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植生キャノピーにおける光デバイスを用いた有効リーフ面積指数のフィールド測定

Published: July 29, 2021 doi: 10.3791/62802
Automatic Translation
1,2, 2
1Forestry and Game Management Research Institute, Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture, Faculty of Forestry and Wood Technology, Mendel University in Brno

Summary

地球生態系における高速かつ正確なリーフ面積指数(LAI)推定は、多様な生態学的研究とリモートセンシング製品の校正に不可欠です。ここでは、新しいLP 110光デバイスを使用して、地上ベースのLAI測定 を 行うためのプロトコルを紹介します。

Abstract

葉領域指数(LAI)は、生態系における葉の量を記述する重要なキャノピー変数です。このパラメータは、植物と大気の緑色成分との間の界面として機能し、多くの生理学的プロセス、主に光合成の取り込み、呼吸、および蒸散が発生します。LAIは、炭素、水、エネルギーサイクルを含む多くのモデルの入力パラメータでもあります。また、地上での現場測定 は 、リモートセンシング製品から得られるLAIの較正方法として機能します。したがって、正確かつ迅速なLAI推定を行うため、簡単な間接光学法が必要です。植生キャノピーとキャノピーギャップを介して送信された放射線との関係に基づく、新開発LP110光学デバイスの方法論的アプローチ、利点、論争、および将来の展望がプロトコルで議論された。さらに、装置は世界標準のLAI-2200植物キャノピー分析装置と比較した。LP 110は、現場で取得したデータをより迅速かつ簡単に処理することができ、プラントキャノピーアナライザよりも手頃な価格です。新しい器械は大きいセンサー感受性、内蔵のデジタル傾斜計および正しい位置の読書の自動ロギングのために上および下の天蓋読書のための使い易さによって特徴付けられる。したがって、ハンドヘルドLP110装置は、その代表的な結果に基づいて林業、生態学、園芸、および農業におけるLAI推定を行う適切なガジェットである。さらに、同じ装置はまたユーザーが入射した光合成活性放射(PAR)の強度の正確な測定を取ることを可能にする。

Introduction

キャノピーは、数多くの生物学的、物理的、化学的、および生態学的プロセスの場所です。それらのほとんどは、キャノピー構造1の影響を受けます。したがって、正確で、迅速で、非破壊的で、かつ信頼性の高い、水文学、炭素および栄養サイクリング、および地球規模の気候変動2、3を含む研究の広い範囲のために重要である。葉や針は大気と植生4との間の活発な界面を表すため、重要なキャノピー構造特性の1つは葉面積指数(LAI)5であり、個人の水平基面面積またはクラウン投影の単位当たりの緑葉表面積の2分の1または個体のリューズ投影として定義され、m2/m2で表され、無次元の可変6として、 7.

多様な生態系における地上LAIとその長所と短所を推定するための様々な機器と方法論的アプローチは、すでに8、9、10、11、12、13、14、15を提示されています。LAI推定法には、直接的および間接的な2つのカテゴリがあります(詳細については、包括的なレビュー8、9、10、11、12を参照)。主に森林スタンドで使用される地上ベースのLAI推定値は、直接のLAI決定の欠如のために間接的な光学法を用いて日常的に得られるが、それらは通常、時間のかかる、労働集約的で破壊的な方法9、10、12、16を表している。また、間接光学法は、より容易に関連パラメータを測定することからLAIを導き出す(その時間要求と労働性の高い性質の観点から)17、キャノピーの上下の入射照射との比率とキャノピーギャップ14の定量化などである。植物キャノピーアナライザも広く衛星LAIの検索を検証するために使用されている明らかです18;したがって、LP 110 比較の標準と考えられてきました(採用された機器の詳細については、資料表を参照)。

LP 110は、最初に自作のシンプルな器械ALAI-02D19および後のLP 10020の更新版として、植物キャノピー分析装置のための近い競争相手として開発された。間接的な光学方法の代表として、デバイスは、バブルレベルの代わりにデジタル傾斜計を使用し、より速く、より正確な測位と値の読み取りを可能にするセンサーとデータロガー間のケーブル接続を必要とせずに、手持ち型、軽量、バッテリー駆動です。さらに、デバイスは即座に読み出しを記録するように設計されました。したがって、LP110の場合、LP110の場合、プラントキャノピーアナライザより約1/3の短い時間見積もりが得られます。読み出しをコンピュータにエクスポートした後、そのデータは後続の処理に使用できます。デバイスは、LAI計算を行うLAIセンサーを使用して、青色の光の波長(すなわち、380-490nm)21、22内の放射照度を記録します。LAIセンサーは、16°(Z軸)と112°(X軸)の視野を持つ不透明な制限キャップによってマスクされています(図1)。したがって、光透過率は、地面表面に垂直に保持されたデバイス(すなわち、天頂角0°)、または0°、16°、32°、48°および64°の5つの異なる角度で、キャノピー要素の傾きを推測することができるように注意することができます。

Figure 1
図1:LP 110の物理的特徴MENU キーを使用すると、ユーザーがディスプレイ全体を上下にシフトすることができ、SET ボタンは Enter キー (A) として機能します。異なる傾斜角下の天頂ビュー(サイドビューにより±8)と水平ビューは、植物キャノピーアナライザ(制限器によって修正)と同様にLP110〜112°(B)に固定されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

LAIセンサーの高感度、その視野の制限、内蔵のデジタル傾斜計、ボタンプレスなしで音で示される正しい位置での読み取り値の自動ロギングのために、新しい機器は狭い谷や広い森林道路での天蓋以上の測定値にも適しています。それに加えて、比較的高い再生の上に成熟したスタンド天蓋の定量化を可能にし、植物キャノピー分析装置より放射照度の値のより高い精度を達成する。さらに、LP 110の価格は植物キャノピー分析装置の約1/4に等しい。逆に、LP110の利用は、高密度(すなわち、7.88以上のスタンドレベルでのLAIe)23 または草原としての非常に低い天蓋が限られている。

