Name: field measurement of effective leaf area index using optical device in vegetation canopy
Uploaded: 2021-07-29T14:30:00
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Les auteurs sont redevables au comité de rédaction du Journal of Forest Science de nous avoir encouragés et autorisés à utiliser les résultats représentatifs de ce protocole de l’article qui y est publié.
La recherche a été soutenue financièrement par le ministère de l’Agriculture de la République tchèque, le soutien institutionnel MZE-RO0118, l’Agence nationale de la recherche agricole (projet No. QK21020307) et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (convention de subvention n° 952314).
Les auteurs remercient également trois critiques anonymes pour leurs critiques constructives, qui ont amélioré le manuscrit. En outre, nous remercions Dusan Bartos, Alena Hvezdova et Tomas Petr pour leur aide dans les mesures sur le terrain et la société Photon Systems Instruments Ltd. pour leur collaboration et la fourniture de photos d’appareils.

REMARQUE: Avant de commencer à prendre des mesures planifiées sur le terrain, chargez suffisamment la batterie de l’appareil LP 110. Connectez l’instrument (connecteur USB, voir Figure 1) et l’ordinateur via le câble connecté. L’état de la batterie est affiché dans le coin supérieur gauche de l’écran de l’appareil.
1. Étalonnage avant mesure
REMARQUE: Pour le LP 110, effectuez un étalonnage sombre du capteur LAI et d...

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Quelles sont les différences entre le LP 110 en tant que dispositif nouvellement présenté pour estimer le LAI (ou prendre des mesures d’intensité PAR) et le LAI-2200 PCA en tant que version améliorée du LAI-2000 PCA standard précédent pour estimer le LAI via une méthode indirecte? Au-delà du prix environ quatre fois plus élevé pour l’analyseur de canopée végétale par rapport au LP 110, le nombre de paramètres de sortie, les conditions de mesure, les approches méthodologiques et les possibilités d’...

