دوشنبه, ۲۹ دی ۱۳۹۹ ۱۰:۵۴ ۱۱۸۰
چچ
شاخص سطح برگ

شاخص سطح برگ

در این مطلب به معرفی شاخص سطح برگ که یکی از پارامترهای مهم اقلیمی قابل استخراج از داده‌های سنجش از دور می باشد، می پردازیم.

برگ گیاهان شامل بزرگترین سهم از سطح تاج پوشش گیاهان بوده و همچنین سهم و سطح اصلی برای تبادل فرآیند های فیزیولوژیکی فعال با جو است. امروزه به دلیل افزایش نیاز به شناخت فعل و انفعالات صورت گرفته در سطوح برگ‌ها و نقش پوشش‌ های گیاهی و همچنین شناخت فعل و انفعالات بین پوشش گیاهی و جو با مدل‌ های مختلف به خصوص مدل‌ های رشد، تقاضا برای جمع‌آوری اطلاعات قابل اعتماد در سطح برگ افزایش یافته است. یکی از شاخص‌ های مهم برای درک این فعل و انفعالات شاخص سطح برگ (LAI) می‌ باشد. شاخص سطح برگ، بیان‌ کننده سطح برگ به سطح زمین اشغال شده توسط محصول است و برای اندازه‌ گیری آن از روش‌ های مختلفی استفاده می‌ گردد. شاخص سطح برگ بدون واحد بوده و برحسب گونه و شرایط محیطی متفاوت است. به طور کلی می‌ توان روش‌های اندازه‌ گیری شاخص سطح برگ را به روش تماس مستقیم و غیرمستقیم (روش‌ های نوری غیرفعال و روش فعال سنجش‌ازدور) تقسیم‌بندی نمود. روش‌ های مستقیم (جمع‌ آوری‌ کننده لاشریزه و قطع درخت) از دقت بالایی برخوردار است ولی وقت‌گیر و پرزحمت می‌باشد. به همین دلیل برای پایش تغییرات زمانی و مکانی شاخص سطح برگ مناسب نیست. البته این روش برای کالیبراسیون روش غیرمستقیم حائز اهمیت است. روش مستقیم در توده‌ های همگن استفاده می‌ شوند، بنابراین مناسب جنگل‌ کاری‌ ها هستند. در این روش‌ ها دو گام شامل جمع‌ آوری برگ و سپس اندازه‌ گیری سطح آن‌ ها وجود دارد. در روش‌ های غیرمستقیم مساحت برگ با استفاده از متغیرهای دیگری مانند وضعیت هندسی تاج، میزان ربایش نوری، طول و عرض برگ تخمین زده می‌ شود. این روش‌ ها می‌ توانند برای نمونه‌ هایی در محدوده‌ های جغرافیایی وسیع بکار گرفته شوند. اندازه‌ گیری با استفاده از روش نوری غیرفعال به صورت غیرمستقیم و اغلب به کمک تجهیزات ویژه‌ای صورت می‌ پذیرد.


تعاریف
شاخص سطح برگ نشان‌‌ دهنده مواد موجود برگ در یک بوم سازگان است که میزان تولید خالص، فتوسنتز، تنفس، تبخیر و تعرق، ربایش تاجی و دیگر فرایند های بوم شناختی مرتبط بین رستنی‌ ها و اقلیم را به مقدار زیادی کنترل می‌ کند. اخیراً شاخص سطح برگ به عنوان یک متغیر کلیدی در مدل‌ هایی که عکس العمل رستنی‌ ها را در برابر تغییرات محیطی نشان می‌ دهند به کار گرفته شده است، به ویژه شاخص سطح برگ در چرخه کربن، نیتروژن و موازنه آب استفاده شده است و رابطه هذلولی معکوسی بین شاخص سطح برگ و ربایش نوری وجود دارد و رابطه خطی با نرخ تولید اولیه دارد. این رابطه خطی به شرح زیر است:


P=Pmax (1-e^-cLAI)