LP 110は2つの動作モード内で動作することができます:(i)単一センサーモードは、下の天蓋と参照測定値の両方(研究された天蓋の上または分析された植生の近くにある十分に広範囲にわたるクリアリング)を取り、同じ機器で撮影されたキャノピー以下の測定の前、後、または(ii)以下の読み取り用の最初の計測器を使用するデュアルセンサーモード 一方、2 番目の値は、通常の事前定義された時間間隔 (10 から 600 秒まで) 内で自動的に参照読み取り値を記録するために使用されます。LP 110は、上記の両方のモードの各キャノピー測定点の座標を記録するために、互換性のあるGPSデバイス( 材料表を参照)と一致させることができます。

有効リーフ面積指数(LAIe)24は、凝集指数効果を組み込み、調査した植生キャノピー25の上下に撮影された太陽ビーム放射の測定値から導出することができる。したがって、次のLAIe計算では、透過率(t)は、キャノピー(I)の下に透過し、LP110装置で測定した植生(Io)上の入射との両方の照射から計算されなければならない。

t = I / I0 (1)

照射強度は植生キャノピーを通過するにつれて指数関数的に減少するため、LAIeはモンシとサエキ9によって変更されたビール・ランバート絶滅法に従って計算することができます。

LAIe = - ln (I / I0)x k-1 (2),

ここで、kは絶滅係数です。絶滅係数は、既知のキャノピー要素傾斜およびビュー方向9,12を持つ植生キャノピーにおける各要素の形状、方向、位置を反映する。k係数(式2参照)は、葉による放射吸収の吸収に依存し、キャノピー要素の形態学的パラメータ、空間配置、光学特性に基づいて植物種によって異なります。通常、絶滅係数は0.59,27前後で変動するため、異種キャノピーと均質な天蓋に対して、Lang etal. 28によって提示される式2をわずかに異なる方法で単純化することができます。

異種の天蓋で

ライエ = 2 x | Equation 1ln t|(3),

又は

均質な天蓋の中で

ライエ = 2 x |ln T|(4),

ここで、t:各下天蓋測定点での透過率、およびT:測定されたトランセクトまたはスタンド当たりの t値 の平均透過率である。

森林スタンドでは、実際のLAI値を得るために、29、30、31、32、33、34の撮影内の同化装置の凝集効果のために、LAIeをさらに修正する必要があります。

このプロトコルは、中央ヨーロッパの側流林の林の立ち位置の選択された例でLAIeを推定するためのLP 110光学装置の実用的な利用に専念している(サイト、構造、およびデンドロメトリック特性については 表2 および 表3 を参照)。この装置を用いた植生キャノピーにおけるLAIe推定は、光合成活性放射線およびキャノピーギャップ画分の透過率に関する広く使用されている光学法に基づいている。本論文は、新しいLP110光デバイスを用いてLAIe推定を行うための包括的なプロトコルを提供することを目的としている。

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Protocol

メモ:計画的なフィールド測定を開始する前に、LP 110デバイスのバッテリーを十分に充電してください。機器(USBコネクタ、 図1を参照)とコンピュータを接続します。バッテリの状態は、デバイスディスプレイの左上隅に表示されます。

1. 測定前のキャリブレーション

メモ:LP 110では、各フィールド測定キャンペーンを開始する前に、LAIセンサーと内蔵のインクリノメーターキャリブレーションの暗いキャリブレーションを実行します。

  1. LAIセンサーの暗いキャリブレーション
    1. 1 s 以上の Set キーを押したままにして、機器の電源を入れます。
      注: [設定] ボタンは、Enter キーとして機能します。
    2. 設定(メニューキーは上下にシフトすることができます)を選択し、Lai Cal.>設定を押してSetキーを押し、LAIキャリブレーション定数が1(すなわち、C = 1.0)に固定されているかどうかを確認します。設定されていない場合は、Setキーを繰り返し押して定数を 1.0 に調整し、メイン メニューに戻ります (メニュー |を押します。返品|を設定します。
      メモ:シングルセンサーモード(セクション2を参照)を使用してLAI測定を行う場合、すべての測定値に対して1.0の定数値を推奨します。
    3. [設定]を選択し、[設定]を押|ライ・ゼロ・|を設定します。キャリブレーションプロセス全体で光干渉を避けるために、不透明な布や手のひらなどを使用してLAIセンサーを完全にカバーします。その後、Setキーを押して、ディスプレイに表示されるゼロ値を維持します。
    4. Return が選択されるまでメニューキーを繰り返し押してメインメニューに戻り、Setキーを押します。
  2. 傾斜計キャリブレーション
    メモ:各LP 110デバイスは、読み取りの正しい傾斜角度を確保するために、内蔵の電子傾斜計が装備されています。内部傾斜計は、水位を使用して(再)較正されなければなりません。
    1. 垂直キャリブレーション
      1. デバイスの電源が切れている場合は、少なくとも1 sの Set キーを押したままにして、機器をオンにします。
      2. [設定]を選択し、[設定]を押|垂直カル|電子傾斜計をアクティブにするように設定します。
      3. デバイスを縦に保持し、装置と一緒にその側面に水位を配置します。
      4. 水位の気泡に従ってデバイスの左右のバランスをとり、X 軸のゼロまたはゼロに近い値を達成します。読み込まれていない場合は 、Set キーを押して、X 軸の 0 が読み取られるまで読み取りを調整します。
      5. デバイスの背面に沿って水位を配置して、垂直キャリブレーションを完了します。
      6. デバイスをもう一度左または右に傾け、デバイスの表示が X 軸に対して 0 を読み取るかどうかを確認します。
      7. X 軸のゼロ角位置を保持し、同時に水位バブルに従って前方または後方(Z 軸)を傾け、X 軸の角度の値をゼロまたはゼロに近づけるようにします。
      8. Z 軸の読み取り値が 0 に等しいか、または 0 に近づくかを確認します。ない場合は 、Set キーを押したまま、X 軸と Z 軸の両方にゼロの読み取り値を設定するようにデバイスを再調整します。
      9. メニューキーを繰り返し押して、Returnを選択してメインメニューに戻り、Setキーを押します。
    2. 水平キャリブレーション
      1. [設定]を選択し、[設定]|水平カル|電子傾斜計をトリガするように設定します。
      2. デバイスを水平に保持します。次に、デバイスの背面に沿って水位を配置します。
      3. 水位の気泡に応じて水平位置にデバイスを水平にします。楽器を左または右に傾け、X軸とY軸に沿って上下に傾けます。
      4. 両方の水位気泡に従って正しいセンサー位置を達成した後、Y軸の読み取り値がゼロまたはゼロに近いかを確認します。ない場合は 、Set キーを押して、楽器の水平位置を再調整します。
      5. メニューキーを繰り返し押して、Returnを選択してメインメニューに戻り、Setキーを押します。

