Article de méthode

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

DOI :

10.3791/62802

⸱

29 juillet 2021

 , 
1Forestry and Game Management Research Institute, Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture, Faculty of Forestry and Wood Technology, Mendel University in Brno

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

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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). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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 | figure-introduction-2 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.

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Protocole

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 des étalonnages d’inclinomètre intégrés avant de commencer chaque campagne de mesure sur le terrain.

  1. Calibrage sombre du capteur LAI
    1. Allumez l’instrument en appuyant sur la touche Set et en la maintenant enfoncée pendant au moins 1 s.
      REMARQUE: Le bouton Définir sert de touche Entrée.
    2. Sélectionnez Paramètres (la touche Menu permet de passer de haut en bas) et appuyez sur l'> Lai Cal.,appuyez sur la touche Set, puis vérifiez si la constante d’étalonnage LAI est fixée à 1 (c’est-à-dire C = 1,0) ; Sinon, appuyez plusieurs fois sur la touche Définir pour ajuster la constante à 1,0 et revenez au menu principal (appuyez sur Menu | Retour | Définir).
      REMARQUE: Lors de la prise de mesures LAI en utilisant le mode de capteur unique (voir section 2), une valeur constante de 1,0 est recommandée pour toutes les mesures.
    3. Sélectionnez Paramètres et appuyez sur Définir | Lai zéro | Définissez. Couvrez complètement le capteur LAI en utilisant, par exemple, un chiffon opaque ou une paume pour éviter les interférences lumineuses pendant tout le processus d’étalonnage. Ensuite, appuyez sur la touche Définir pour conserver la valeur zéro qui apparaît à l’écran.
    4. Appuyez plusieurs fois sur la touche Menu jusqu’à ce que Retour (Retour) soit sélectionné pour revenir au menu principal, puis appuyez sur la touche Définir ( Set (
  2. Étalonnages d’inclinomètres
    REMARQUE: Chaque appareil LP 110 est équipé d’un inclinomètre électronique intégré pour assurer l’angle d’inclinaison correct des lectures. L’inclinomètre interne doit être (re)étalonné à l’aide d’un niveau d’eau.
    1. Calibrage vertical
      1. Si l’appareil est éteint, maintenez la touche Définir enfoncée pendant au moins 1 s pour allumer l’instrument.
      2. Sélectionnez Paramètres et appuyez sur Définir | Cal. verticale | Réglez pour activer l’inclinomètre électronique.
      3. Tenez l’appareil verticalement et placez un niveau d’eau sur son côté latéral avec l’instrument.
      4. Équilibrez l’appareil à gauche ou à droite en fonction de la bulle de niveau d’eau pour obtenir une valeur nulle ou proche de zéro pour l’axe X. Si ce n’est pas le cas, appuyez sur la touche Définir pour ajuster les lectures jusqu’à ce que zéro pour l’axe X soit lu.
      5. Placez le niveau d’eau le long de la face arrière de l’appareil pour terminer l’étalonnage vertical.
      6. Inclinez à nouveau l’appareil vers la gauche ou la droite et vérifiez si l’écran de l’appareil indique zéro pour l’axe X.
      7. Maintenez la position d’angle zéro pour l’axe X et inclinez simultanément l’appareil vers l’avant ou vers l’arrière (l’axe Z) en fonction de la bulle de niveau d’eau, en vous assurant de maintenir la valeur de l’angle de l’axe X à zéro ou près de zéro.
      8. Vérifiez si la lecture de l’axe Z est égale à zéro ou proche de zéro. Si ce n’est pas le cas, maintenez la touche Définir enfoncée et recalibrez l’appareil pour définir des lectures nulles pour les axes X et Z.
      9. Appuyez sur la touche Menu de manière répétitive jusqu’à ce que Retour soit sélectionné pour revenir au menu principal, puis appuyez sur la touche Définir.
    2. Calibrage horizontal
      1. Sélectionnez Paramètres et appuyez sur la touche Définir | Cal. | horizontale Réglez pour déclencher l’inclinomètre électronique.
      2. Tenez l’appareil horizontalement. Ensuite, placez le niveau d’eau le long de la face arrière de l’appareil.
      3. Nivelez l’appareil en position horizontale en fonction des bulles de niveau d’eau. Inclinez l’instrument vers la gauche ou la droite et vers le haut ou vers le bas le long des axes X et Y, respectivement.
      4. Après avoir atteint la position correcte du capteur en fonction des deux bulles de niveau d’eau, vérifiez que la lecture de l’axe Y est nulle ou proche de zéro. Si ce n’est pas le cas, appuyez sur la touche Définir pour recalibrer la position horizontale de l’instrument.
      5. Appuyez sur la touche Menu de manière répétitive jusqu’à ce que Retour soit sélectionné pour revenir au menu principal, puis appuyez sur la touche Définir.