که در آن Pmax نشان دهنده حداکثر تولید اولیه و c ضریب رویش ویژه است. طبق پژوهش‌ های انجام شده، شاخص سطح برگ همچنین برای مدل‌ سازی جریان آب و انرژی و حتی گازهای گلخانه‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. در مورد شاخص سطح برگ و تغییرات آن در دهه اخیر مقالات زیادی منتشر شده است که این موضوع به دلیل وجود روش‌ های گوناگون تعیین شاخص سطح برگ از یک سو و امکان‌ پذیر شدن محاسبه و تخمین شاخص سطح برگ در سطوح وسیع با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای، از سوی دیگر می‌ باشد. شاخص سطح برگ اولین بار در سال 1974 تعریف شد و در این تعریف کل مجموع سطح بافت فتوسنتز کننده برگ که معادل سطح رویی برگ است در واحد سطح زمین محاسبه شد. بعد از ارائه تعاریف متعدد دیگر پژوهشگران زیادی مانند چن و بلک، 1992؛ فاسناخت و همکاران، 1994؛ چن، 1996 ؛ ژونخر و همکاران، 2004؛ شاخص سطح برگ را به عنوان نصف کل سطح برگ در واحد سطح زمین تعریف نمودند که این تعریف در مورد پهن برگان صدق می‌ کند و برای سوزنی برگان که برگ‌ های سوزنی آن‌ ها سیلندری یا نیمه‌ سیلندری هستند اغلب مشکل می‌ باشد. سه تعریف دیگر نیز موجود است، الف: نیمی از مجموع سطح سوزن‌ ها در واحد سطح زمینی که آن‌ ها را می‌پوشاند. ب: تصویر نمودن (یک طرف) سطح سوزن‌ ها به سطح زمینی که آن‌ ها را می‌ پوشاند. ج: کل سطح سوزن‌ ها به سطح زمین. چن و بلک (1992) ثابت نمودند که تعاریف دیگر موجب به وجود آمدن تخمین های متفاوت معنی داری می‌شوند. شاخص سطح برگ واحد ندارد یا می‌ توان آن را بر حسب متر مربع در مترمربع بیان نمود. شاخص سطح برگ وابسته به نوع و ترکیب گونه‌ای، مرحله تحولی یا توالی و فصل تغییر می‌ کند و از سوی دیگر بسته به شرایط غالب رویشگاه و عملیات مدیریتی، میزان شاخص سطح برگ نیز تغییر خواهد نمود. شاخص سطح برگ بین صفر (در زمین لخت) تا 40 (در جنگل‌ های سوزنی برگ متراکم) تغییر می‌نماید.


روش‌های اندازه‌گیری
روش‌ های مستقیم و غیرمستقیم برای اندازه‌ گیری شاخص سطح برگ تعریف و ایجاد شده اند. روش‌ های مستقیم روش‌ هایی دقیق هستند اما اغلب اجرای آن‌ ها بسیار سخت و زمان‌ بر است و بنابراین به صورت محدودی مورد استفاده قرار می‌ گیرند. در این روش‌ ها فرض اولیه آن است که توده‌ ها همگن هستند و بنابراین در سطوح وسیع کارایی مناسبی ندارند اگرچه برای توده‌ های مصنوعی و جنگل‌ کاری‌ ها مناسبند. در توده‌ های همسال که دارای توزیع نرمال هستند نمونه برداری از 3 تا 5 درخت کافی است. در این روش‌ ها دو گام شامل جمع آوری برگ و سپس اندازه‌ گیری سطح آن‌ ها وجود دارد. جمع آوری برگ از دو روش استحصال و بدون استحصال امکانپذیر می‌ باشد. در روش‌ های با استحصال برگ نمونه‌ گیری مخرب مورد نیاز است. برگ‌ های سبز در یک قطعه نمونه از شاخه جدا و جمع‌آوری می‌ شوند. در یکی از روش‌ ها به نام روش مدل درختی، نمونه‌ گیری مخرب از بخش کوچکی از درختانی که داخل توده نیستند انجام می‌ شود و سپس مساحت برگ‌ های جمع آوری شده توسط شاخص سطح برگ‌ سنج اندازه‌ گیری می‌ شود یا توسط اسکنرهای معمولی ابتدا تصویر برگ اسکن و سپس توسط نرم افزارهای تحلیل‌ گر تصویر مساحت محاسبه می‌ گردد. در روش‌ های بدون استحصال برگ لاشبرگ‌ ها طی فصل خزان برگ با استفاده از دام لاشبرگ (جعبه‌ های در باز) جمع آوری می‌شود که به صورت تصادفی یا در یک شبکه منظم یا روی یک ترانسکت در داخل توده پخش می‌ شوند. مساحت برگ می‌ تواند با استفاده از روش‌ های پلانیمتری یا وزن سنجی تخمین زده شوند. روش پلانیمتری بر اساس همبستگی بین مساحت برگ و سطوح واحدی که برگ یک سطح افقی را پوشانده است، طراحی شده است. روش وزن‌ سنجی بر اساس همبستگی بین وزن خشک برگ‌ ها و سطح برگ محاسبه می‌ شوند که لازم است وزن برگ در یک سطح مشخص، تعیین شود. در شکل‌ های 1 و 2، اندازه‌ گیری شاخص سطح برگ به روش مستقیم نشان داده شده است.