2. LAIe推定用シングルセンサーモード

  1. デバイスの電源がオフになっている場合は、1 s 以上の Set キーを押して、機器のスイッチをオンにします。
  2. ステップ1.1および1.2に従って各フィールド測定キャンペーンを開始する前に、機器を調整します。
    メモ:キャリブレーションが既に実行されている場合は、手順2.3に進んでください。
  3. その後、現在の日付と時刻を設定します(メニューキーを繰り返し押して、メインメニューの設定を探します)。次に、[設定] を押|時刻;もう一度[Set]ボタンを押して、メインメニューに戻ります([戻る]を選択して[Set]キーを押したままにします)。
    メモ:正確な時間設定については、関連するソフトウェアに表示されているコンピュータと時刻を一致させます(接続されたケーブルを介してLP 110デバイスをコンピュータに接続します)。ソフトウェアを開き、セットアップ|を押します 。デバイス ID |デバイス。オンラインコントロール|を選択して押す 時間.次に、[ コンピュータの時刻と同期] オプションにチェックマークを付けて 、[編集]を押します。
  4. 設定 を使用して、計測器を単一角度測定モードに設定します。[設定|を押す角度||を設定するシングル(Menuキーを使用して確定)し、メインメニューに戻ります(Returnキーを押したままSetキーを押したままにします)。
    1. リーフ角度の傾斜を推定する必要がある場合は、マルチアングル測定モードを設定します。 設定|角度|マルチ ( メニュー ボタンを押す)を押して、メインメニューに 戻ります([戻る ]を選択して [Set] キーを押したままにします)。
  5. 測定の位置に関する記録が必要な場合は、関連するGPSデバイスをオンにします(詳細な手順と 資料表については、以下のセクションを参照)。ない場合は、ステップ 2.6 に進みます。
    1. デバイスの時刻がコンピュータと一致していることを確認します。
      注: 調査対象の場所のタイム ゾーンを反映するように、時刻を正しく設定する必要があります。
    2. GPSデバイスの電源を入れ、現在の位置が見つかるまでしばらく待ちます。GPSデバイスの表示位置を確認します。
      注: 精度は、調査した植生のキャノピーの密度に依存します。
    3. すべてのフィールド測定を行う際は、LP110とGPSデバイスの両方を携帯してください。
    4. すべてのフィールド測定を行った後、LP 110マニュアルとユーザーガイド、操作手順のセクション35に従って、コンピュータに両方のデバイスを接続し、ダウンロードし、関連するソフトウェア(資料表を参照)でデータを処理します。
  6. 開いた領域または測定された植生の上(すなわち、天蓋以上の読書)で参照測定を取る。晴天の場合、光がビュー制限カップに直接入らないようにします( 図1を参照)。
    メモ:シングルセンサー測定モードでは、標準的な曇りの間、日の出前、または日没後(図2)の間に一定の光条件下で上と下の両方の測定値を取り、誤った放射照度値を得ないようにします。

Figure 2
図2:LP110を用いたLAIe測定の最適な気象条件 LP 110を使用する場合の最適な気象条件は、直接日射量のない均一に曇り空(A)であるか、日の出前または日没後(B)のいずれかを使用します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

  1. メインメニューで [測定] を選択し (Set キーを押します )、[Lai Ref]を選択します。 Set キーを押すと、基準測定モードがアクティブになります。
    メモ:現在の放射照度の値がディスプレイに表示されます。この値は、デバイスの内部メモリにまだ格納されていません(計測モードは、現時点ではトリガされます)。
  2. その後、もう一度 Set キーを押して、正しい LAI センサー位置(つまり、天頂角 0°)の検索を開始し、内蔵の傾斜計と音圧計の両方をアクティブにします。
    メモ:同時に、LAIセンサーの現在位置は、X軸とZ軸の両方のディスプレイに表示されます。
  3. その後、デバイスを地面に垂直に保持し、LAIセンサーが天頂に向かっていることを確認します。
    注:サウンドインジケータは、正しい天頂角に近づくにつれて音量が上がります。
  4. ディスプレイを確認し、計器を左右に傾け、前方と後方に傾けます。参照値は、X 軸と Z 軸の両方で定義された天頂角が 0 または 5 未満 (ビープ音が止まる) に達すると、すぐに自動的に取得され、保存されます。
    注:正しい位置を非常に狭い範囲(すなわち、mm)で達成しなければならないので、このステップは疲れがあります。
  1. 参照測定を行った後 、Menu キーを押して測定メニューに戻ります。次に、キャノピーの下の透過照射のレベルを測定し始める。
    1. キャノピー以下の測定値を取るための位置を定義し、デバイスのLAIセンサーを使用して光透過率値の測定を開始します。
      注:異なるキャノピー構造におけるLAIeのフィールド測定のパターンは、Cernýら36とFleckららによって詳細に言及されています。
    2. 測定メニューで 「ライ」 を選択します。 [Set] キーを押して、キャノピーの下で透過照度測定を行うためのモードを有効にします。
      メモ:現在の放射照度の値がディスプレイに表示されます。この値は、デバイスの内部メモリにまだ格納されていません(計測モードは、現時点ではトリガされます)。
    3. もう一度 Set キーを押して、以下のキャノピーの測定値を記録します。内蔵の傾斜計と音のインジケータは、正しいLAIセンサーの位置(すなわち、天頂角0°)を得るためにトリガされます。
      メモ:同時に、LAIセンサーの現在位置は、X軸とZ軸の両方のディスプレイに表示されます。
    4. その後、デバイスを地面に垂直に保持し、LAIセンサーが天頂に向かっていることを確認します。
      注:サウンドインジケータは、正しい天頂角に近づくにつれて音量が上がります。
    5. ディスプレイを確認し、計器を左右に傾け、前方と後方に傾けます。天蓋下の測定値はすべて、X軸とZ軸の両方で定義された天頂角がゼロまたは5未満(ビープ音が止まる)に達すると、すぐに自動的に取得され、保存されます。
      注:正しい位置は非常に狭い範囲(mm)で達成されなければならないと考えると、このステップは疲れがあります。
  2. ステップ2.7.3-2.7.5に従って、植生キャノピーの下で送信された放射照度のさらなる測定を進める。
    注:参照測定値は、キャノピー以下の測定値の間でいつでも取ることができます。たとえば、各トランセクトを完了した後、メニューボタンを押し、ライレフ(Setキーを押したまま)を選択し、手順2.6.2-2.6.4に従って続けます。
  3. キャノピー以下の測定を終えた直後( メニュー ボタンを押して 、ライレフ を選択して Set キーを押したままにして)、開いた領域での放射照度を測定して、ステップ2.6.2に従って最後の基準値を取得します。2.6.4に。
  4. メニューキーを繰り返し押して、Returnを選択してメインメニューに戻り、設定ボタンを押します。
  5. 各測定後、データはデバイスの内部メモリに格納されます。データを削除せずにデバイスの電源を安全にオフにするには、少なくとも1 sの メニュー ボタンを押したままにします。
  6. 計器をコンピュータに接続します。データをダウンロードして処理します。フィールド測定とLAIe計算の例はセクション4で説明されています。