2. Mode de capteur unique pour l’estimation LAIe

  1. Si l’appareil est éteint, appuyez sur la touche Set pendant au moins 1 s pour allumer l’instrument.
  2. Calibrer l’instrument avant de commencer chaque campagne de mesure sur le terrain conformément aux étapes 1.1 et 1.2.
    REMARQUE: Si l’étalonnage a déjà été effectué, passez à l’étape 2.3.
  3. Ensuite, définissez la date et l’heure actuelles (recherchez Paramètres dans le menu principal en appuyant à plusieurs reprises sur la touche Menu. Ensuite, appuyez sur Définir | Temps; appuyez à nouveau sur le bouton Définir) et revenez au menu principal (sélectionnez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
    REMARQUE: Pour un réglage de l’heure exacte, faites correspondre l’heure avec l’ordinateur comme indiqué dans le logiciel approprié (connectez le périphérique LP 110 à l’ordinateur via le câble connecté. Ouvrez le logiciel, appuyez sur le | d’installation | d’IDENTIFICATION DE L’appareil Appareil. Choisissez et appuyez sur Contrôle en ligne | Temps. Ensuite, cochez l’option Synchroniser avec l’heure de l’ordinateur et appuyezsur Modifier ).
  4. Réglez l’instrument sur le mode de mesure à angle unique à l’aide des paramètres. Appuyez sur Set | Angles | Définir | Simple (confirmez à l’aide de la touche Menu) et revenez au menu principal (sélectionnez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
    1. Si l’inclinaison de l’angle des feuilles doit être estimée, définissez le mode de mesure multi-angle. Paramètres | Angles | Multi (appuyez sur le bouton Menu) et revenez au menu principal (sélectionnez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
  5. Si un enregistrement concernant les positions des mesures est nécessaire, allumez l’appareil GPS concerné (voir les sections ci-dessous pour des instructions détaillées et la table des matériaux); si ce n’est pas le cas, passez à l’étape 2.6.
    1. Vérifiez que l’heure de l’appareil correspond à l’ordinateur.
      REMARQUE: L’heure doit être réglée correctement pour refléter le fuseau horaire à l’endroit étudié.
    2. Allumez l’appareil GPS et attendez un moment jusqu’à ce que la position actuelle soit trouvée. Vérifiez l’emplacement sur l’écran de l’appareil GPS.
      NOTE: La précision dépend de la densité de la canopée de la végétation étudiée.
    3. Transportez à la fois le LP 110 et l’appareil GPS lorsque vous prenez toutes les mesures sur le terrain.
    4. Après avoir pris toutes les mesures sur le terrain, connectez les deux appareils à l’ordinateur, téléchargez et traitez les données dans le logiciel approprié (voir tableau des matériaux)conformément au lp 110 Manual and User Guide, Operation Instructions section35.
  6. Prenez une mesure de référence dans une zone ouverte ou au-dessus de la végétation mesurée (c.-à-d. une lecture au-dessus de la canopée). Par temps ensoleillé, empêchez la lumière de pénétrer directement dans la tasse de restriction de vue (voir Figure 1).
    REMARQUE: Pour le mode de mesure à capteur unique, prenez des lectures au-dessus et au-dessous de la canopée dans des conditions de lumière constante pendant le temps couvert standard, avant le lever du soleil ou après le coucher du soleil (Figure 2) pour éviter d’obtenir des valeurs d’irradiance incorrectes.