اندازه‌گیری  <strong class='sis-keyword'>شاخص سطح برگ</strong> به روش مستقیم

شکل-1: اندازه‌گیری شاخص سطح برگ به روش مستقیم


اندازه‌گیری  <strong class='sis-keyword'>شاخص سطح برگ</strong> به روش مستقیم (تخریبی)

شکل-2: اندازه‌گیری شاخص سطح برگ به روش مستقیم (تخریبی)


در روش‌ های غیرمستقیم مساحت برگ با استفاده از مشاهدات متغیرهای دیگری تخمین زده می‌شود. مهم‌ ترین متغیرهایی که در این روش مورد استفاده قرار می‌ گیرند شامل وضعیت هندسی تاج، میزان ربایش نوری، طول و عرض برگ هستند. این روش‌ ها معمولاً سریع تر و دارای قابلیت ماشینی شدن (اتوماسیون) هستند و بنابراین می‌ توانند برای نمونه‌ هایی در محدوده‌ های جغرافیایی وسیع‌ تر به کارگرفته شوند. این روش‌ ها به دو دسته غیرمستقیم تماسی و غیرمستقیم بدون تماس طبقه بندی می‌شوند. از جمله روش‌ های غیرمستقیم تماسی، روش قطعات نمونه نقطه‌‌ای متمایل یا خطوط عمودی است که توسط ویلسون، 1960 و 1963 بسط داده شده‌اند. این روش بر اساس سوراخ کردن تاج درخت توسط یک سوزن نازک طولانی در یک ارتفاع مشخص است. یکی دیگر از روش‌ های غیرمستقیم تماسی روش آلومتریک است که به ویژه برای جنگل استفاده می‌ شود. این روش بر اساس روابط بین مساحت برگ و دیگر اجزای چوبی گیاه که زی‌ توده سبز برگ هستند مانند قطر ساقه، بخش‌هایی از پوست، ارتفاع شروع تاج (ارتفاع تنه) یا ارتفاع درخت می‌باشد. روش‌ های غیرمستقیم بدون تماس با درخت عمدتاً بر اساس اندازه‌ گیری میزان نوری که از درون تاج پوشش می‌ گذرد و به کمک ابزارهایی که در بیش از 20 سال گذشته توسعه یافته اند؛ مانند حسگرهای خطی کوانتومی یا رادیومتر، لیزرهای نقطه‌ای چهارگوش و حسگرهای خازنی اندازه‌ گیری می‌ گردد. این روش‌ ها بر اساس قانون بیر‌-لمبرت طراحی شده‌اند که مجموع مقدار اشعه جذب شده در لایه تاج وابسته به میزان تابش، ساختار تاج و خصوصیات اپتیکی است. این روش‌ ها به دو گروه بر اساس توزیع اجزای روشنه (توزیع اندازه حفره) تقسیم می‌ شوند. ابزارها داده‌ هایی فراهم می‌ کنند که نشان می‌ دهد توزیع شاخص سطح برگ در یک موقعیت مکانی نقطه‌ای، در طول یک خط یا در یک سطح مشخص (عکس‌ های نیمکره) چگونه است. این روش برای توده‌ های سوزنی برگ و پهن برگ استفاده شده و نسبت به معادلات آلومتریک دقیق‌ تر است. به هرحال در صورت ابری بودن آسمان این روش نیز نیاز به تصحیح دارد، زیرا بر مبنای نورسنجی عمل می‌ کند و از طرف دیگر بسته به وضعیت زاویه برگ، شکل برگ و خوشه ای بودن برگ‌ ها باید تصحیحاتی برای آن اعمال نمود. در تحلیل اجزای روشنه، ابزارهای موجود فن تحلیل تصاویر یا اندازه گیری میزان نور متفاوت بالا و زیر تاج می‌باشد. در شکل 3، شاخص سطح برگ به روش غیرمستقیم بدون تماس نشان داده شده است.


اندازه‌گیری  <strong class='sis-keyword'>شاخص سطح برگ</strong> به روش غیرمستقیم (بدون تماس)

شکل-3: اندازه‌گیری شاخص سطح برگ به روش غیرمستقیم (بدون تماس)