3. LAIe を推定するためのデュアルセンサーモード

  1. 少なくとも1 sの Set キーを押して両方の楽器をオンにします。
    注:Instrument_1とInstrument_2は、それぞれ上記(参照)と以下の天蓋の測定値のために指定されています。デュアルセンサー測定モードでは、1つのデバイス(Instrument_1)がオープンエリア(またはキャノピーの上の気候マストの上部)の三脚に取り付けられ、2番目のデバイス(Instrument_2)は透過した放射光の下の天蓋測定を行う役割を果たします。Instrument_1は、事前定義された時間間隔(10秒から600秒まで)で自動的に参照信号を記録します。このアプローチでは、かなりの量の参照データを収集するため、個々の下天蓋測定の参照値を計算する際の精度が向上します。
  2. 両方の楽器の現在の日付と時刻を設定します(メニューボタンを繰り返し押して、メインメニューの設定を探します。次に、[設定] を押|時間|を設定します。メインメニューに戻ります(Returnを選択し、Setキーを押したままにします)。
    注:正確な時間設定については、関連するソフトウェアに表示されるコンピュータと時刻を一致させます(接続されたケーブルを介してデバイスをコンピュータに接続します)。ソフトウェアを開き、[ セットアップ] |デバイス ID |デバイス。次に、オンラインコントロール|を選択して押します 。時間.[ コンピュータの時刻と同期] オプションにチェックマークを付けて 、[編集]を押します。
  3. その後、両方の計器を単一角度測定モードに設定します。[設定]を選択する(Setキーを押したままにする)|角度||を設定するシングル(Menuキーで確認)。メインメニューに戻ります(Returnを選択し、Setキーを押したままにします)。
    1. 調査した植生キャノピー内の葉角度の傾斜を推定する必要がある場合は、Instrument_2(天蓋以下の測定値)を多角測定モードに設定します。[設定]を選択(Setキーを押す)|角度([設定]ボタンを押します)。次に、マルチ(メニューキーで確認)を選択し、メインメニューに戻ります(戻り、Setキーを押したまま)。
  4. キャノピー以下の測定の位置に関する記録が必要な場合は、関連するGPSデバイスをオンにします(詳細な手順と 資料表については、以下のセクションを参照)。ない場合は、ステップ 3.5 に進みます。
    1. キャノピー(Instrument_2)以下の測定値を取るために使用されるデバイスに表示される時間がコンピュータと一致することを確認してください。
      注: 調査対象の場所のタイム ゾーンを反映するように、時刻を正しく設定する必要があります。
    2. GPSデバイスの電源を入れ、現在の位置が見つかるまでしばらく待ちます。GPSデバイスに表示されている場所を確認します。
      注: 精度は、調査した植生のキャノピーの密度に依存します。
    3. すべてのフィールド測定を行う際に、キャノピー(Instrument_2)の下の測定値を取るためのLP 110とGPSデバイスの両方を運びます。
    4. すべてのフィールド測定を行った後、両方のデバイス(Instrument_2とGPSデバイス)をコンピュータに接続します。LP 110 マニュアルおよびユーザーガイド、操作手順のセクション35に従って、関連するソフトウェア (資料一覧を参照) のデータをダウンロードして処理します。
  5. セクション1.1と1.2に従って、各フィールド測定キャンペーンを開始する前に両方の機器を調整します。
    注: キャリブレーションが既に実行されている場合は、ステップ 3.5.1 に進みます。
    1. LAIセンサーと内蔵のインラインメーターの両方を校正した後、LP 110デバイス(Instrument_1とInstrument_2)の両方を互いに較正します。
      1. 両方のデバイスで、メインメニューで [設定] を選択し (Set キーを押します)、[Lai キャリブレーション ]( 設定 ボタンを押す)を選択します。次に、両方のデバイスを垂直位置に水平に保持し、Instrument_1(参照値)で Set キーを繰り返し押して、Instrument_2のデバイスの画面上に表示されているのと同じ値を得ることによって、定数値 (ディスプレイ上で C とマーク) を調整します。次に、 メニュー ボタンを押してメインメニューに戻ります (Return キーを押して Set キーを押したままにします)。
  6. 晴天の場合、天蓋の測定値をすべて取るときに直射日光がビュー制限カップに入らないようにします( 図1を参照)。
    注:デュアルセンサー測定モードでは、正しくない放射照度値が得られないよう、標準の曇り、日の出前、または日没後の一定の光条件下で、天蓋の上と下の両方の測定値を取ります(図 2)。
  7. Instrument_1を、開いた領域または調査済みのキャノピーの上に置かれた三脚(気候マストの上部)に垂直に取り付けます。
    注:このデバイスは、継続的に参照値(すなわち、キャノピーの測定値)を記録します。
    1. まず、メインメニューで [設定] を選択し (Set キーを押します)、[ 自動間隔 ]を選択します(もう一度 [Set] キーを押します)。次に 、Set キーを繰り返し押し、[ メニュー] ボタンを押して、参照値を自動的に記録する間隔を選択します (10 ~ 600 秒)。
