构成的图。

图2是表示成为测量对象的一般的树体群的截面形状的图。

图3是表示利用使用PCA的以往方法得到的叶面积指数和树冠面积指数之间的关系的曲线。

图4是对旋转半椭球体模型进行说明的图。

图5是对比表示使用PCA基于旋转半椭球体模型而得到的树体的叶面积密度、和实测得到的叶面积密度的曲线。

图6是表示使用PCA并使用旋转半椭球体模型而得到的树体总叶面积、和实测得到的树体总叶面积之间的关系的图。

图7是对比表示使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置并基于旋转半椭球体模型而得到的树体的叶面积密度、和实测得到的叶面积密度的曲线。

图8是表示使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置并使用旋转半椭球体模型而得到的树体总叶面积、和实测得到的叶总叶面积之间的关系的图。

图9是表示安装有鱼眼透镜的拍摄装置的概略构成的图。

符号说明

1：鱼眼透镜；2：拍摄元件；3：拍摄驱动电路；4：显示器；5：运算电路

具体实施方式

在本发明中，在针对不是高度均匀的树体群而是孤立或隔着间隔地存在的树体推定树体总叶面积时，对树体设定旋转半长圆球体模型，根据基于该模型、并使用光学树体构造测量单元或安装有鱼眼透镜的拍摄装置测量得到的数据，来求叶面积指数，由此评价树体生长力。因此，首先对使用旋转半长圆球体模型的树体生长力的评价进行说明。

(使用旋转半长圆球体模型的树体生长力的评价)

图4中，作为旋转半长圆球体模型的例子示出了旋转半椭球体模型。对于该模型可以考虑使用以下模型：设树体的截面形状为分别以树高和平均树冠半径作为长半径和短半径的向上凸的半椭圆，用以该半椭圆的长半径或短半径的一方为轴的旋转体表示树体。在图4中，设旋转半椭球体模型的树体的高度为h，设半径为a。h、a是基于各个树体而决定的量。S是入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至地表的测量点所通过的光路长度，因天顶角θ(垂直于地表面的方向与测量方向所成的角)的不同而不同。

在距离主干表面距离c的位置上，在地面附近配置光学树体构造测量装置，测量以成为测量对象的多个天顶角入射并透过树叶的光的强度，在来自天空的光未被遮挡的位置上配置光学树体构造测量装置，测量多个天顶角下的未通过树叶的光的强度，而求得多个天顶角下的空隙率，或者，在距离主干表面距离c的位置上，在地面附近配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置，进行包含成为测量对象的多个天顶角的视场角的拍摄，对所取得的图像数据进行运算处理，针对以成为测量对象的多个天顶角入射的光，求可见度。

(由光学树体构造测量装置进行的测量)

基于旋转半椭球体模型，并使用作为有代表性的光学树体构造测量装置的树冠分析仪(PCA)实际评价树体生长力，对于测量的有效性，对以柑橘树的树体为对象进行验证的例子进行说明。在柑橘树的情况下，主干的直径在10cm左右，距离主干表面的距离c为10cm(20～100cm)左右。设定c的值，以入射光轴朝向铅垂上方的方式，在距离主干表面的距离为c的地面附近配置PCA，计量了透过树叶的光的强度(群落下部的光强度)。此外，以入射光轴朝向铅垂上方的方式，在来自天空的光的未被遮挡的位置上配置PCA，测量了多个天顶角下的入射光的强度(群落上部的光强度)。作为来自天空的光未被遮挡的位置，可以设为与树体同等高度、或其以上的高度。对PCA来说，针对图4中不同的5个天顶角θ(θ₁、θ₂、...，θ₅)的方向，计量透过树叶的光的强度，在所使用的PCA中，天顶角θ分别为7°、22°、38°、52°、68°。

对于利用PCA的测量，由于在太阳直射光非常好的条件下会评价过低，所以最好在不会直接受到太阳光照射的散射光非常好的阴天、或晴天时在太阳高度低且直射光的影响小的早晨或傍晚来进行，以获得良好的测量结果。