Les auvents sont des loci de nombreux processus biologiques, physiques, chimiques et écologiques. La plupart d’entre eux sont affectés par les structures de la canopée1. Par conséquent, une quantification précise, rapide, non destructive et fiable de la canopée végétale in situ est cruciale pour un large éventail d’études impliquant l’hydrologie, le cycle du carbone et des nutriments et le changement climatique mondial2,3. Étant donné que les feuilles ou les aiguilles représentent une interface active entre l’atmosphère et la végétation4, l’une des caractéristiques structurelles critiques de la canopée est l’indice de surface foliaire (LAI)5, défini comme la moitié de la surface totale des feuilles vertes par unité de surface horizontale du sol ou projection de couronne pour les individus, exprimée en m2 par m2 comme variable sans dimension6, 7.
Divers instruments et approches méthodologiques pour estimer les LAI terrestres et leurs avantages et inconvénients dans divers écosystèmes ont déjà été présentés8,9,10,11,12,13,14,15. Il existe deux grandes catégories de méthodes d’estimation des LAI : directe et indirecte (voir les examens complets8,9,10,11,12 pour plus de détails). Principalement utilisées dans les peuplements forestiers, les estimations laigiques au sol sont systématiquement obtenues à l’aide de méthodes optiques indirectes en raison de l’absence de détermination directe des LAI, mais elles représentaient généralement une méthode longue, laborieuse et destructrice9,10,12,16. De plus, les méthodes optiques indirectes dérivent le LAI de paramètres connexes plus faciles à mesurer (du point de vue de sa nature chronophage et exigeante en main-d’œuvre)17, tels que le rapport entre l’irradiation incidente au-dessus et au-dessous de la canopée et la quantification des lacunes de la canopée14. Il est évident que les analyseurs de canopée végétale ont également été largement utilisés pour valider les extractions de LAI par satellite18; par conséquent, il a été considéré comme une norme pour la comparaison LP 110 (voir le Tableau des matériaux pour plus de détails sur les instruments utilisés).
Le LP 110, en tant que version mise à jour de l’instrument simple ALAI-02D19 initialement fabriqué par ses soins et plus tard LP 10020,a été développé comme un concurrent proche des analyseurs de canopée végétale. En tant que représentant des méthodes optiques indirectes, l’appareil est portatif, léger, alimenté par batterie, sans aucune connexion par câble entre le capteur et l’enregistreur de données qui utilise un inclinomètre numérique au lieu d’un niveau à bulle et permet un positionnement et une lecture de valeur plus rapides et plus précis. De plus, l’appareil a été conçu pour noter les lectures immédiates. Ainsi, l’estimation du temps nécessaire à la collecte de données sur le terrain est plus courte pour le LP 110 que pour Plant Canopy Analyzer d’environ 1/3. Après l’exportation des lectures vers un ordinateur, les données sont disponibles pour un traitement ultérieur. L’appareil enregistre l’irradiance dans les longueurs d’onde de la lumière bleue (c’est-à-dire 380-490 nm)21,22 à l’aide d’un capteur LAI pour effectuer un calcul LAI. Le capteur LAI est masqué par un capuchon de restriction opaque avec des champs de vision de 16° (axe Z) et 112° (axe X)(Figure 1). Ainsi, la transmission de la lumière peut être notée à l’aide de l’appareil tenu soit perpendiculairement à la surface du sol (c’est-à-dire angle zénith 0°), soit à cinq angles différents de 0°, 16°, 32°, 48° et 64° pour pouvoir également déduire l’inclinaison des éléments de la canopée.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62802/62802fig01.jpg"> Figure 1: Caractéristiques physiques du LP 110. La touche MENU permet à l’utilisateur de se déplacer vers le haut et vers le bas tout au long de l’affichage, et le bouton SET sert de touche Entrée (A). La vue zénith sous différents angles d’inclinaison (±8 en raison de la vue latérale) et la vue horizontale sont fixes pour LP 110 à 112°(B)de la même manière que l’analyseur de canopée végétale (modifié par des restricteurs). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62802/62802fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
En raison de la sensibilité plus élevée du capteur LAI, de son champ de vision restreint, de son inclinomètre numérique intégré, de l’enregistrement automatique des valeurs de lecture à la position correcte indiquée par le son sans appuyer sur un bouton, le nouvel instrument convient également aux lectures au-dessus de la canopée dans les vallées étroites ou même sur les routes forestières plus larges pour mesurer un large éventail de conditions du ciel. En outre, il permet de quantifier les canopées matures du peuplement au-dessus de la régénération relativement élevée, et il atteint une plus grande précision des valeurs d’irradiance que l’analyseur de canopée végétale. De plus, le prix de LP 110 équivaut à environ 1/4 de l’analyseur de canopée végétale. À l’inverse, l’utilisation du LP 110 dans les auvents denses (c.-à-d. LAIe au niveau du peuplement supérieur à 7,88)23 ou très bas comme prairies est limitée.
