Hemisfærisk fotografering - Hemispherical photography

Hemisfærisk fotografi som ble brukt til å studere mikroklima av naturtype på vinteren ved Monarch Butterfly Biosphere Reserve , Mexico.

Hemisfærisk fotografering , også kjent som fisheye- eller kalesjefotografering , er en teknikk for å estimere solstråling og karakterisere plantes canopy geometri ved bruk av fotografier tatt oppover gjennom en ekstrem vidvinkellins (Rich 1990). Visningsvinkelen nærmer seg eller tilsvarer 180 grader, slik at alle himmelretninger samtidig er synlige. De resulterende fotografiene registrerer geometrien til synlig himmel, eller omvendt geometrien for himmelhindring av plantehyller eller andre funksjoner nær bakken. Denne geometrien kan måles nøyaktig og brukes til å beregne solstråling overført gjennom (eller oppfanget av) plantes kalesjer, samt for å estimere aspekter ved kalesjestruktur som bladarealindeks . Detaljerte behandlinger av felt- og analytisk metodikk er gitt av Paul Rich (1989, 1990) og Robert Pearcy (1989).

Hemisfærisk fotograferingshistorie

Den halvkuleformede linsen (også kjent som en fiskeøye eller helhimmellinsen) ble opprinnelig designet av Robin Hill (1924) for å se hele himmelen for meteorologiske studier av skyformasjon. Skogbrukere og økologer ble unnfanget av å bruke fotografiske teknikker for å studere lysmiljøet i skoger ved å undersøke kalesjenes geometri. Spesielt estimerte Evans og Coombe (1959) sollysinntrenging gjennom skogens baldakinåpninger ved å legge over diagrammer over solsporet på halvkuleformede fotografier. Senere ga Margaret Anderson (1964, 1971) en grundig teoretisk behandling for å beregne overføring av direkte og diffuse komponenter av solstråling gjennom kalesjeåpninger ved bruk av halvkuleformede fotografier. På den tiden krevde den halvkuleformede fotoanalysen kjedelig manuell poengsum av overlegg av himmelkvadranter og solsporet. Med bruk av personlige datamaskiner utviklet forskere digitale teknikker for rask analyse av halvkuleformede fotografier (Chazdon og Field 1987, Rich 1988, 1989, 1990, Becker et al. 1989). De siste årene har forskere begynt å bruke digitale kameraer til fordel for filmkameraer, og algoritmer utvikles for automatisert bildeklassifisering og analyse. Ulike kommersielle programmer har blitt tilgjengelige for halvkulefotografisk analyse, og teknikken har blitt brukt til forskjellige bruksområder innen økologi , meteorologi , skogbruk og jordbruk .

Bruksområder for halvkulefotografi

Hemisfærisk fotografering har blitt brukt med suksess i et bredt spekter av applikasjoner som involverer mikrosittkarakterisering og estimering av solstrålingen nær bakken og under plantetaket. For eksempel har halvkulefotografering blitt brukt til å karakterisere vinterhageplasser for monark sommerfugler (Weiss et al. 1991), effekter av skogkanter (Galo et al. 1991), påvirkning av skogens trefallshull på trefornyelse (Rich et al. 1993) ), romlig og tidsmessig variasjon av lys i tropisk regnskogundersøkelse (Clark et al. 1996), virkninger av orkaner på skogøkologi (Bellingham et al. 1996), bladarealindeks for validering av fjernmåling (Chen et al. 1997), baldakinarkitektur av boreale skoger (Fournier et al. 1997), lette omgivelser i gamle vekst tempererte regnskoger (Weiss 2000), og forvaltning av vingårds-trelliser for å lage bedre vin (Weiss et al. 2003).

Hemisfærisk fotografi med solvegsoverlegg fra en lukket kalesje rekkevidde av San Francisquito Creek, San Francisco Peninsula, California, brukt til studier av ørrethabitat av stålhode.

