La fotografía hemisférica , también conocida como fotografía de dosel , es una técnica para estimar la radiación solar y caracterizar la geometría del dosel de las plantas utilizando fotografías tomadas mirando hacia arriba a través de una lente de gran angular extrema o una lente de ojo de pez (Rich 1990). Normalmente, el ángulo de visión se acerca o iguala a 180 grados, de modo que todas las direcciones del cielo son visibles simultáneamente. Las fotografías resultantes registran la geometría del cielo visible o, a la inversa, la geometría de la obstrucción del cielo por copas de plantas u otras características cercanas al suelo. Esta geometría se puede medir con precisión y utilizar para calcular la radiación solar transmitida a través (o interceptada por) las copas de las plantas, así como para estimar aspectos de la estructura de la copa, como el índice de área foliar . Paul Rich (1989, 1990) y Robert Pearcy (1989) han proporcionado tratamientos detallados de la metodología analítica y de campo.
La lente hemisférica (también conocida como ojo de pez o lente de cielo completo) fue diseñada originalmente por Robin Hill (1924) para ver todo el cielo para estudios meteorológicos de la formación de nubes. Los forestales y ecologistas idearon utilizar técnicas fotográficas para estudiar el entorno luminoso de los bosques examinando la geometría de la cubierta vegetal . En particular, Evans y Coombe (1959) estimaron la penetración de la luz solar a través de las aberturas del dosel del bosque superponiendo diagramas de la trayectoria solar en fotografías hemisféricas. Posteriormente, Margaret Anderson (1964, 1971) proporcionó un tratamiento teórico exhaustivo para calcular la transmisión de los componentes directos y difusos de la radiación solar a través de las aberturas de las copas utilizando fotografías hemisféricas. En aquella época, el análisis de fotografías hemisféricas requería una tediosa puntuación manual de superposiciones de cuadrantes del cielo y la trayectoria del sol. Con la llegada de las computadoras personales, los investigadores desarrollaron técnicas digitales para el análisis rápido de fotografías hemisféricas (Chazdon y Field 1987, Rich 1988, 1989, 1990, Becker et al. 1989). En los últimos años, los investigadores han comenzado a utilizar cámaras digitales en lugar de cámaras de película y se están desarrollando algoritmos para la clasificación y el análisis automatizados de imágenes. Se encuentran disponibles varios programas de software comerciales para el análisis de fotografías hemisféricas, y la técnica se ha aplicado para diversos usos en ecología , meteorología , silvicultura y agricultura .
La fotografía hemisférica se ha utilizado con éxito en una amplia gama de aplicaciones que implican la caracterización de micrositios y la estimación de la radiación solar cerca del suelo y debajo de las copas de las plantas. Por ejemplo, se ha utilizado fotografía hemisférica para caracterizar los sitios de descanso invernal de las mariposas monarca (Weiss et al. 1991), los efectos de los bordes del bosque (Galo et al. 1991), la influencia de los claros de caída de árboles en la regeneración de los árboles (Rich et al. 1993). ), variabilidad espacial y temporal de la luz en el sotobosque de la selva tropical (Clark et al. 1996), impactos de los huracanes en la ecología forestal (Bellingham et al. 1996), índice de área foliar para la validación de sensores remotos (Chen et al. 1997), arquitectura del dosel de los bosques boreales (Fournier et al. 1997), ambiente luminoso en bosques húmedos templados antiguos (Weiss 2000) y manejo de espalderas de viñedos para producir mejor vino (Weiss et al. 2003).
Los componentes directos y difusos de la radiación solar se calculan por separado (ver Balance de radiación de la Tierra ). La radiación directa se calcula como la suma de toda la radiación directa (haz solar) que se origina en direcciones visibles (no oscurecidas) del cielo a lo largo de la trayectoria del sol. De manera similar, la radiación solar difusa se calcula como la suma de toda la radiación difusa (dispersada por la atmósfera) que se origina en cualquier dirección del cielo visible (no oscurecida) (ver radiación del cielo difusa ). La suma de los componentes directos y difusos da la radiación global.
Estos cálculos requieren distribuciones teóricas o empíricas de radiación directa y difusa al aire libre, sin cubierta vegetal ni otras obstrucciones del cielo. Por lo general, los cálculos se realizan para la radiación fotosintéticamente activa (400-700 nanómetros) o la insolación integrada en todas las longitudes de onda, medida en kilovatios-hora por metro cuadrado (kW h/m 2 ).
La suposición fundamental es que la mayor parte de la radiación solar se origina en direcciones del cielo visibles (no oscurecidas), un fuerte efecto de primer orden, y que la radiación reflejada desde el dosel u otras características cercanas al suelo (direcciones del cielo no visibles u oscurecidas) es insignificante, una pequeña efecto de segundo orden. Otra suposición es que la geometría del cielo visible (no oscurecido) no cambia durante el período para el cual se realizan los cálculos.
Los índices de dosel, como el índice de área foliar (LAI), se basan en el cálculo de la fracción de espacio, la proporción de cielo visible (no oscurecido) en función de la dirección del cielo. El índice de área foliar generalmente se calcula como el área de la hoja por unidad de área de suelo que produciría la distribución de la fracción de espacio observada, dada una suposición de distribución aleatoria del ángulo de la hoja, o una distribución del ángulo de la hoja y un grado de aglomeración conocidos. El cálculo del LAI utilizando este método indirecto puede resultar muy impreciso. Para obtener más explicaciones, consulte el índice de área foliar.