在旋转半椭球体模型的情况下，针对各天顶角θ₁、θ₂、...，θ₅，分别求入射光自旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至测量点为止所通过的光路长度S(θ₁)～S(θ₅)。其中，配置了PCA的测量位置离开成为旋转半椭球体的轴的主干，所以光路长度依方位不同而不同。因此，需要事先规定哪个方位上的光路长度，在这里，设从PCA的位置朝向主干的根部的方位上的光路长度为S(θ₁)～S(θ₅)。对各光路，根据利用PCA计量出的透过树叶的光的强度(群落下部的光强度)以及未透过树叶的光的强度(群落上部的光强度)和光路长度S(θ_i)，可求出光量的衰减量。通过在使用旋转半椭球体模型而得到的叶面积密度(LAD)上，乘以同样根据半椭圆体模型的尺寸数据而计算出的树体体积(V)，可以计算出树体总叶面积(LA)。

首先，利用式(1)

[算式1]

求天顶角θ_i上的空隙率(透过率)T(θ_i)，利用这样求得的T(θ_i)和式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

(w(θ_i)是各天顶角的加权系数)来求叶面积密度(LAD)。然后基于旋转半椭球体模型，利用式(3)

[算式3]

$V=\frac{4\mathrm{\π}}{3}\frac{{R_m}^2\×H}{2}...\left(3\right)$

(R_m为平均树冠半径(m)、H为树高(m))来求树冠体积(V)。并根据式(2)和式(3)，利用式(4)

[算式4]

LA＝LAD×V    ...(4)

求总叶面积(LA)。

在本发明中，对橘柑树的树体19基于旋转半椭球体模型并利用PCA进行了测量。在离开主干根部距离c为60cm的地表位置上，朝向树体中心部配置PCA进行了测量。作为测量项目，进行自PCA朝向树体中心部的方位为4个方位的透过光的测量、和树体尺寸(4个方位的树冠尺寸和树高共5个部位)的测量。由于将树冠形状假想为具有对4个方位的树冠半径平均后的平均树冠半径的向上凸的旋转半椭球体，所以，通过上述5个部位的尺寸测量，可以推定树冠体积(V)和测量地点的各天顶角θ上的光路长度。

另一方面，为了进行对比，通过实测求出了树体的叶面积。这是对树体的叶的片数进行计数，计量采样选取出的几十片叶的面积，根据片数和面积来求得总叶面积。对使用上述PCA测量而得到的树体的叶面积密度(单位树体体积的叶面积：LAD)、和实测得到的叶面积密度进行对比，得到图5所示的结果。此时回归直线的斜率大致为1，另外还得到了相当高的相关度(r＝0.617)。

图6表示基于旋转半椭球体模型、使用PCA而得到的树体总叶面积和实测得到的树体总叶面积之间的关系。在该图中，只有树体极大的一点，偏离较远，而整体上，能得到非常高的相关度(r＝0.897)。

此外，作为本发明的实施例，作为旋转半椭球体，考虑了围绕中心轴旋转向上凸的半椭圆而得到的形状，不过，这是基于模型计算光路长度时的方法，旋转体的截面形状不只限于作为二次曲线的椭圆，也可以是能在光路计算中利用的其他曲线，旋转半长圆球体为旋转半椭球体，或者特殊情况下可以考虑包括半球体的更一般的旋转体形状，并可以根据树体的形态来适当地分开使用。

在以往的利用PCA进行的树冠叶面积指数的推定方法中，不适用于叶面积密度低的树体，此外，很难计量仅有老叶的树体，也很难评价新老叶比。这是在仅有老叶的树体因新叶展开而叶面积不断增加的过程中，叶面积密度和树体体积这两方面增加所导致的，不过，根据这一点也可以说，作为树体生长力的评价指标，本发明的使用旋转半长圆球体模型和PCA的总叶面积的推定方法非常有效。

此外，在使用PCA的以往的总叶面积的推定方法中，由于没有像本发明这样使用旋转半椭球体模型，所以需要测量20个部位的光路长度(5个部位的光路长度×4个方位)，由于要根据叶面积密度来计算总叶面积，所以需要另外测量群落的体积，测量需要很多时间和人力，此外，由于将PCA配置在主干根部并朝向外方，所以，因为树体中心部上方不是测量对象等原因，很难得到良好的测量结果。对此，在本发明的总叶面积的测量方法中，可以说消除了这些难点，并且和以往的方法相比，实施所需要的时间缩减到1/3以下。