Hemisfærisk fotografi fra et åpent kalesjeområde i San Francisquito Creek. Overlegg av solstien muliggjør beregning av soleksponering når den påvirker vanntemperaturen.

Teorien om halvkulefotografi

Beregninger av solstråling

Direkte og diffuse komponenter av solstråling beregnes separat (se jordas strålingsbalanse ). Direkte stråling beregnes som summen av all direkte (solstråle) stråling som stammer fra synlige (ikke-skjulte) himmelretninger langs solstien. Tilsvarende beregnes diffus solstråling som summen av all diffus stråling (spredt fra atmosfæren) som stammer fra alle synlige (ikke-skjulte) himmelretninger (se diffus himmelstråling ). Summen av direkte og diffuse komponenter gir global stråling.

Disse beregningene krever teoretisk eller empirisk fordeling av direkte og diffus stråling i det fri, uten kalesje eller annen himmelhindring. Vanligvis utføres beregninger for enten fotosyntetisk aktiv stråling (400-700 nanometer) eller isolering integrert over alle bølgelengder, målt i kilowattimer per kvadratmeter (kW h / m ² ).

Den grunnleggende forutsetningen er at mest solstråling stammer fra synlige (ubeskjente) himmelretninger, en sterk førsteordenseffekt, og at reflektert stråling fra kalesjen eller andre nærjordiske trekk (ikke synlige eller skjulte himmelretninger) er ubetydelig, en liten annenordens effekt. En annen antagelse er at geometrien til synlig (ikke-skjult) himmel ikke endres i løpet av perioden beregningene blir utført for.

Beregninger av baldakin

Baldakinindekser, som for eksempel bladarealindeks (LAI), er basert på beregning av spaltefraksjon, andelen av synlig (ikke-skjult) himmel som en funksjon av himmelretning. Bladearealindeksen blir typisk beregnet som bladarealet per bakkeområdet for enhetenheten som ville gi den observerte spaltefraksjonsfordelingen, gitt en antagelse av tilfeldig fordeling av bladvinkelen, eller en kjent bladvinkelfordeling og grad av klumping. Beregningen av LAI ved bruk av denne indirekte metoden kan være veldig upresis. For nærmere forklaring, se bladarealindeks .

indekser

Hemisfærisk fotografi som ble brukt til å studere LAI, nedleggelse av baldakin eller andre kalesjeindekser.

Direct Site Factor (DSF) er andelen av direkte solstråling på et gitt sted i forhold til det i det fri, enten integrert over tid eller løst i henhold til intervallene på tiden på dagen og / eller sesongen.

Indirect Site Factor (ISF) er andelen diffus solstråling på et gitt sted i forhold til det i det fri, enten integrert over tid for alle himmelretninger eller løst av himmelens sektorretning.

Global Site Factor (GSF) er andelen av global solstråling på et gitt sted i forhold til det i det fri, beregnet som summen av DSF og ISF vektet av det relative bidraget fra direkte mot diffuse komponenter. Noen ganger kalles også denne indeksen Total Side Factor (TSF).

Indekser kan være ukorrigerte eller korrigert for innfallsvinkel i forhold til en flat avskjærende overflate. Ukorrigerte verdier veier solstråling som stammer fra alle retninger likt. Korrigerte verdier veier solstråling etter kosinus i innfallsvinkelen, og står for faktisk avskjæring fra retninger normal til avskjærende overflate.

Leaf Area Index er det totale bladets overflate per grunnareal.

GapFaction (GapFaction) er mengden i prosent av kalesjen i forhold til hele målesonen .

metodikk

Hemisfærisk fotografering innebærer fem trinn: fotografering, digitalisering, registrering, klassifisering og beregning. Registrering, klassifisering og beregning utføres ved hjelp av dedikert programvare for analyse av hemisfærisk fotografering.