El factor de sitio directo (DSF) es la proporción de radiación solar directa en un lugar determinado con respecto a la que se encuentra al aire libre, ya sea integrada en el tiempo o resuelta según intervalos de hora del día y/o estación.
El factor de sitio indirecto (ISF) es la proporción de radiación solar difusa en un lugar determinado en relación con la del cielo abierto, ya sea integrada en el tiempo para todas las direcciones del cielo o resuelta por la dirección del sector del cielo.
El factor global de sitio (GSF) es la proporción de radiación solar global en un lugar determinado en relación con la que está al aire libre, calculada como la suma de DSF e ISF ponderada por la contribución relativa de los componentes directos versus difusos. A veces, este índice también se denomina factor lateral total (TSF).
Los índices pueden estar sin corregir o corregidos por el ángulo de incidencia con respecto a una superficie de interceptación plana. Los valores no corregidos ponderan por igual la radiación solar que se origina en todas las direcciones. Los valores corregidos ponderan la radiación solar por el coseno del ángulo de incidencia, teniendo en cuenta la intercepción real desde direcciones normales a la superficie de intercepción.
El índice de área foliar es la superficie total de la hoja por unidad de superficie de suelo.
La fracción de espacio (GapF) es la cantidad en porcentaje de la cubierta vegetal en relación con toda la zona de medición.
La fotografía hemisférica consta de cinco pasos: adquisición de fotografías, digitalización, registro, clasificación y cálculo. El registro, la clasificación y el cálculo se logran utilizando un software de análisis de fotografía hemisférica dedicado.
Las fotografías hemisféricas mirando hacia arriba generalmente se obtienen bajo una iluminación uniforme del cielo, temprano o tarde en el día o en condiciones nubladas. La orientación conocida (cenit y azimut) es esencial para un registro adecuado con el sistema de coordenadas hemisféricas de análisis. Incluso la iluminación es esencial para una clasificación precisa de las imágenes. Un soporte autonivelante (cardanes) puede facilitar la adquisición al garantizar que la cámara esté orientada para apuntar directamente hacia el cenit. La cámara suele estar orientada de manera que el norte (absoluto o magnético) esté orientado hacia la parte superior de la fotografía.
El objetivo utilizado en la fotografía hemisférica es generalmente un ojo de pez circular , como el objetivo ojo de pez Nikkor de 8 mm. El ojo de pez de fotograma completo no es adecuado para fotografías hemisféricas, ya que solo capturan 180° completos en diagonal y no proporcionan una vista hemisférica completa.
En los primeros años de esta técnica, la mayoría de las fotografías hemisféricas se adquirían con cámaras de 35 mm (por ejemplo, Nikon FM2 con una lente ojo de pez Nikkor de 8 mm) utilizando películas en blanco y negro de alto contraste y alto ASA. Posteriormente, se hizo común el uso de películas o diapositivas en color. Recientemente, la mayoría de las fotografías se obtienen utilizando cámaras digitales (por ejemplo, Kodak DCS Pro 14nx con una lente ojo de pez Nikkor de 8 mm).
Cuando las imágenes se adquieren desde lugares con grandes diferencias en apertura (por ejemplo, lugares de dosel cerrados y espacios entre dosel) es esencial controlar la exposición de la cámara. Si se permite a la cámara ajustar automáticamente la exposición (que se controla mediante la apertura y la velocidad de obturación), el resultado es que las aberturas pequeñas en condiciones cerradas serán brillantes, mientras que las aberturas del mismo tamaño en condiciones abiertas serán más oscuras (por ejemplo, el dosel). áreas alrededor de una brecha). Esto significa que durante el análisis de la imagen, los agujeros del mismo tamaño se interpretarán como "cielo" en una imagen de dosel cerrado y "dosel" en una imagen de dosel abierto. Sin controlar la exposición, se subestimarán las diferencias reales entre las condiciones de dosel cerrado y abierto.
Las fotografías se digitalizan y guardan en formatos de imagen estándar. Para las cámaras de película, este paso requiere un escáner de negativos o diapositivas o un digitalizador de video. En el caso de las cámaras digitales, este paso se produce a medida que se adquieren las fotografías.
El registro de fotografías implica alinear las fotografías con el sistema de coordenadas hemisféricas utilizado para el análisis, en términos de traslación (centrado), tamaño (coincidencia de los bordes de la fotografía y el horizonte en el sistema de coordenadas) y rotación (alineación azimutal con respecto a las direcciones de la brújula).
La clasificación de fotografías implica determinar qué píxeles de la imagen representan direcciones del cielo visibles (no oscurecidas) y no visibles (oscurecidas). Normalmente, esto se ha logrado utilizando umbrales interactivos, mediante los cuales se selecciona un umbral apropiado para que coincida mejor con una clasificación binaria con la visibilidad del cielo observada, con valores de intensidad de píxeles por encima del umbral clasificados como visibles y valores de intensidad de píxeles por debajo del umbral clasificados como no visibles. Recientemente se han logrado avances en el desarrollo de algoritmos de umbral automáticos; sin embargo, aún se necesita más trabajo antes de que sean completamente confiables.
El cálculo de fotografías hemisféricas utiliza algoritmos que calculan la fracción de espacio en función de la dirección del cielo y calculan la geometría deseada del dosel y/o los índices de radiación solar. Para la radiación solar, el cálculo rápido a menudo se logra utilizando tablas de búsqueda precalculadas de valores de radiación solar teóricos o empíricos resueltos por sector del cielo o posición en la trayectoria solar.