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Figure 2: Conditions météorologiques optimales pour prendre des mesures LAIe à l’aide du LP 110. Les conditions météorologiques optimales lors de l’utilisation du LP 110 sont un ciel uniformément couvert sans rayonnement solaire direct (A), ou une utilisation avant le lever ou après le coucher du soleil (B). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

  1. Sélectionnez Mesure dans le menu principal (appuyez sur la touche Définir), puis choisissez Lai Ref. Après avoir appuyé sur la touche Définir, le mode de mesure de référence est activé.
    REMARQUE : La valeur d’irradiance actuelle s’affiche à l’écran. Cette valeur n’est pas encore stockée dans la mémoire interne de l’appareil (le mode de mesure est déclenché à ce moment-là).
  2. Par la suite, appuyez à nouveau sur la touche Définir pour lancer une recherche de la position correcte du capteur LAI (c’est-à-dire l’angle zénith de 0°) et pour activer à la fois l’inclinomètre intégré et l’indicateur sonore.
    REMARQUE: Simultanément, la position actuelle du capteur LAI apparaît sur l’écran pour les axes X et Z.
  3. Ensuite, tenez l’appareil perpendiculairement au sol et assurez-vous que le capteur LAI est pointé vers le zénith.
    REMARQUE: L’indicateur sonore augmente de volume à mesure qu’il s’approche de l’angle zénith correct.
  4. Vérifiez l’affichage, inclinez l’instrument à gauche et à droite, et vers l’avant et vers l’arrière. La valeur de référence est automatiquement acquise et stockée immédiatement une fois que l’angle zénith défini par les axes X et Z atteint zéro ou moins de 5 (la tonalité sonore s’arrête).
    REMARQUE: Étant donné que la position correcte doit être atteinte dans une plage très étroite (c.-à-d. mm), cette étape peut être lassante.
  1. Après avoir pris la ou les mesures de référence, revenez au menu de mesure en appuyant sur la touche Menu. Ensuite, commencez à mesurer le niveau d’irradiance transmise sous la canopée.
    1. Définissez les positions pour prendre des lectures sous la canopée et commencez à prendre des mesures de valeur de transmission de la lumière à l’aide du capteur LAI de l’appareil.
      NOTE: Le modèle des mesures de terrain LAIe dans différentes structures de canopée est mentionné en détail par Černý et al.36 et Fleck et al.37.
    2. Sélectionnez Lai dans le menu de mesure. Appuyez sur la touche Set pour activer le mode de prise des mesures d’irradiance transmises sous la verrière.
      REMARQUE : La valeur d’irradiance actuelle s’affiche à l’écran. Cette valeur n’est pas encore stockée dans la mémoire interne de l’appareil (le mode de mesure est déclenché à ce moment-là).
    3. Appuyez à nouveau sur la touche Définir pour enregistrer les lectures sous la verrière. L’inclinomètre intégré et l’indicateur sonore sont déclenchés pour obtenir la position correcte du capteur LAI (c’est-à-dire l’angle zénith de 0 °).
      REMARQUE: Simultanément, la position actuelle du capteur LAI apparaît sur l’écran pour les axes X et Z.
    4. Par la suite, maintenez l’appareil perpendiculairement au sol et assurez-vous que le capteur LAI est pointé vers le zénith.
      REMARQUE: L’indicateur sonore augmente de volume à mesure qu’il s’approche de l’angle zénith correct.
    5. Vérifiez l’affichage, inclinez l’instrument à gauche et à droite, et vers l’avant et vers l’arrière. Toutes les lectures sous la verrière sont automatiquement acquises et stockées immédiatement une fois que l’angle zénith défini par les axes X et Z atteint zéro ou moins de 5 (la tonalité sonore s’arrête).
      REMARQUE: Étant donné que la position correcte doit être atteinte dans une plage très étroite (mm), cette étape peut être lassante.
  2. Procéder à d’autres mesures de l’irradiance transmise sous la canopée végétale, en suivant les étapes 2.7.3 à 2.7.5.
    REMARQUE: Les lectures de référence peuvent également être prises à tout moment entre les mesures sous la canopée. Par exemple, après avoir terminé chaque transect, appuyez sur le bouton Menu, sélectionnez Lai Ref (maintenez la touche Définir enfoncée) et continuez conformément aux étapes 2.6.2-2.6.4.Plus il y a de lectures au-dessus de la canopée prises lors des mesures sous la canopée, plus les calculs de référence sont précis.
  3. Immédiatement après avoir terminé de prendre des mesures sous la canopée (appuyez sur le bouton Menu, sélectionnez Lai Ref et maintenez la touche Définir enfoncée), prenez une mesure de l’irradiance dans une zone ouverte pour obtenir la dernière valeur de référence, en suivant les étapes 2.6.2. au 2.6.4.
  4. Appuyez sur la touche Menu de manière répétitive jusqu’à ce que Retour soit sélectionné pour revenir au menu principal, puis appuyez sur le bouton Définir.
  5. Après chaque mesure, les données sont stockées dans la mémoire interne de l’appareil. Maintenez le bouton Menu enfoncé pendant au moins 1 s pour éteindre l’appareil en toute sécurité sans effacer aucune donnée.
  6. Connectez l’instrument à l’ordinateur; télécharger et traiter les données. Un exemple de mesure sur le terrain et de calcul LAIe est décrit à la section 4.