      注: 光の状態が急激に変化した場合に測定値の精度を上げるために、参照値を自動的に記録する時間間隔を短く設定します。
    2. Menuキーを押し、戻るを選択し、設定ボタンを押したままメインメニューに戻ります。
    3. 続いて、メニューボタンを繰り返し押して(Setキーを押したまま)、メインメニューの「測定」を選択します。次に、正しい LAI センサー位置(つまり、天頂角 0°)の検索を開始するには、[自動ライ参照](Setキーを押します)を選択します。
      メモ:現在の放射照度の値がディスプレイに表示されます。この値は、デバイスの内部メモリにまだ格納されていません(計測モードは、現時点ではトリガされます)。
    4. ディスプレイを確認し、計器を左右に傾け、前方と後方に傾けます。ゼロまたは 5 未満の値 (つまり、X 軸と Z 軸の両方が 5 の値より小さい) で定義された天頂角に達した後、デバイスを上記の必要な位置にしっかりと固定し 、Set キーを押します。
      注:このステップから、参照値(すなわち、キャノピーの測定値)は自動的に記録され、事前に定義された時間間隔で保存されます(各読み取り値はビープ音を伴います)。Instrument_1の設定位置からの偏差を避けます。そうでない場合は、参照測定が中断されます。正しい位置は非常に狭い範囲(mm)で達成されなければならないと考えて、このステップは、疲れとすることができます。
  8. その後、Instrument_2を使用して植生キャノピー(以下の天蓋測定値)の下で送信された放射照度を測定し始めます。
    注:すべてのキャノピー以下の読み取りでは、LAIセンサーの視野(Instrument_2)と基準値のLAIセンサー(Instrument_1)と同じ方向を、例えば北に垂直に保ちます。
    1. キャノピー以下の測定値の位置を定義し、デバイスのLAIセンサーを使用して光透過率の測定値を開始します。
      注:異なるキャノピー構造におけるLAIeのフィールド測定のパターンは、Cernýら36 およびFleckら.37に包括的に記述されています。
    2. メインメニューで[測定](Setキーを押す)を選択し、[Lai]を選択します。[Set]キーを押して、キャノピーの下の透過照度測定モードを有効にします。
      注: 現在の放射照度値が表示されます。この値は、デバイスの内部メモリにまだ格納されていません(この時点で測定モードがトリガーされるだけです)。
    3. Setキーをもう一度押してキャノピーの下に送信された放射照度の値を取得し、内蔵の傾斜計とサウンドインジケータの両方をトリガーして、正しいLAIセンサーの位置(すなわち、天頂角0°)を見つけます。
      注意:同時に、LAIセンサーの現在位置は、X軸とZ軸の両方に表示されます。
    4. 次に、デバイスを地面表面に垂直に保ち、LAIセンサーが天頂に向くようにします。
      注:サウンドインジケータは、正しい天頂角に近づくことでトーンを増加させます。
    5. ディスプレイを確認し、楽器を左右と前方と後方の両方に傾けます。天蓋下の測定値はすべて、X軸とZ軸の両方で定義された天頂角がゼロまたは5未満(ビープ音が止まる)に達すると、すぐに自動的に取得され、保存されます。
      注:正しい位置は非常に狭い範囲(mm)で達成されなければならないと考えると、このステップは疲れがあります。
  9. ステップ3.8.3-3.8.5に従って、透過照射度(すなわち、キャノピー測定値以下)のさらなる測定を進める。
  10. 以下のキャノピー測定(Instrument_2)を取った後、 メニュー ボタンと メニュー キーを繰り返し押して 、戻る ボタンを選択してメインメニューに戻り、 設定 ボタンを押します。
    注: すべての参照(Instrument_1)を完了した後、Instrument_2と同じ方法を使用してください。
  11. データは、各読み取り後に計測器のメモリに保存されます。データを削除せずにデバイスを安全にオフにするには、少なくとも1 sの メニュー ボタンを押したままにします。
  12. 計器をコンピュータに接続します。データをダウンロードして処理します。フィールド測定とLAIe計算の例はセクション4で説明されています。

4. フィールド測定とLAIe計算の例

  1. キャノピー以下の測定を行う計測ポイントを定義します。等距離の測定ポイントを使用して、測定レイアウトを等距離の測定ポイントで配置し、異なる大きさのギャップによって生じる植生キャノピーの不均一性を捉えます。
    注: 図 3に、同種のキャノピーを持つ行に植林する植生に適したトランセクト レイアウトを示します。測定レイアウトの詳細については、Cernýらら36 とFleckら.37に従ってください。

Figure 3
図3:同種植生カバーでLAIeを推定するためのTransectのレイアウト トランスエクセクトI-IV:トランセクトの番号;Χ:以下のキャノピー読み取り値を取るための測定点。最初の10のポジションにはラベルが付いています(1Χ-10Χ)。トランセクトは、植物の列に垂直に向ける必要があります。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

