La fotografía hemisférica , también conocida como fotografía de dosel , es una técnica para estimar la radiación solar y caracterizar la geometría del dosel vegetal utilizando fotografías tomadas mirando hacia arriba a través de una lente gran angular extrema o una lente ojo de pez (Rich 1990). Típicamente, el ángulo de visión se acerca o es igual a 180 grados, de modo que todas las direcciones del cielo son visibles simultáneamente. Las fotografías resultantes registran la geometría del cielo visible, o por el contrario, la geometría de la obstrucción del cielo por los doseles de las plantas u otras características cercanas al suelo. Esta geometría se puede medir con precisión y utilizar para calcular la radiación solar transmitida a través de (o interceptada por) los doseles de las plantas, así como para estimar aspectos de la estructura del dosel como el índice de área foliar . Paul Rich (1989, 1990) y Robert Pearcy (1989) han proporcionado tratamientos detallados de la metodología de campo y analítica.
La lente hemisférica (también conocida como ojo de pez o lente de cielo completo) fue diseñada originalmente por Robin Hill (1924) para observar todo el cielo para estudios meteorológicos de formación de nubes. Los silvicultores y ecologistas concibieron el uso de técnicas fotográficas para estudiar el entorno lumínico de los bosques mediante el examen de la geometría del dosel . En particular, Evans y Coombe (1959) estimaron la penetración de la luz solar a través de las aberturas del dosel forestal superponiendo diagramas de la trayectoria del sol en fotografías hemisféricas. Más tarde, 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 del dosel utilizando fotografías hemisféricas. En ese momento, 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 han puesto a disposición 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, la fotografía hemisférica se ha utilizado para caracterizar los sitios de descanso invernal de las mariposas monarca (Weiss et al. 1991), los efectos de los bordes de los bosques (Galo et al. 1991), la influencia de los claros de la caída de árboles en la regeneración de los árboles (Rich et al. 1993), la variabilidad espacial y temporal de la luz en el sotobosque de la selva tropical (Clark et al. 1996), los impactos de los huracanes en la ecología forestal (Bellingham et al. 1996), el índice de área foliar para la validación de la teledetección (Chen et al. 1997), la arquitectura del dosel de los bosques boreales (Fournier et al. 1997), el entorno lumínico en los bosques templados lluviosos antiguos (Weiss 2000) y el manejo de espalderas para viñedos para producir mejor vino (Weiss et al. 2003).
Los componentes directos y difusos de la radiación solar se calculan por separado (véase 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 del cielo visibles (no oscurecidas) 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 desde la atmósfera) que se origina en cualquier dirección del cielo visible (no oscurecida) (véase radiación difusa del cielo ). La suma de los componentes directos y difusos da como resultado la radiación global.
Estos cálculos requieren distribuciones teóricas o empíricas de la radiación directa y difusa al aire libre, sin vegetación u otra obstrucción 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, medidas en kilovatios-hora por metro cuadrado (kW h/m 2 ).
El supuesto 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, un pequeño efecto de segundo orden. Otro supuesto 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 espacios vacíos, la proporción de cielo visible (no oscurecido) en función de la dirección del cielo. El índice de área foliar se calcula típicamente como el área foliar por unidad de área del suelo que produciría la distribución de la fracción de espacios vacíos observada, suponiendo una distribución aleatoria de los ángulos de las hojas o una distribución de los ángulos de las hojas y un grado de agrupamiento conocidos. El cálculo del LAI utilizando este método indirecto puede ser 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 en relación con la radiación solar al aire libre, ya sea integrada a lo largo del 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 una ubicación determinada en relación con la radiación solar al aire libre, ya sea integrada a lo largo del tiempo para todas las direcciones del cielo o resuelta por dirección del sector del cielo.
El factor de sitio global (GSF) es la proporción de la radiación solar global en una ubicación determinada en relación con la radiación solar al aire libre, calculada como la suma de DSF e ISF ponderada por la contribución relativa de los componentes directos y difusos. A veces, este índice también se denomina factor lateral total (TSF).
Los índices pueden no estar corregidos o estar corregidos en función del ángulo de incidencia con respecto a una superficie interceptora 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 interceptora.
El índice de área foliar es la superficie total de las hojas por unidad de área del suelo.
La fracción de espacio libre (GapF) es la cantidad en porcentaje de dosel 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 llevan a cabo mediante un software de análisis de fotografías hemisféricas específico.
Las fotografías hemisféricas orientadas hacia arriba se adquieren normalmente con una iluminación uniforme del cielo, temprano o tarde en el día o en condiciones nubladas. La orientación conocida (cenit y acimut) es esencial para un registro adecuado con el sistema de coordenadas hemisféricas de análisis. Una iluminación uniforme es esencial para una clasificación precisa de las imágenes. Un soporte autonivelante (cardán) puede facilitar la adquisición al garantizar que la cámara esté orientada para apuntar directamente hacia el cenit. La cámara normalmente está orientada de manera que el norte (absoluto o magnético) esté orientado hacia la parte superior de la fotografía.
El objetivo que se utiliza en la fotografía hemisférica suele ser un ojo de pez circular , como el objetivo ojo de pez Nikkor de 8 mm. Los ojos de pez de fotograma completo no son adecuados para la fotografía hemisférica, ya que solo capturan un ángulo completo de 180° en la diagonal y no proporcionan una visión hemisférica completa.
En los primeros años de la técnica, la mayoría de las fotografías hemisféricas se adquirían con cámaras de 35 mm (p. ej., Nikon FM2 con un objetivo ojo de pez Nikkor de 8 mm) utilizando película en blanco y negro de alto contraste y alto ASA. Más tarde, se hizo común el uso de película en color o diapositivas. Recientemente, la mayoría de las fotografías se adquieren con cámaras digitales (p. ej., Kodak DCS Pro 14nx con un objetivo ojo de pez Nikkor de 8 mm).
Cuando se adquieren imágenes de lugares con grandes diferencias en cuanto a apertura (por ejemplo, lugares con dosel cerrado y espacios entre los dosel), es esencial controlar la exposición de la cámara. Si se permite que la cámara ajuste automáticamente la exposición (que se controla mediante la apertura y la velocidad de obturación), el resultado es que los pequeños espacios en condiciones cerradas serán brillantes, mientras que los espacios del mismo tamaño en condiciones abiertas serán más oscuros (por ejemplo, áreas de dosel alrededor de un espacio entre los dosel). Esto significa que durante el análisis de imágenes, los agujeros del mismo tamaño se interpretarán como "cielo" en una imagen con un dosel cerrado y como "dosel" en la imagen con un dosel abierto. Sin controlar la exposición, se subestimarán las diferencias reales entre las condiciones de dosel cerrado y abierto.
Las fotografías se digitalizan y se guardan en formatos de imagen estándar. En el caso de las cámaras de película, este paso requiere un escáner de negativos o diapositivas o un digitalizador de vídeo. En el caso de las cámaras digitales, este paso se produce a medida que se adquieren las fotografías.
El registro de fotografías implica la alineación de 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). Por lo general, esto se ha logrado mediante un umbral interactivo, mediante el cual 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 realizado avances en el desarrollo de algoritmos de umbral automáticos, sin embargo, todavía se necesita más trabajo antes de que sean completamente confiables.
El cálculo de fotografías hemisféricas utiliza algoritmos que calculan la fracción de separación 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 se realiza a menudo utilizando tablas de búsqueda precalculadas de valores de radiación solar teóricos o empíricos resueltos por sector del cielo o posición en la trayectoria solar.