3. Mode double capteur pour estimer LAIe

  1. Allumez les deux instruments en maintenant la touche Set enfoncée pendant au moins 1 s.
    REMARQUE: Instrument_1 et Instrument_2 sont désignés pour les lectures au-dessus (référence) et au-dessous de la canopée, respectivement. En mode de mesure à double capteur, un appareil (Instrument_1) est monté sur un trépied dans une zone ouverte (ou au sommet d’un mât climatique au-dessus de la canopée), tandis que le second (Instrument_2) sert à prendre des mesures sous la canopée de l’irradiance transmise. Instrument_1 enregistre automatiquement le signal de référence dans un intervalle de temps prédéfini (de 10 s à 600 s). Cette approche recueille une quantité importante de données de référence, augmentant ainsi la précision lors du calcul des valeurs de référence pour les mesures individuelles sous la canopée.
  2. Définissez la date et l’heure actuelles des deux instruments (recherchez Paramètres dans le menu principal en appuyant à plusieurs reprises sur le bouton Menu. Ensuite, appuyez sur Définir | | de temps Définissez. Revenez au menu principal (choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
    REMARQUE: Pour un réglage de l’heure exacte, faites correspondre l’heure avec l’ordinateur comme indiqué dans le logiciel approprié (connectez l’appareil à l’ordinateur via le câble connecté. Ouvrez le logiciel, puis appuyez sur Configuration | | d’IDENTIFICATION DE L’appareil Appareil. Ensuite, choisissez et appuyez sur Contrôle en ligne | Temps. Cochez l’option Synchroniser avec l’heure de l’ordinateur et appuyezsur Modifier ).
  3. Ensuite, réglez les deux instruments sur le mode de mesure à angle unique. Sélectionnez Paramètres (maintenez la touche Définir enfoncée) | Angles | Définir | Simple (confirmez avec la touche Menu). Revenez au menu principal (choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
    1. Si l’inclinaison de l’angle des feuilles dans la canopée de végétation étudiée doit être estimée, réglez Instrument_2 (lectures sous la canopée) sur le mode de mesure multi-angle. Sélectionnez Paramètres (appuyez sur la touche Définir) | Angles (appuyez sur le bouton Définir). Ensuite, choisissez Multi (confirmez avec la touche Menu), puis revenez au menu principal (choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
  4. Si un enregistrement concernant les positions des mesures sous la canopée est requis, allumez l’appareil GPS concerné (voir les sections ci-dessous pour des instructions détaillées et la table des matériaux); si ce n’est pas le cas, passez à l’étape 3.5.
    1. Assurez-vous que l’heure affichée sur l’appareil utilisé pour prendre des lectures sous la canopée (Instrument_2) correspond à l’ordinateur.
      REMARQUE: L’heure doit être réglée correctement pour refléter le fuseau horaire à l’endroit étudié.
    2. Allumez l’appareil GPS et attendez un moment jusqu’à ce que la position actuelle soit trouvée. Vérifiez l’emplacement affiché sur l’appareil GPS.
      NOTE: La précision dépend de la densité de la canopée de la végétation étudiée.
    3. Transportez à la fois le LP 110 utilisé pour prendre des lectures sous la canopée (Instrument_2) et l’appareil GPS lors de la prise de toutes les mesures sur le terrain.
    4. Après avoir pris toutes les mesures sur le terrain, connectez les deux appareils (Instrument_2 et l’appareil GPS) à l’ordinateur. Téléchargez et traitez les données dans le logiciel concerné (voir tableau des matériaux)conformément au manuel LP 110 et au guide de l’utilisateur, section35des instructions d’utilisation.
  5. Calibrer les deux instruments avant de commencer chaque campagne de mesure sur le terrain conformément aux sections 1.1 et 1.2.
    REMARQUE: Si l’étalonnage a déjà été effectué, passez à l’étape 3.5.1.
    1. Après avoir étalonné le capteur LAI et l’inclinomètre intégré, calibrez les deux appareils LP 110 (Instrument_1 et Instrument_2) l’un avec l’autre.
      1. Pour les deux appareils, sélectionnez Paramètres dans le menu principal (appuyez sur la touche Définir) et choisissez Calibrage Lai (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 sur Instrument_1 (lectures de référence) pour obtenir les mêmes valeurs que celles représentées sur l’écran de l’appareil sur Instrument_2. Ensuite, appuyez sur le bouton Menu et revenez au menu principal (choisissez Retour et maintenez la touche Définir enfoncée).
  6. Par temps ensoleillé, empêchez la lumière directe du soleil de pénétrer dans la tasse de restriction de vue lorsque vous prenez toutes les lectures au-dessus de la canopée (voir la figure 1).
    REMARQUE: Pour le mode de mesure à double capteur, prenez des lectures au-dessus et au-dessous de la canopée dans des conditions d’éclairage constant avec un ciel couvert standard, avant le lever ou après le coucher du soleil (Figure 2) pour éviter d’obtenir des valeurs d’irradiance incorrectes.