(利用安装有鱼眼透镜的拍摄装置的测量)

通过基于旋转半椭球体模型，作为光学测量单元使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置(数字照相机)来进行测量，也能推定树体的总叶面积。在本发明中，作为旋转半长圆球体模型考虑图4所示的向上凸的旋转半椭球体模型，在距离主干表面的距离c为30cm的位置上，在地面附近位置，以镜头朝向铅垂上方的方式配置安装有视场角184度的全周鱼眼透镜的拍摄装置，通过拍摄来进行测量。拍摄时的天气、时间等条件和使用PCA的情况相同。

在拍摄装置中利用拍摄元件(CCD)来取得表示二维亮度分布的图像，将该图像取入个人计算机，进行图像解析，计算可见度，由此和PCA时同样地求出总叶面积。在PCA的系统中，利用配置在同心圆上的测光元件，对5个天顶角θ₁、θ₂、...、θ₅(7°、22°、38°、52°、68°)的方向，计量透过叶树叶的光的强度，但是在使用拍摄装置而得到的图像时，将图像中分布的亮度划分为包括树干和丛生的叶的树体部分、以及除此以外的部分(主要指天空)，并进行2值化，之后，针对分别以5个天顶角θ₁、θ₂、...、θ₅为中心设定的角度范围(0～14°、15～29°、30～44°、45～59°、60～74°)，对树体部分(黑)和天空部分(白)各自的像素数进行计数，并利用式(5)来求可见度T(θ_i)。

[算式5]

可见度是作为与使用光学树体构造测量装置时的空隙率同等的概念而规定的量。对拍摄全方位范围之中朝向主干部的中心角90°的扇形部分计算可见度。此外，根据该可见度T(θ_i)、和基于旋转半椭球体模型而求得的光路长度S(θ_i)，利用式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}...\left(2\right)$

(w(θ_i)是每个天顶角的加权系数，T(θ_i)是对应于天顶角的可见度)来求叶面积密度LAD，并基于旋转半椭球体模型，利用式(3)

[算式3]

$V=\frac{4\mathrm{\π}}{3}\frac{{R_m}^2\×H}{2}\text{...}\left(3\right)$

(R_m为平均树冠半径(m)，H是树高(m))来求树冠体积(V)，根据式(6)和式(3)，利用式(4)

[算式4]

LA＝LAD×V    ...(4)

来求取总叶面积(LA)。在计算叶面积密度时，去除图像内包含主干部较多的68°(60～74°)的值。

这样，根据由安装有鱼眼透镜的拍摄装置的拍摄而取得的图像数据，通过运算处理，可求得树体总叶面积。另一方面，对树体的叶的片数进行计数，计量采样选取出的几十片叶的面积，根据上述片数和面积来求得总叶面积，由此得到实测值。

对通过使用由安装有鱼眼透镜的拍摄装置得到的图像进行测量而得到的树体的叶面积密度(LAD)、和实测得到的叶面积密度进行对比，可得到图7所示的结果。此时，相关度比使用PCA的情况进一步提高(分别为R²＝0.553、0.472)，评价过低倾向由于使用了安装有鱼眼透镜的拍摄装置而变大。这被认为是由于在存在丛生的叶重叠的情况下对测量装置的影响程度不同的缘故，并且认为，对于利用安装有鱼眼透镜的拍摄装置而取得的图像而言，虽然丛生的叶多片重叠，但是只要不被拍摄到图像上就不会评价，与此相对，对PCA来说，由于测量透过光，所以，在某种程度下会对丛生的叶的重叠进行评价。

对基于旋转半椭球体模型并使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置进行测量而取得的树体总叶面积、与实测得到的树体总叶面积进行对比，可得到图8所示的结果。除了远离其他值的一点之外，在安装有鱼眼透镜的拍摄装置的情况下，也和PCA的情况同样地得到了高相关度(分别为R²＝0.764、0.790)。