تخمین شاخص سطح برگ بر اساس تصاویر ماهواره‌ ای، جزء روش‌ های غیرمستقیم است که بر اساس رابطه شاخص سطح برگ و مشخصات انعکاس اشعه از تاج پوشش اندازه‌ گیری شده توسط حسگر ماهواره‌ ها بدست می‌آید. از آنجاییکه نور رابطه متقابلی درون تاج دارد؛ داده‌ های ماهواره‌ ای تحت تأثیر اختلالات اتمسفری، میزان دقت و مشخصات نوع حسگر و فرایند دریافت سیگنال‌ ها قرار دارند. رهیافت‌ های مختلفی برای تبدیل داده‌ های ماهواره‌ ای به شکل یک نقشه ارائه شده است. در حالیکه استانداردی از روش یا محصولاتی که بدست می‌آید وجود ندارد، پیشرفت هایی در این مسیر به خصوص در تبدیل اعتبارسنجی و مقایسات روش‌ های مختلف به وجود آمده است. فرید حسینی و همکاران (2012) از رابطه NDVI و شاخص سطح برگ درختان سیب، آلو، گلابی و گیلاس استفاده نمود و با ضریب همبستگی 0/53 و مقدار خطای باقیمانده 0/67 توانست شاخص سطح برگ را تخمین بزند. در این مطالعه شاخص سطح برگ بین 1 تا 5 متغیر بود. موریست و همکاران (2006) فنونی که در کشورهای مختلف برای تخمین شاخص سطح برگ با استفاده از اندازه‌گیری‌ های ماهواره‌ ای استفاده شده است را مرور نموده اند. آن‌ ها همچنین عناصر مورد نیاز برای اعتبارسنجی محصولات بین المللی به دست آمده از تصاویر ماهواره‌ ای را تعریف کرده‌ اند که شامل تأسیس یک نهاد سازمانی، تمایل شرکت‌ کنندگان به منظور بهبود سازگاری بین روش‌ ها و نتایج و مکانیسمی برای مشارکت گذاشتن داده‌ ها همراه با توصیف فرآیند های مورد استفاده و سنتز داده‌ ها و نتایج که برای به دست‌ آمدن دقتی درسطح جهان مورد نیاز است، می‌ باشد. به واسطه تغییرات مکانی و زمانی در تاج پوشش توده‌ های جنگلی، روش‌ های مبتنی بر داده‌ های ماهواره‌ ای روش‌ های کم هزینه برای تخمین شاخص سطح برگ در مقیاس جهانی یا چشم انداز هستند. از سوی دیگر با توجه به تغییرات ویژگی‌ های بوم سازگان، مشخصه‌‌ های غیرمستقیم تخمین شاخص سطح برگ با استفاده از داده‌ های ماهواره‌ ای و تنوع اندازه‌گیری‌ ها و تحلیل‌ های ماهواره‌ ای، شاخص سطح برگ تولید شده از عناصر مورد نیاز برای یک استراتژی دارای ثبات و کیفیت جهانی در تولید شاخص سطح برگ است. شکل شماره 4، نقشه شاخص سطح برگ بدست آمده از تصاویر ماهواره سنتینل-2 را در منطقه‌ ای در اسپانیا در سال 2016 نشان می‌ دهد.


نقشه  <strong class='sis-keyword'>شاخص سطح برگ</strong> با استفاده از تصاویر سنتینل-2 (اسپانیا، 2016)

شکل-4: نقشه شاخص سطح برگ با استفاده از تصاویر سنتینل-2 (اسپانیا، 2016)


مراجع:

  • GCOS. 2004. Implementation plan for the global observing system for climate in support of the UNFCCC. Report GCOS-92 (WMO/TD No. 1219). 136p.
  • Wilson, J.W. 1960. Inclined point quadrats. New Phytol. 59: 1-8. 39.
  • Wilson, J.W. 1963. Estimation of foliage denseness and foliage angle by inclined point quadrats, Aust. J. Bot. 11: 95-105.
  • Morisette, J.T., Baret, F., Privette, J.L., Myneni, R.B., Nickeson, J.E.,Garrigues, S., Shabanov, N.V., Weiss, M., Fernandes, R.A., Leblanc, S.G., Kalacska, M., Sánchez-Azofeifa, G.A., Chubey, M., Rivard, B., Stenberg, P., Rautiainen, M., Voipio, P., Manninen, T., Pilant, A.N., Lewis, T.E., Iiames, J.S., Colombo, R., Meroni, M., Busetto, L., Cohen, W.B., Turner, D.P., Warner, E.D., Petersen, G.W., Seufert, G., and Cook, R. 2006. Validation of global moderate-resolution LAI products: A framework proposed within the CEOS land product validation subgroup. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 44: 1804-1817.
  • حبشی، ه.، 1396. مزایا و معایب روش‌ های اندازه‌ گیری شاخص سطح برگ در بوم سازگان‌ های جنگلی، نشریه حفاظت و بهره‌ برداری از منابع طبیعی، جلد ششم، شماره دوم.
  • رحمانی، ر.، قربانی، س.، نقاش زرگران، م.، 1393. اندازه‌ گیری و مدل‌ سازی وزن لاشریزه و شاخص سطح برگ به روش آلومتری در یک جنگل راش- ممرز، ارتفاع میان‌ بند جنگل‎‌ های هیرکانی ایران، فصلنامه عملی- پژوهشی تحقیقات جنگل و صنوبر ایران، جلد 22، شماره 4.

آدرس کوتاه شده:
فهرست طبقات