  1. セクション 2 またはセクション 3 に従って、シングルセンサーモードまたはデュアルセンサー モードを使用して、上方とキャノピー以下の両方の測定を行います。
  2. すべてのフィールド測定を完了したら、シングルまたはデュアルセンサーモードで使用されるLP 110デバイスからコンピュータにデータをダウンロードして、LAIeを推定します。
    メモ:デュアルセンサーモードの場合、両方の計測器(Instrument_1とInstrument_2)について、以下の手順に従ってください。
    1. 機器を接続されたケーブルでコンピュータに接続します。
      メモ:デュアルセンサーモードの場合は、最初に参照測定(すなわち、キャノピー以上の測定値)を取る際に使用されるデバイスを接続します。
    2. 関連するソフトウェアを開き(「 表」を参照)、メインバーの セットアップ キーを押します。次に、[デバイス ID]を選択して押します。
      メモ: デバイス: ライペン は左下隅に表示されます。
    3. [デバイス]ボタンを押し、続いて[ダウンロード] をクリックします。
      注:ソフトウェアはまた、ユーザーが左下隅に表示される ノート と題したシート内の任意の注釈を書き留めるすることができます。ソフトウェアは自動的に測定時間に基づいて各キャノピー(透過率)の読書と上の天蓋の測定値を一致させる。
    4. メインメニューの ファイル アイコンを押します。を選択し、[ エクスポート] をクリックします。次に 、ALAI にチェックを入れ 、OK を 押してデータをエクスポートします。
      注: エクスポートされたファイル (txt., xls.) では、キャノピーの上と下の測定値(透過放射)はそれぞれRef. 強度 と 透過率としてマークされます。
  3. トランセクト内の各測定点の透過率(t)値を計算します(またはグリッド)は、式1:t= I/Io(キャノピーの下に送信された放射照度を植生の上の入射放射率で割った)を得てt1、t2,...,tn、n:以下のキャノピー測定点の数です。
  4. 研究した植生キャノピーの平均透過率(T)を計算しますが、例えば、第1のトランセクト(T1):T1=(t1+t2.+tn)/nは、n:最初のトランセクト内のキャノピー以下の測定点の数です。
    メモ:複数のトランセクトで測定を行う場合は、すべてのトランセクト(T 2、T3、T4)を同じ方法で実行します。
  5. 照射強度は、研究されたキャノピーを通過するにつれて指数関数的に減少するので、変更されたビール・ランバート絶滅法に従ってLAIeを計算します(式2参照)。
    1. まず、研究した植生キャノピーの平均透過率値(T)の対数を、例えば、第1のトランセクト(T_I):T_I=-lnT1で求める。
      注: 複数のトランセクトで測定を行う場合は、すべてのトランセクトを同じ方法で進めます(つまり、T_II = - lnT2;T_III = - ln T3;T_IV = - ln T4)。
      1. すべての個々のトランセクトから平均透過率値(T)を計算します: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + +(ln T_IV) / 4.
    2. その後、各植物種に指定された絶滅係数を式2に従って、最終的なLAIe値を計算します。
      注:主な樹種の絶滅係数は、ブレダ9に記載されています。森林スタンドでは、実際のLAI値を得るために、29、30、31、32、33、34の撮影内の同化装置の凝集効果のためにLAIeを修正する必要があります。

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Representative Results

両方の試験されたデバイスから得られた空間構造は、明らかにすべての研究プロットで異なっていた、すなわち、上(A)から間引きされ、下(B)とシルビカルチャー介入のないコントロール(C;詳細については表2を参照)から薄くなった。スタンドレベルでは、ANOVAとTukeyの検定を用いて、LP110と植物キャノピーアナライザから得られたLAI値の類似の違いを、様々な密度(A対.B)を有する間で確認した。植物キャノピー分析装置では、対照プロットでは、薄膜化されたLAI値よりもシルビカルな介入がない(A,B)よりも有意に高いLAI値が観察された。しかし、この値は、制御プロット中のLP110から得られたLAIを大幅に上回った。LP110については、LAIはCおよびBの治療において有意に異なっていなかった。これに対して、CプロットとAプロットの間にLAI値の有意差が見られた。一般的に、LAIは研究されたスタンドで間引き処理を施した後に有意に減少した。LP110(LaiPen LP110)を使用すると推定されたLAIは、プロットAでより明らかに減少したのに対し、分析装置(LAI-2200 PCA)から得られたLAI値はプロットBでより減少した。しかし、これらの記録された違いはわずかでした(図4)。

Figure 4
図4:ノルウェースプルースポールのLP110と植物キャノピーアナライザ光学デバイスを用いて推定されるLAI値は、異なるシルビカルチュラル処理の下に立っています。 LAIを推定するために、各研究されたスタンドで81の以下の天蓋の測定値が採取された。A:上から間引き。B:下から間引き。C: コントロールプロット。ドットは平均の LAI 値を示します。ウィスカーは標準偏差を表示します。様々な文字は、Tukeyのポストホックテストを使用して、シルビカルな治療法と異なる光学機器の間で有意な違い(p < 0.05)を示しています。この図は、チェルニーら20から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

LAI値の空間的変動性は、純粋なノルウェースプルースポールスタンドにおける各間引き処理の 図5 に示されています。

Figure 5
図5:研究したトウヒキャノピーの下で個々の測定ポイントのレベルでLP 110と植物キャノピーアナライザを使用して推定されたLAIの空間的不均一性。A:上から間引き。B:下から間引き。C: コントロールプロット。矢印の上の数字は、通常のグリッド内の測定ポイントの横辺の長さと間隔を示します。この図は、チェルニーら20から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

LP 110は、それぞれプロットAとCでLAIを7.4%と10.6%過小評価した。これに対して、この装置は、プロットBの植物キャノピーアナライザから得られたLAIスタンド値を3.7%過大評価した。適用された薄化処理に関係なくすべてのLAI値からの合計平均を計算し、その後比較した場合(LP 110対植物キャノピーアナライザ)、LP 110デバイスは、植物キャノピーアナライザによって得られたLAIを5.8%過小評価しました。続いて、通常のグリッド内に配置された個々のポイントを上回る特定のLAI値の差を両方の計器について計算し、その後、これらの偏差をパーセンテージで表した。このような状況下で、LP110と植物キャノピー分析装置で測定されたLAI値は大きく異なった(表1)。