使用安装有鱼眼透镜的拍摄装置时，测量所需要的经费也能比PCA时减少。此外，使用PCA时由于受光元件是与各天顶角对应的同心圆状，所以，测量结果有时会受到受光元件上的1点所接受的强光的影响，但是，数字照相机中的拍摄元件由于使用多个像素所接受的光的结果，所以可以说这种强光的影响很少。此外，在安装有鱼眼透镜的拍摄装置的情况下，作为旋转半椭球体模型，也可以将纵向的截面形状设为椭圆以外的形状，这一点和PCA的情况相同。

用于评价树体生长能力的安装有鱼眼透镜的拍摄装置，如图9所示，在包括拍摄光学系统的鱼眼透镜1、拍摄元件(CCD)2、拍摄驱动电路3以及显示器4的拍摄装置的构成的基础上，还包括运算电路5，该运算电路5用于求针对多个天顶角的可见度、以及求叶面积密度和树体总叶面积的运算处理。运算电路5既可以采用在拍摄装置主体内内置IC芯片的方式，也可以采用通过拍摄装置的I/O端子6进行连接的单元的方式。此外，还可以使这种内置型或外部连接单元型的运算电路具有输入运算所需要的参数(树体的高度、平均树冠半径等)的输入单元。

由此，在安装有鱼眼透镜的拍摄装置不是具有运算电路的方式的情况下，使用存储有拍摄装置所取得的图像的存储卡，由个人计算机进行用于评价树体生长能力的运算，或者从拍摄装置的I/O端子通过线缆向个人计算机转送图像数据，由个人计算机进行用于评价树体生长能力的运算。本发明的特征在于，也可以作为用于进行像这样根据由拍摄装置取得的图像数据，基于旋转半椭球体模型来求取叶面积密度、树体总叶面积的运算处理的程序。

Claims (13)

1.一种评价树体生长能力的方法，通过对孤立存在的树体或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光，来评价树体的生长能力，其特征在于，包括下述步骤：

决定旋转半长圆球体模型，该旋转半长圆球体模型是以1棵树体的主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体；

以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在离该主干规定距离的地面附近位置上配置光学树体构造测量装置，利用该光学树体构造测量装置来测量以成为测量对象的多个天顶角入射并透过树叶的光的强度；

以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在来自天空的光未被遮挡的位置上配置光学树体构造测量装置，利用该光学树体构造测量装置来测量成为测量对象的上述多个天顶角下的未透过树叶的光的强度；

根据以上述多个天顶角入射并透过树叶的光的强度、和未透过树叶的光的强度，来求该多个天顶角下的空隙率；

基于旋转半长圆球体模型，针对成为测量对象的上述多个天顶角，来计算入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度和树冠体积；

根据上述多个天顶角下的空隙率、和与上述多个天顶角对应的光路长度，求与各天顶角对应的光的衰减量；以及

根据该光的衰减量来求叶面积密度，并根据该叶面积密度和上述树冠体积求树体总叶面积。

2.根据权利要求1所述的评价树体生长能力的方法，其特征在于，

根据上述测量出的多个天顶角下的入射光的强度，利用下式(1)

[算式1]

来求该多个天顶角下的空隙率T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\·\·\·\left(2\right)$

来求叶面积密度LAD。

3.一种评价树体生长能力的方法，通过对孤立存在的树体或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光，来评价树体的生长能力，其特征在于，包括下述步骤：

决定旋转半长圆球体模型，该旋转半长圆球体模型是以1棵树体的主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体；

以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在离该主干规定距离的地面附近位置上，配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置；

利用上述拍摄装置来拍摄包含入射光的视场角的图像，该入射光是从成为测量对象的多个天顶角入射的；

对由上述拍摄装置取得的图像数据进行运算处理，求上述多个天顶角下的入射光的可见度；

基于旋转半长圆球体模型，针对成为测量对象的上述多个天顶角，来计算入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度以及树冠体积；

根据从上述多个天顶角入射的入射光的可见度、和与上述多个天顶角对应的光路长度，求与各天顶角对应的光的衰减量；以及

根据该光的衰减量来求叶面积密度，并根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

4.根据权利要求3所述的评价树体生长能力的方法，其特征在于，

对于由上述拍摄装置拍摄的图像，利用下式(5)

[算式5]

求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\·\·\·\left(2\right)$

来求叶面积密度LAD。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的评价树体生长能力的方法，其特征在于，