  7. Fixez Instrument_1 verticalement soit à un trépied placé dans un espace ouvert, soit au-dessus de la canopée étudiée (par exemple, au sommet d’un mât climatique).
    REMARQUE : Cet appareil enregistre en permanence les valeurs de référence (c.-à-d. les lectures au-dessus de la canopée).
    1. Tout d’abord, sélectionnez Paramètres dans le menu principal (appuyez sur la touche Définir), puis choisissez Intervalle automatique (appuyez à nouveau 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 s).
      REMARQUE: Définissez un intervalle de temps plus court pour enregistrer automatiquement les lectures de référence afin d’augmenter la précision des mesures si les conditions d’éclairage changent rapidement.
    2. Appuyez sur la touche Menu, sélectionnez Retour, puis maintenez le bouton Définir enfoncé pour revenir au menu principal.
    3. Par la suite, appuyez plusieurs fois sur le bouton Menu (maintenez la touche Définir enfoncée) pour sélectionner Mesure dans le menu principal. Ensuite, choisissez Auto Lai Ref. (appuyez sur la touche Set) pour commencer à rechercher la position correcte du capteur LAI (c’est-à-dire l’angle zénith 0°).
      REMARQUE : La valeur d’irradiance actuelle s’affiche à l’écran. Cette valeur n’est pas encore stockée dans la mémoire interne de l’appareil (le mode de mesure est déclenché à ce moment-là).
    4. 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 5 (c’est-à-dire les axes X et Z inférieurs à la valeur de 5), fixez fermement l’appareil à la position requise mentionnée ci-dessus, puis appuyez sur la touche Définir.
      REMARQUE : À partir de cette étape, les valeurs de référence (c.-à-d. les lectures au-dessus de la canopée) sont automatiquement enregistrées et stockées dans l’intervalle de temps prédéfini (chaque lecture est accompagnée d’un bip). Évitez tout écart par rapport à la position définie de Instrument_1; sinon, la mesure de référence sera interrompue. Étant donné que la position correcte doit être atteinte dans une plage très étroite (mm), cette étape peut être lassante.
  8. Ensuite, commencez à mesurer l’irradiance transmise sous la canopée de la végétation (lectures sous la canopée) à l’aide de Instrument_2.
    REMARQUE: Pendant toutes les lectures sous la canopée, conservez la même orientation du champ de vision du capteur LAI (Instrument_2) que le capteur LAI (Instrument_1) des lectures de référence, par exemple, perpendiculairement au nord.
    1. Définissez les positions pour les lectures sous la canopée et démarrez les mesures de la valeur de transmission de la lumière à l’aide du capteur LAI de l’appareil.
      NOTE: Le modèle des mesures de champ LAIe dans différentes structures de canopée est décrit de manière exhaustive dans Černý et al.36 et Fleck et al.37.
    2. Dans le menu principal, choisissez Mesure (appuyez sur la touche Définir) et sélectionnez Lai. Appuyez sur la touche Set pour activer le mode de mesure de l’irradiance transmise sous la verrière.
      REMARQUE : La valeur d’irradiance actuelle s’affiche à l’écran. Cette valeur n’est pas encore stockée dans la mémoire interne de l’appareil (seul le mode de mesure est déclenché à ce moment-là).
    3. 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 (c’est-à-dire l’angle zénith 0°).
      REMARQUE: Simultanément, la position actuelle du capteur LAI apparaît à l’écran pour les axes X et Z.
    4. Ensuite, gardez l’appareil perpendiculairement à la surface du sol pour que le capteur LAI pointe vers le zénith.
      REMARQUE: L’indicateur sonore augmente sa tonalité en s’approchant de l’angle zénith correct.
    5. Vérifiez l’affichage, inclinez l’instrument à gauche et à droite et vers l’avant et vers l’arrière. Toutes les lectures sous la verrière sont automatiquement acquises et stockées immédiatement une fois que l’angle zénith défini par les axes X et Z atteint zéro ou moins de 5 (la tonalité sonore s’arrête).
      REMARQUE: Étant donné que la position correcte doit être atteinte dans une plage très étroite (mm), cette étape peut être lassante.
  9. Procéder à d’autres mesures de l’irradiance transmise (c.-à-d. lectures sous la canopée), en suivant les étapes 3.8.3 à 3.8.5.
  10. Après avoir effectué les mesures sous la verrière (Instrument_2), 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.
    REMARQUE: Après avoir terminé toutes les lectures de référence (Instrument_1), utilisez la même manière que pour Instrument_2.
  11. Les données sont enregistrées dans la mémoire de l’instrument après chaque lecture. Maintenez le bouton Menu enfoncé pendant au moins 1 s pour éteindre l’appareil en toute sécurité sans effacer aucune donnée.
  12. Connectez l’instrument à l’ordinateur; télécharger et traiter les données. Un exemple de mesure sur le terrain et de calcul LAIe est décrit à la section 4.