Le LP 110 peut fonctionner dans deux modes de fonctionnement : (i) un seul mode capteur prenant à la fois des lectures sous la canopée et des lectures de référence (au-dessus de la canopée étudiée ou dans une clairière suffisamment étendue située à proximité de la végétation analysée) effectuée avant, après ou pendant les mesures sous la canopée prises avec le même instrument et (ii) un mode double capteur utilisant le premier instrument pour prendre des lectures sous la canopée, tandis que le second est utilisé pour enregistrer automatiquement les lectures de référence dans un intervalle de temps prédéfini régulier (de 10 à 600 s). Le LP 110 peut être associé à un appareil GPS compatible (voir Tableau des matériaux)pour enregistrer les coordonnées de chaque point de mesure sous la canopée pour les deux modes mentionnés ci-dessus.
L’indice effectif de surface foliaire (LAIe)24 intègre l’effet d’indice d’agglutination et peut être dérivé de mesures de l’irradiance du faisceau solaire prises au-dessus et au-dessous de la canopée végétale étudiée25. Ainsi, pour le calcul LAIe suivant, la transmittance (t) doit être calculée à partir de l’irradiation transmise à la fois sous la canopée (I) et incidente au-dessus de la végétation(Io)mesurée par le dispositif LP 110.
t = I / I0 (1)
Étant donné que l’intensité d’irradiation diminue de façon exponentielle lorsqu’elle traverse un couvert végétal, la LAIe peut être calculée selon la loi d’extinction de Beer-Lambert modifiée par Monsi et Saeki9,26
LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),
Où, k est le coefficient d’extinction. Le coefficient d’extinction reflète la forme, l’orientation et la position de chaque élément dans la canopée de la végétation avec l’inclinaison connue de l’élément de canopée et la direction de vue9,12. Le coefficient k (voir équation 2) dépend de l’absorption de l’irradiance par le feuillage, et il diffère d’une espèce végétale à l’autre en fonction des paramètres morphologiques des éléments de la canopée, de leur disposition spatiale et de leurs propriétés optiques. Étant donné que le coefficient d’extinction fluctue généralement autour de 0,59,27, l’équation 2 peut être simplifiée comme présenté par Lang et al.28 d’une manière légèrement différente pour les canopées hétérogènes et homogènes:
Dans une canopée hétérogène
LAIe = 2 x | <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62802/62802eq01.jpg"> ln t| (3),
ou
Dans une canopée homogène
LAIe = 2 x |ln T| (4),
Où, t: est la transmittance à chaque point de mesure sous la canopée, et T: est la transmittance moyenne de toutes les valeurs t par transect ou support mesuré.
Dans les peuplements forestiers, le LAIe doit être corrigé en raison d’un effet d’agglutination de l’appareil d’assimilation dans les pousses29,30, 31,32,33,34 pour obtenir la valeur RÉELLE DU LAI.
Le protocole est consacré à l’utilisation pratique du dispositif optique LP 110 pour estimer le LAIe dans un exemple sélectionné de peuplements forestiers de conifères d’Europe centrale (voir le tableau 2 et le tableau 3 pour les caractéristiques du site, de la structure et dendrométrique). L’estimation LAIe dans un couvert végétal à l’aide de ce dispositif est basée sur une méthode optique largement utilisée liée à la transmittance du rayonnement photosynthétiquement actif et de la fraction d’écart de canopée. Le document vise à fournir un protocole complet pour effectuer une estimation LAIe à l’aide du nouveau dispositif optique LP 110.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AccuPAR</td>
			<td>METER Group, Inc., Pullman, WA, USA</td>
			<td>AccuPaR LP-80</td>
			<td>https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEMON</td>
			<td>CSIRO, Canberra, Australia</td>
			<td>DEMON</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>File Viewer</td>
			<td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td>
			<td>FV2200C Software</td>
			<td>https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FluorPen</td>
			<td>Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic</td>
			<td>FluorPen 1.1.2.3 Sofware</td>
			<td>https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand-held GPS device</td>
			<td>Garmin Ltd., Czech Republic</td>
			<td>Garmin eTrex 32x Europe46</td>
			<td>https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110)</td>
			<td>Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic</td>
			<td>LaiPen LP 110</td>
			<td>https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plant Canopy Analyser</td>
			<td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td>
			<td>LAI-2000 PCA</td>
			<td>LAI-2200 PCA or LAI-2200C as improved versions of LAI-2000 PCA can be used, see: https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical software</td>
			<td>Systat Software Inc., CA, USA</td>
			<td>SigmaPlot 13.0</td>
			<td>https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs 
			AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO 
			UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp 
			7p0aAsoiEALw_wcB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical software</td>
			<td>StatSoft Inc., OK, USA</td>
			<td>STATISTICA 10.0</td>
			<td>For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SunScan</td>
			<td>Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK</td>
			<td>SS1 SunScan</td>
			<td>https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRAC</td>
			<td>3rd Wave Engineering, Ontarion Canada</td>
			<td>Tracing Radiation and Architecture of Canopies</td>
			<td>http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen&#39;s%20homepage/res_trac.htm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tripod</td>
			<td>Any</td>
			<td>NA</td>
			<td>Tripod with standard nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water level</td>
			<td>Any</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