シルビカルチュラルトリートメント フォレストスタンド LAI 個別測定ポイントのレベルでのLAI-2200 PCAと比較したライペンLP110とのレーの相対的な差(%)の比較(%)。
ライペンLP 110 (m2 m-2) LAI-2200 PCA (m2 m-2)
ある 7.05 ± 1.73 7.61 ± 2.29 1 ± 37 (-58; 156)
B 7.76 ± 1.36 7.48 ± 1.75 8 ± 30 (-33; 183)
C 8.35 ± 1.23 9.34 ± 2.51 -5 ± 26 (-48; 115)

表1:個々の測定ポイントのレベルでLP 110と植物キャノピーアナライザーの間で%として表されるスタンドレベルとLAIの違いを平均します。 A:上から間引き。B:下から間引き。C: コントロールプロット。このテーブルは、チェルニーら20から変更されています。

LP110とプラントキャノピーアナライザを用いて特定のポイントレベルで測定されたすべてのLAIデータについて、両方の採用されたデバイス間の線形回帰が行われた。y = 0.8954x の線形回帰 (R2 = 0.94;RMSE = 2.11438) は、両方のテスト済み計測器からすべての LAI データについて検出されました (図 6)。

Figure 6
図6:研究されたノルウェースプルースポールスタンドの個々の測定ポイントのレベルでのLP 110と植物キャノピーアナライザからのLAI値の線形回帰。この図は、チェルニーら20から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

地理座標 49°29'31" N, 16°43'30" E
高度 610-625 m. a. s. l.
平均年間気温 6.5 °C
平均年間降水量 717 mm

表2:調査サイトの特徴 このテーブルは、チェルニーら20から変更されています。

陰謀 スタンドの年齢(年) スタンド密度(木は-1) 高さ (m) DBH (cm) BA1.3 (m2·ha-1) 成長在庫(m3・ha-1)
ある 36 1.930 14.14 ± 3.73 14.84 ± 6.13 36.60 ± 0.25 250.02 ± 2.00
B 36 1.915 16.33 ± 2.37 15.81 ± 4.47 43.41 ± 0.17 290.07 ± 1.32
C 36 4.100 12.72 ± 2.68 10.97 ± 4.81 36.96 ± 0.19 287.12 ± 1.39

表3: 2014年に25 m x 25 mの面積をカバーする研究済みスタンドのデンドロメトリックと構造特性.各研究されたスタンドでは、81のキャノピーの測定値が標準的な曇り空の下で通常のグリッド(3 m x 3 m)内で撮影されました(詳細については、Černýら20に従ってください)。すべてのLAI測定は、LAI値が最も安定している7月と8月に行われました。A:上から間引き。B:下から間引き。C: コントロールプロット;DBH:胸の高さで茎の直径;BA1.3: 胸の高さの基礎領域。スタンドレベルのBA1.3では、研究されたスタンドで提示された各木の基底領域は、次のように計算されます: BA1.3 = (∏*DBH2)/4は、合計されました。このテーブルは、チェルニーら20から変更されています。

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Discussion

LAIを推定する(またはPAR強度測定を行う)新しく提示されたデバイスとしてのLP 110と、間接法を介してLAIを推定するための以前の標準LAI-2000 PCAの改良版としてLAI-2200 PCAの違いは何ですか?LP 110と比較して、プラントキャノピーアナライザの価格が約4倍高いだけでなく、出力パラメータの数、測定条件、方法論的アプローチ、および異なるキャノピーのLAIを推定する可能性、結果の精度などを比較することができます。

ハードウェアを比較すると、LP 110はより使いやすいようです。LP 110は軽い装置であり、センサーおよびデータ・ロガー間のケーブル接続を要求しない。両方のセンサー(すなわち、LAIおよびPAR測定の場合、 図1を参照)は装置の本体内に統合され、オペレータは調査された生態系全体(低木や高密度林など)を通して容易に移動することを可能にする。読み取り値の精度を確保するためには、正しいセンサー位置と値の保存が不可欠です。この位置(天頂または事前設定された角度)は、センサーがターゲット位置から近いか遠くにある場合、音周波数の変化によって識別されます。最も負荷の高い音(音量を補正することができる)の下でも、保持されたLP110は自動的に読み取り値を保存する。逆に、プラントキャノピーアナライザの正しいセンサー位置を見つけることは、手持ちのスティック上の手動バブルレベルで行う必要があります。オペレーターは、バブルレベルをチェックしながら同時に読み取り値を保存するためにボタンを押す必要があります。しかし、ボタンを押すと正しいセンサー位置が日常的に失われ、読み取り値の精度が低下します。視覚的にLP 110測定値を取るためには、気泡レベルをチェックする必要がないので、また、ユーザーが自然または人工再生、背の高い草本や低木層の天蓋の上を測定することを可能にする、拡張棒に機器を保持する可能性があります。この場合、音の周波数の変化に基づいて、正しいセンサーの位置を見つけることができます。

LAIセンサーの構造に関しては、LP110とプラントキャノピーアナライザの間には、特にセンサー感度とセンサーの視野(FOV)に関しては違いがあります。プラントキャノピーアナライザのLAIセンサーが野外にさらされた場合、高い空気湿度条件下で曇りが発生する可能性があり、これは一般的にオープンエリアで早朝に発生します。逆に、LP 110のLAIセンサーは、リミッタビューカップの内側にあるため霧のないものである(図1)。LP 110のLAIセンサーの制限器は取り外し可能ですが、それは固定FOVを持っています。しかし、植物キャノピーアナライザのLAIセンサーのFOVは、異なる制限器(不透明なビューキャップ)を使用して方位角と天頂方向の両方で、またデータ後処理時にマスキング手順を使用して変更することができます。LP 110のLAIセンサーのFOVは比較的狭く、植物キャノピーアナライザと比較して操作できないにもかかわらず、このセンサーの感度は約10倍高くなっています。この高いLAIセンサー感度により、ユーザは低い放射照度の条件下でLP 110を使用して測定を行い、また狭い森林道路や線上など、非常に狭いオープンプロット上の上のキャノピー(参照)測定値を取ることを可能にします。さらに、上記からキャノピー以下の測定値の比が高くなり、測定された透過率の精度が向上し、したがってLAIe推定が向上します。一方、LP110のLAIセンサの狭いFOVにより、トランセクト当たりのキャノピー以下の測定値の数を増やす必要があります。