Anskaffelse av bilder

Oppadrettede halvkuleformede fotografier er vanligvis anskaffet under jevn himmelbelysning, tidlig eller sent på dagen eller under overskyet forhold. Kjent orientering (Zenith og Azimuth) er avgjørende for riktig registrering med det hemisfæriske koordinatsystemet. Selv belysning er viktig for nøyaktig bildeklassifisering. Et selvnivellerende feste (gimbals) kan lette anskaffelse ved å sikre at kameraet er orientert slik at det peker rett opp mot toppunktet. Kameraet er typisk orientert slik at nord (absolutt eller magnetisk) er orientert mot toppen av fotografiet.

Objektivet som brukes i halvkuleformet fotografering er vanligvis et sirkulært fiskeøye-objektiv , for eksempel Nikkor 8mm fiskeøye-objektiv. Full-frame fishyeye linser er ikke egnet for halvkulefotografering, ettersom de bare fanger hele 180 ° over diagonalen, og ikke gir et fullstendig halvkuleformet syn.

I de første årene av teknikken ble de fleste halvkuleformede fotografiene anskaffet med 35 mm kameraer (f.eks. Nikon FM2 med et Nikkor 8mm fiskeøye-objektiv) ved bruk av høy-kontrast, høy-ASA svart-hvitt-film. Senere ble bruk av fargefilm eller lysbilder vanlig. Nylig er de fleste fotografier anskaffet ved hjelp av digitale kameraer (f.eks. Kodak DCS Pro 14nx med et Nikkor 8mm fisheye-objektiv).

Når bilder anskaffes fra steder med store forskjeller i åpenhet (for eksempel lukkede kalesjeplasseringer og kalesjehull), er det viktig å kontrollere kameraeksponeringen. Hvis kameraet får lov til å justere eksponeringen automatisk (som styres av blenderåpning og lukkerhastighet), er resultatet at små åpninger under lukkede forhold vil være lyse, mens åpninger i samme størrelse under åpne forhold vil være mørkere (for eksempel baldakin områder rundt et gap). Dette betyr at under bildeanalyse vil hull i samme størrelse tolkes som "himmel" i et lukket baldakinbilde og "baldakin" i det åpne baldakinbildet. Uten å kontrollere eksponering vil de reelle forskjellene mellom lukket og åpen takkebetingelse bli undervurdert.

digitalisering

Fotografier blir digitalisert og lagret i standard bildeformater. For filmkameraer krever dette trinnet en negativ eller lysbildeskanner eller en videodigitaliserer. For digitale kameraer skjer dette trinnet når bilder er anskaffet.

Registrering

Fotograferingsregistrering innebærer å samkjøre fotografiene med det halvkuleformede koordinatsystemet som brukes til analyse, med tanke på oversettelse (sentrering), størrelse (sammenfall av fotokanter og horisont i koordinatsystem), og rotasjon (azimutal justering med hensyn til kompassretninger).

Klassifisering

Fotoklassifisering innebærer å bestemme hvilke bildepiksler som representerer synlige (ikke-skjulte) versus ikke-synlige (skjulte) himmelretninger. Dette er typisk oppnådd ved bruk av interaktiv terskelverdi, hvor en passende terskel velges for best å matche en binær klassifisering med observert himmelsynlighet, med pikselintensitetsverdier over terskelen klassifisert som synlige og pikselintensitetsverdier under terskelen klassifisert som ikke synlige. Nylig har det kommet fremskritt med å utvikle automatiske terskelalgoritmer, men det er fortsatt behov for mer arbeid før disse er fullt ut pålitelige.

beregning

Hemisfærisk fotografeberegning bruker algoritmer som beregner gap gap som funksjon av himmelretning, og beregner ønsket baldakingeometri og / eller solstråling indekser. For solstråling blir ofte rask beregning oppnådd ved å bruke forhåndsberegnede oppslagstabeller med teoretiske eller empiriske solstrålingsverdier løst av himmelsektor eller posisjon i solstien.

Se også

• Bladområdet indeks
• Se faktor
• Hel himmel kamera

referanser