field measurement of effective leaf area index using optical device in vegetation canopy

L’indice de surface foliaire (IAL) est une variable essentielle de la canopée décrivant la quantité de feuillage dans un écosystème. Le paramètre sert d’interface entre les composants verts des plantes et l’atmosphère, et de nombreux processus physiologiques s’y produisent, principalement l’absorption photosynthétique, la respiration et la transpiration. LAI est également un paramètre d’entrée pour de nombreux modèles impliquant le carbone, l’eau et le cycle de l’énergie. En outre, les mesures in situ au sol servent de méthode d’étalonnage pour les LAI obtenus à partir de produits de télédétection. Par conséquent, des méthodes optiques indirectes simples sont nécessaires pour effectuer des estimations précises et rapides des LAI. L’approche méthodologique, les avantages, les controverses et les perspectives d’avenir du nouveau dispositif optique LP 110 basé sur la relation entre le rayonnement transmis à travers la canopée de végétation et les lacunes de la canopée ont été discutés dans le protocole. En outre, l’instrument a été comparé à la norme mondiale LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. Le LP 110 permet un traitement plus rapide et plus simple des données acquises sur le terrain, et il est plus abordable que l’analyseur Plant Canopy. Le nouvel instrument se caractérise par sa facilité d’utilisation pour les lectures au-dessus et au-dessous de la canopée en raison de sa plus grande sensibilité du capteur, de son inclinomètre numérique intégré et de l’enregistrement automatique des lectures à la bonne position. Par conséquent, l’appareil portatif LP 110 est un gadget approprié pour effectuer une estimation LAI en foresterie, écologie, horticulture et agriculture sur la base des résultats représentatifs. De plus, le même appareil permet également à l’utilisateur de prendre des mesures précises de l’intensité du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) incident.