使上述旋转半长圆球体模型为：以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

6.一种用于评价树体生长能力的拍摄装置，具有鱼眼透镜、配置在该鱼眼透镜的成像位置上的拍摄元件、拍摄动作控制部、对由上述拍摄元件取得的图像数据进行运算处理的运算电路、以及输出该运算电路的运算结果的输出部，其特征在于，

在对孤立存在的树体或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光时，上述运算电路进行下述运算处理：

对于以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式，在离1棵树体的主干规定距离的地面附近位置上配置上述拍摄装置进行拍摄而取得的图像，根据多个角度范围的图像部分中的图像数据，求上述多个角度范围内的可见度，该多个角度范围分别包含成为测量对象的多个天顶角；

对于上述树体，基于被决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体的旋转半长圆球体模型，针对上述多个天顶角，求入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述拍摄装置所通过的光路长度以及树冠体积；

根据上述可见度和与上述多个天顶角对应的光路长度，求与包含各天顶角的角度范围对应的光的衰减量；以及

根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

7.根据权利要求6所述的用于评价树体生长能力的拍摄装置，其特征在于，

上述运算电路对所取得的图像数据进行以下运算处理：利用式(5)

[算式5]

来求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\·\·\·\left(2\right)$

来求叶面积密度LAD。

8.根据权利要求6或7所述的用于评价树体生长能力的拍摄装置，其特征在于，

使上述旋转半长圆球体模型为：以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

9.一种用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，在对孤立存在的树体、或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光时，进行下述运算处理：

根据两个光的强度，即、以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在离1棵树体的主干规定距离的地面附近位置上配置光学树体构造测量装置而测量出的以多个天顶角入射并透过树叶的光的强度，和以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在来自天空的光未被遮挡的位置上配置光学树体构造测量装置而测量出的上述多个天顶角下的未透过树叶的光的强度，求该多个天顶角下的空隙率；

对于上述树体，基于被决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体的旋转半长圆球体模型，来求出上述多个天顶角，并针对该多个天顶角，根据入射光从旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述光学树体构造测量装置所通过的光路长度以及树冠体积，求与各天顶角对应的光的衰减量；以及

根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

10.根据权利要求9所述的用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，其特征在于，

根据上述测量出的多个天顶角下的入射光的强度，利用下式(1)

[算式1]

来求该多个天顶角下的空隙率T(θ_i)，并利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\·\·\·\left(2\right)$

来求叶面积密度LAD。

11.一种用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，在对孤立存在的树体、或隔着间隔地存在多个的各个树体测量树体的透过光时，执行下述运算处理：

对于以入射光轴相对于水平面垂直向上的方式、在离1棵树的主干规定距离的地面附近位置上配置安装有鱼眼透镜的拍摄装置进行拍摄而取得的图像，根据多个角度范围的图像部分中的图像数据，求上述多个角度范围内的可见度，该多个角度范围分别包含成为测量对象的多个天顶角；

对于上述树体，基于被决定为以其主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半长圆球体的旋转半长圆球体模型，针对上述多个天顶角，求入射光自旋转半椭球体模型的旋转半椭球体表面上的入射点至上述拍摄装置所通过的光路长度以及树冠体积；

根据上述可见度和与上述多个天顶角对应的光路长度，求与包含各天顶角的角度范围对应的光的衰减量；以及

根据该光的衰减量来求叶面积密度，根据该叶面积密度和上述树冠体积来求树体总叶面积。

12.根据权利要求11所述的用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，其特征在于，

对于针对包含从多个天顶角入射的入射光的视场角所取得的图像数据，利用下式(5)

[算式5]

来求针对上述多个天顶角下的入射光的可见度T(θ_i)，利用下式(2)

[算式2]

$\mathrm{LAD}=-2\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\ln \left(T\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right)w\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{S\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\·\·\·\left(2\right)$

来求得叶面积密度LAD。

13.根据权利要求9至12任意一项所述的用于在计算机上执行评价树体生长能力用的运算处理的程序，其特征在于，

使上述旋转半长圆球体模型为：以主干为轴、分别以树高和平均树冠半径为两个半径的向上凸的旋转半椭球体模型。

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