LP 110と植物キャノピーアナライザの間には、いくつかの類似点があります。 例えば、測定条件およびLAIセンサー天頂角ビューの変更(LP 110の場合は0°、16°、32°、48°、64°、および7°、23°、38°、53°、および68°の植物キャノピーアナライザーの角度を定量化する。植物キャノピー分析装置と同様に、LP 110は光反射率の効果を減少させ、特定のセンサーの波長特性に起因する葉による光の実際の光吸収部分を測定する。SunScan、AccuPAR、TRAC39、DEMON9、40などの光学式計測器は、光反射率に関係なく比較的広い光間隔で測定します( 詳細は、材料表を参照してください)。デュアルセンサーモードでは、通常1つのセンサーをオープンエリアに配置して、LP 110とプラントキャノピーアナライザの10-360 sと5-3,600sの範囲の時間間隔でキャノピー(基準)の測定値を取り、個々の測定にGPS位置を追加する可能性があります。両方の機器について、雨の状態の間と直後にLAIeを測定することは不可能です:茎を含む湿ったキャノピー要素は、キャノピーの下の光反射率と透過率の両方の値を高めます。したがって、実際のLAIeはそのような条件下で過小評価されています。ii) キャノピー要素が動く風の強い条件の間、透過率値はセンサーの位置が安定していても大きく変化し、また、光条件が急激に変化する不安定なシノプティック状況ではiii)変化する。最後の条件は、センサーの狭いFOVのためにLP 110のためにそれほど制限されていません。また、障害物の距離も考慮する必要があります。しかし、適切なセンサーの向きは問題を軽減します。どちらのデバイスでも、日の出や日没に近い晴れた日にLAIeを推定することも可能です。直射日光が制限キャップスロットを通してLAIセンサーに入ることができる正午を除いて、LAIeの測定は終日を通して可能です。LAIセンサーが太陽(LP 110に関連する)またはオペレータの背面(プラントキャノピーアナライザに関連する)に向かって垂直に向いている場合でも。ただし、ルブランとチェン41によって提示されたいくつかの修正手順を適用する必要があります。上記のキャノピー測定値が短い期間(約1〜2分)の間に±20%以上変化する場合、LAIeの測定を継続することは、予想される極めて高いLAIe推定誤差のために役に立ちません。この問題は、同じ正確な時間設定とキャリブレーションを持つ2つのユニットを使用するデュアルセンサーモードでのキャノピー測定値の上と下の正確な同期推定で回避できます。LP 110を使用してLAIeを推定するための次の重要なステップは、特に単一センサーモード(上と下のキャノピー測定値、すなわち森林スタンドとオープンプロットの間の最大タイムラグ)のために、上記のキャノピー測定値に適したオープンエリアの選択であり、オープンエリアのサイズはセンサーFOVを尊重する必要があります。それ以外にも、LP 110は植物キャノピー分析装置に似ていて、LAIeを高密度(すなわち、7.88以上のスタンドレベルでLAIe)23、非常に低いカナピーズ草原、または1%未満の透過率で正確に推定するのに適していません。

キャノピーより下の入射光と光透過率の全ての取得値は、特定のソフトウェアを使用して後処理され、特にプラントキャノピーアナライザで多くの出力パラメータを提供します。逆に、LP 110から得られたデータを処理するためのソフトウェアは、プラントキャノピーアナライザに関連するソフトウェアなど、より自動でユーザーフレンドリーになるように改善する必要があります。また、センサーFOVを変更または調整するために、プロデューサーによってLP110の制限カップを変更することをお勧めします。

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Disclosures

著者らは開示するものは何もない。代表的な結果は、記事チェルニー、J.、クレイザ、J.、ポコルニー、R.、ベドナージーズ、P.ライペンLP 100 - エタロンと比較して森林生態系葉面積指数を推定するための新しいデバイス:方法論的なケーススタディから使用されました。 森林科学のジャーナル.64 (11), 455-468 (2018).DOI: 10.17221/112/2018-JFS 森林科学編集委員会のジャーナルの親切な許可に基づいています.

Acknowledgments

著者は、森林科学編集委員会のジャーナルに、そこに掲載された記事からこのプロトコルの代表的な結果を使用することを奨励し、承認したお世話になっています。

研究は、チェコ共和国の農業省、機関支援MZE-RO0118、農業研究の国家機関(プロジェクトNo.QK21020307)、および欧州連合(EU)のHorizon 2020研究・イノベーションプログラム(952314協定第1 952314)。

著者らはまた、原稿を改善した建設的な批判のために3人の匿名のレビュアーに親切に感謝します。さらに、デュサン・バルトス、アレナ・フベスドワ、トマス・ペトルに感謝し、現場測定とPhoton Systems Instruments Ltd.のコラボレーションとデバイス写真の提供を支援しました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AccuPAR METER Group, Inc., Pullman, WA, USA AccuPaR LP-80 https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMON CSIRO, Canberra, Australia DEMON
File Viewer LI-COR Biosciences Inc., NE, USA FV2200C Software https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPen Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic FluorPen 1.1.2.3 Sofware https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Hand-held GPS device Garmin Ltd., Czech Republic Garmin eTrex 32x Europe46 https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110) Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic LaiPen LP 110 https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
Plant Canopy Analyser LI-COR Biosciences Inc., NE, USA LAI-2000 PCA 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/
Statistical software Systat Software Inc., CA, USA SigmaPlot 13.0 https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
Statistical software StatSoft Inc., OK, USA STATISTICA 10.0 For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.
SunScan Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK SS1 SunScan https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC 3rd Wave Engineering, Ontarion Canada Tracing Radiation and Architecture of Canopies http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
Tripod Any NA Tripod with standard nut
Water level Any NA

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環境科学,課題 173 間接光学法 単一センサモード デュアルセンサーモード 光透過率 植生キャノピー 天頂角 ビール・ランバート法
植生キャノピーにおける光デバイスを用いた有効リーフ面積指数のフィールド測定
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Černý, J., Pokorný, R. Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy. J. Vis. Exp. (173), e62802, doi:10.3791/62802 (2021).

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