La structure spatiale obtenue à partir des deux dispositifs testés différait évidemment dans toutes les placettes étudiées, c’est-à-dire amincie par le haut (A), éclaircie par le bas (B) et un contrôle sans aucune intervention sylvicole (C; voir tableau 2 pour plus de détails). Au niveau du stand, des différences similaires dans les valeurs LAI obtenues à partir du LP 110 et de l’analyseur de canopée végétale ont été confirmées entre des parcelles amincies de différentes densités ...

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Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy

L’estimation rapide et précise de l’indice de surface foliaire (LAI) dans les écosystèmes terrestres est cruciale pour un large éventail d’études écologiques et l’étalonnage des produits de télédétection. Voici le protocole d’utilisation du nouveau dispositif optique LP 110 pour prendre des mesures LAI in situ au sol.

Mesure sur le terrain de l’indice effectif de la surface foliaire à l’aide d’un dispositif optique dans la canopée végétale

Leaf area index (LAI) is an essential canopy variable describing the amount of foliage in an ecosystem. The parameter serves as the interface between ...

Ce protocole introduit le dispositif récemment développé LaiPen LP 110 pour l’estimation de l’indice de surface foliaire par méthode optique indirecte, et le compare à l’analyseur de canopée de plante LAI-2200 standard. Le nouvel appareil prend facilement les lectures au-dessus et au-dessous de la verrière, en raison de sa plus grande sensibilité, de son inclinomètre numérique intégré et de l’enregistrement automatique des lectures à la bonne position. Le contrôle de fonctionnement est également intuitif.Le manuel est nécessaire. Pour la préparation de la conception de la mesure, une brève étude planifiée de la structure de la canopée avant sa mesure est recommandée à l’opérateur. Commencez par allumer les deux instruments en maintenant la touche Set enfoncée pendant au moins une seconde.Recherchez Paramètres dans le menu principal en appuyant à plusieurs reprises sur le bouton Menu et réglez la date et l’heure actuelles des deux instruments en appuyant sur Définir, Heure, Définir. Ensuite, choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée pour revenir au menu principal. Ensuite, réglez les deux instruments sur un seul mode de mesure d’angle.Sélectionnez Paramètres en maintenant la touche Définir enfoncée, puis appuyez sur Angles, Définir, Simple et confirmez avec la touche Menu. Choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée pour revenir au menu principal. Après avoir étalonné à la fois le capteur LAI et l’inclinomètre intégré, calibrez les deux appareils LP 110, l’instrument un et l’instrument deux l’un avec l’autre.Sélectionnez Paramètres dans le menu principal en appuyant sur la touche Définir, choisissez Étalonnage LAI, puis appuyez sur le bouton Définir. Ensuite, maintenez les deux appareils dans un plan horizontal en position verticale et ajustez la valeur constante marquée comme C sur l’écran en appuyant à plusieurs reprises sur la touche Définir de l’instrument un, pour obtenir les mêmes valeurs que celles représentées sur l’écran de l’appareil sur l’instrument deux. Ensuite, appuyez sur le bouton Menu et revenez au menu principal.Fixez l’instrument un verticalement à un trépied placé dans un espace ouvert ou au-dessus de la verrière étudiée. Obtenez des lectures au-dessus et au-dessous de la canopée dans des conditions de lumière constante avec un ciel couvert standard avant le lever ou après le coucher du soleil, pour éviter d’obtenir des valeurs d’irradiance incorrectes. Tout d’abord, sélectionnez Paramètres dans le menu principal, puis choisissez Intervalle automatique en appuyant sur la touche Définir.Ensuite, appuyez à plusieurs reprises sur la touche Définir, puis maintenez le bouton Menu enfoncé pour sélectionner l’intervalle requis pour enregistrer automatiquement les valeurs de référence de 10 à 600 secondes. Définissez un intervalle de temps plus court si les conditions d’éclairage changent rapidement. Appuyez sur la touche Menu, sélectionnez Retour, puis maintenez le bouton Définir enfoncé pour revenir au menu principal.Appuyez ensuite plusieurs fois sur le bouton Menu, en maintenant la touche Définir enfoncée pour resélectionner la mesure dans le menu principal. Ensuite, choisissez Auto LAI Ref en appuyant sur la touche Set pour rechercher la position correcte du capteur LAI. Vérifiez l’affichage, inclinez l’instrument à gauche et à droite, et vers l’avant et vers l’arrière.Après avoir atteint l’angle zénith défini par les axes X et Z avec zéro ou moins que la valeur de cinq, fixez fermement l’appareil à la position requise mentionnée ci-dessus, puis appuyez sur la touche Définir. Pour commencer à mesurer l’irradiance transmise sous la canopée de végétation à l’aide de l’instrument deux, choisissez Mesure dans le menu principal. Appuyez sur la touche Définir et sélectionnez LAI.Gardez l’orientation de l’instrument deux comme celle de l’instrument un. Appuyez sur la touche Set pour activer le mode de mesure de l’irradiance transmise sous la verrière. Appuyez à nouveau sur la touche Set pour obtenir la valeur de l’irradiance transmise sous la verrière et déclenchez à la fois l’inclinomètre intégré et l’indicateur sonore servant à trouver la position correcte du capteur LAI.Ensuite, gardez l’appareil perpendiculairement au service au sol pour que le capteur LAI pointe vers le zénith. Vérifiez l’affichage, inclinez l’instrument à gauche et à droite, et vers l’avant et vers l’arrière. Toutes les lectures sous la canopée sont automatiquement acquises et stockées immédiatement une fois que l’angle zénith défini par les axes X et Z atteint zéro ou moins de cinq.Le bip sonore s’arrête. Procéder à d’autres mesures de l’irradiance transmise qui se trouve en dessous des lectures de la canopée, en suivant les étapes pour les lectures précédentes sous la canopée mentionnées ci-dessus. Après avoir effectué les mesures de la verrière ci-dessous à l’aide de l’instrument deux, appuyez plusieurs fois sur le bouton Menu et la touche Menu jusqu’à ce que Retour soit sélectionné pour revenir au menu principal, puis appuyez sur le bouton Définir.Les données sont enregistrées dans la mémoire de l’instrument après chaque lecture. Maintenez le bouton Menu enfoncé pendant au moins une seconde pour éteindre l’appareil en toute sécurité sans effacer aucune donnée. Pour l’analyseur de canopée végétale, des valeurs de LAI significativement plus élevées ont été observées dans la placette témoin, sans intervention sylvicole dans les parcelles minces.Pour le LP 110, l’indice de surface foliaire ne différait pas significativement dans les traitements C et B. Pour le LP 110, une différence significative dans les valeurs de l’indice de surface foliaire entre les diagrammes C et A a été trouvée. Généralement, l’indice de la surface foliaire a considérablement diminué après l’application de traitements d’amincissement dans la position étudiée.Les valeurs de l’indice de surface foliaire enregistrées à l’aide de LP 110 et de Plant Canopy Analyzer pour chaque traitement d’éclaircie dans les peuplements de poteaux d’épinette de Norvège pure présentaient une variabilité spatiale. Une régression linéaire a été effectuée pour toutes les données de l’indice de surface foliaire mesurées à un niveau ponctuel particulier à l’aide du LP 110 et de l’analyseur de canopée végétale. Assurer la mesure dans des conditions synoptiques appropriées, utiliser une zone ouverte suffisamment grande pour les lectures de référence et refléter l’hétérogénéité du peuplement et la conception des mesures pour les lectures sous la canopée.Étant donné que les émetteurs peuvent être enregistrés sous différents angles d’inclinaison de la vue du capteur, l’orientation de l’angle des éléments de la verrière peut être calculée. Si la largeur de la couche de canopée est connue, la densité de la surface foliaire peut également être déduite.

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