4. Un exemple de mesure sur le terrain et de calcul LAIe

  1. Définissez les points de mesure pour prendre des mesures sous la canopée. Organisez la disposition de mesure en transect (ou en grille régulière) avec des points de mesure équidistants pour capturer l’hétérogénéité de la canopée végétale causée par différentes tailles d’espaces.
    REMARQUE : Une disposition de transect appropriée pour la végétation plantée en rangées avec un couvert homogène est représentée à la figure 3. Pour plus de détails sur la disposition des mesures, suivez Černý et al.36 et Fleck et al.37.

figure-protocol-2
Figure 3: Disposition de Transect pour l’estimation du LAIe dans une couverture végétale homogène. Transect I-IV : numéro du transect ; Χ: point de mesure pour la prise de la lecture sous la canopée. Les dix premières positions sont étiquetées (1Χ-10Χ). Les transects doivent être orientés perpendiculairement aux rangées de plantes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

  1. Prenez des mesures au-dessus et au-dessous de la canopée en utilisant le mode à capteur simple ou double conformément à la section 2 ou à la section 3, respectivement.
  2. Après avoir effectué toutes les mesures sur le terrain, téléchargez les données dans l’ordinateur à partir du ou des appareils LP 110 utilisés en mode simple ou double capteur pour estimer la LAIe.
    REMARQUE: Pour le mode double capteur, suivez les étapes mentionnées ci-dessous pour les deux instruments (c.-à-d. Instrument_1 et Instrument_2).
    1. Connectez l’instrument à l’ordinateur via le câble connecté.
      REMARQUE: Pour le mode à double capteur, connectez d’abord l’appareil utilisé pour prendre des mesures de référence (c.-à-d. des lectures au-dessus de la verrière).
    2. Ouvrez le logiciel approprié (voir Tableau des matériaux) et appuyez sur la touche Configuration dans la barre principale. Ensuite, sélectionnez et appuyez sur Device ID.
      REMARQUE: Périphérique: LaiPen apparaît dans le coin inférieur gauche.
    3. Appuyez sur le bouton Périphérique et cliquez ensuite sur Télécharger.
      REMARQUE: Le logiciel permet également à l’utilisateur d’écrire toutes les remarques dans la feuille intitulée Notes affichées dans le coin inférieur gauche. Le logiciel fait automatiquement correspondre les lectures au-dessus de la canopée avec chaque lecture sous la canopée (transmittance) en fonction du temps de mesure.
    4. Appuyez sur l’icône Fichier dans le menu principal ; choisissez et cliquez sur Exporter. Ensuite, cochez ALAI et appuyez sur OK pour exporter les données.
      REMARQUE: Dans le fichier exporté (txt., xls.), les lectures au-dessus et au-dessous de la canopée (irradiance transmise) sont marquées comme Réf. Intensité et transmittance, respectivement.
  3. Calculer la valeur de transmittance (t) pour chaque point de mesure dans le transect (ou la grille) selon l’équation 1: t = I / Io (irradiance transmise sous la canopée divisée par l’irradiance incidente au-dessus de la végétation) résultant en t1, t2,..., tn, où n: est le nombre de points de mesure sous la canopée.
  4. Calculer la transmittance moyenne (T) de la canopée végétale étudiée, par exemple, dans le premier transect (T1): T1 = (t1 + t2...+ tn) / n, où n: est le nombre de points de mesure sous la canopée dans le premier transect.
    REMARQUE: Si les mesures sont prises dans plusieurs transects, procédez avec tous les transects (T2, T3et T4) de la même manière.
  5. Étant donné que l’intensité d’irradiation diminue de façon exponentielle à mesure qu’elle traverse la canopée étudiée, calculez le LAIe en suivant la loi d’extinction modifiée de Beer-Lambert (voir l’équation 2).
    1. Tout d’abord, trouvez le logarithme de la valeur de transmittance moyenne (T) de la canopée végétale étudiée, par exemple, dans le premier transect (T_I): T_I = - ln T1.
      NOTE: Si les mesures sont prises dans plusieurs transects, procéder avec tous les transects de la même manière (c’est-à-dire T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Calculer la valeur de transmittance moyenne (T) de tous les transects individuels: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. Ensuite, calculez la valeur LAIe finale en utilisant un coefficient d’extinction spécifié pour chaque espèce végétale selon l’équation 2.
      NOTE: Les coefficients d’extinction pour les principales espèces d’arbres sont répertoriés dans Bréda9. 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 LAI réelle.

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Résultats

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 (A vs .B) à l’aide de l’...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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’estimation du LAI pour d...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer. Les résultats représentatifs ont été utilisés à partir de l’article Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - un nouveau dispositif d’estimation de l’indice de surface foliaire de l’écosystème forestier par rapport à l’etalon: Une étude de cas méthodologique. Journal of Forest Science. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS basé sur l’aimable autorisation du comité de rédaction du Journal of Forest Science.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AccuPARMETER Group, Inc., Pullman, WA, États-UnisAccuPaR LP-80https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMONCSIRO, Canberra, AustralieDEMON
File ViewerLI-COR Biosciences Inc., NE, États-UnisFV2200C Softwarehttps://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPenPhoton System Instruments Ltd. (PSI), République tchèqueFluorPen 1.1.2.3 Sofwarehttps://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Appareil GPS portableGarmin Ltd., République tchèqueGarmin eTrex 32x Europe46https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Appareil portable pour l’estimation de l’indice de surface foliaire (LP 110)Photon System Instruments Ltd. (PSI) République tchèqueLaiPen LP 110https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
Analyseur de canopée végétaleLI-COR Biosciences Inc., NE, États-UnisLAI-2000 PCALAI-2200 PCA ou LAI-2200C en tant que versions améliorées de LAI-2000 PCA peuvent être utilisées, voir : https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/
Logiciel statistiqueSystat Software Inc., CA, États-UnisSigmaPlot 13.0https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
Logiciel statistiqueStatSoft Inc., OK, USASTATISTICA 10.0Pour la visualisation de l’IAL, des diagrammes de plaquettes ont été utilisés dans STATISTICA 10.0.
SunScanDelta-T Devices, Ltd., Cambridge, Royaume-UniSS1 SunScanhttps://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC3rd Wave Engineering, Ontarion CanadaTraçage du rayonnement et de l’architecture des auventshttp ://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen’s %20homepage/res_trac.htm
TrépiedN’importe queltrépied NA avec écrou standard
Niveau d’eauN’importe quelleNA

Références

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Mots-clés

Mesure optiqueEstimation de l LAIAnalyseur de canop e v g taleM thode optique indirectetude de la structure de la canop eRayonnement photosynth tiquement actifFraction de trou de la canop eMesure de l LAI sur le terrain

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