DOI: 10.2478/v10111-010-0008-z LeS
ne Prace Badawcze (Forest Research Papers), 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
PRACA PRZEGLÄ„DOWA
Leszek Bolibok1
Sprzęt i ekspozycja zdjęć w fotografii hemisferycznej w badaniach leS
nych
Equipment and photo exposure in hemispherical photography in forest research
Abstract. The first and very important step in modeling regime of solar radiation below forest canopies is acquisition
of proper canopy picture. This review is focused on factors influencing quality of hemispherical photographs applied
for modeling of light conditions under canopy. Although numerous cameras and lenses are presently offered on the
market, only few types may be considered useful for this purpose. The quality of picture depends not only on quality of
camera lenses and sensor, but on proper exposure as well. The overexposure (2-3 EV) based on open sky light
measurements is suggested to achieve proper quality photographs with high contrast between sky and forest canopy
elements.
Key words: equipment selection, lenses optical properties, picture acquisition protocol, exposure correction
1. Wstęp cyfrowej, metoda ta staje się coraz łatwiejsza i tańsza w
stosowaniu.
Badania czynników wpływających na dynamikę na- Zdjęcie hemisferyczne jest projekcją obrazu całej
lotów i podrostów mają podstawowe znaczenie w dosko- hemisfery (np. nieboskłonu) na płaszczyznę (np.
naleniu metod odnawiania drzewostanów. Sprzyjający matrycę w aparacie cyfrowym), dokonywaną za pomocą
mikroklimat radiacyjny (promieniowanie słoneczne specjalnego obiektywu krótkoogniskowego typu rybie
docierające do dolnych warstw drzewostanu, zarówno oko. Pierwszy obiektyw tego typu powstał na potrzeby
aktywne fotosyntetycznie, jak i cieplne) jest jednym z badań meteorologicznych, aby utrwalić kompletny
ważniejszych czynników warunkujących sukces odno- obraz nieboskłonu w wybranym momencie (Hill 1924,
wienia. BezpoS
rednia charakterystyka mikroklimatu za Chazdon et Field 1987). Stosunkowo szybko
radiacyjnego wymaga złożonych pomiarów i doS
ć zróż- fotografia hemisferyczna znalazła zastosowanie w
nicowanego oprzyrzÄ…dowania. W drzewostanach inten- badaniach leS
nych. Evans i Coombe (1959) próbowali
sywnie penetrowanych przez ludzi (np. grzybiarzy) oszacować przenikanie S
wiatła przez luki w warstwie
ryzykowne może się okazać pozostawianie w lesie koron poprzez nanoszenie wykresu pozornej drogi
cennej aparatury do pomiarów bezpoS
rednich przez słońca po nieboskłonie na zdjęcie hemisferyczne
kilka tygodni czy miesiecy. wykonane pod okapem drzewostanu. Anderson (1964)
Z wyżej wymienionych powodów równolegle do przedstawiła podstawy obliczeniowe oszacowania do-
metod bezpoS
rednich rozwijajÄ… siÄ™ metody poS
rednie, stępu S
wiatła bezpoS
redniego i rozproszonego na podsta-
które na podstawie analizy struktury sklepienia drzewo- wie analizy zdjęć hemisferycznych. Wzrost dostępnoS
ci
stanu zmierzają do charakterystyki warunków wzrostu komputerów i odpowiedniego oprogramowania (Chaz-
odnowień (Lieffers et al. 1999, Lhotka et Loewenstein don et Field 1987, Rich 1989), wykonującego długie i
2006, Fiala et al. 2006). Jedną z najbardziej zaawanso- żmudne obliczenia konieczne przy analizie zdjęć,
wanych metod poS
rednich jest analiza zdjęć hemisfe- przyczynił się do upowszechnienia tej metody badaw-
rycznych obrazujÄ…cych strukturÄ™ sklepienia drzewosta- czej. JednoczeS
nie poszerzeniu uległ zakres stosowania
nu. Obecnie, w dobie gwałtownego rozwoju fotografii tej metody. Początkowo utrwalony obraz struktury war-
stwy koron służył jedynie do charakterystyki warunków
1
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział LeS
ny, Katedra Hodowli Lasu, ul. Nowoursynowska 159,
02-776 Warszawa, Tel. [phone], e-mail [e-mail]
106 L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
S
wietlnych. Wraz ze wzrostem znaczenia wskax
nika zależy od konstrukcji optycznej obiektywu (Herbert
powierzchni liS
ci (LAI) w badaniach ekologicznych, 1987). Z reguły obiektywy hemisferyczne nie znie-
fotografia hemisferyczna stała się jednym z podstawo- kształcają wartoS
ci azymutu obiektu, więc różnice mię-
wych narzędzi do jego oszacowania (Jonckheere et al.
dzy nimi dotyczą odwzorowania kąta w odległoS
ć r.
2004). Analiza zdjęć hemisferycznych pozwala również
NajczęS
ciej stosowane w badaniach sÄ… obiektywy z od-
modelować dopływ promieniowania cieplnego do dna
wzorowaniem równoodstępnym (ang. polar projection,
lasu, co jest wykorzystywane do oszacowania np. tempa
equiangular projection). W tym odwzorowaniu zapro-
tajania S
niegu (Hardy et al. 2004).
jektowanym przez Hilla (1924, za Chazdon et Field
Pierwszym warunkiem odniesienia sukcesu w mode-
1987) kÄ…t zenitalny obiektu jest liniowo transformo-
lowaniu przenikania promieniowania słonecznego pod
wany na odległoS
ć od S
rodka kadru (ryc. 1b). Obiekty
okap drzewostanu jest uzyskanie wartoS
ciowego obrazu
znajdujące się niżej nad horyzontem będą odwzorowane
sklepienia drzewostanu. W dalszej częS
ci tego artykułu
proporcjonalnie bliżej krawędzi kolistego odwzorowa-
omówione zostaną czynniki mogące niekorzystnie
wpływać na przydatnoS
ć fotografii hemisferycznych do
charakterystyki warunków S
wietlnych pod okapem drze-
wostanu, w lukach i na gniazdach oraz metodyka usta-
lania parametrów ekspozycji pozwalających uzyskać
zdjęcia wysokiej jakoS
ci, przydatne do analiz. Analiza
takich zdjęć pozwala oszacować warunki S
wietlne
porównywalnie, w większoS
ci warunków drzewostano-
wych, z pomiarami bezpoS
rednimi (por. Chazdon et
Field 1987, Gendron et al. 1998).
2. Obiektywy hemisferyczne
NajczęS
ciej w badaniach używane są obiektywy
hemisferyczne typu koliste rybie oko (ang. circular fish-
eye), dajÄ…ce odwzorowanie hemisfery w postaci kolis-
tego obrazu całkowicie wpisanego w kadr i otoczonego
czarnym (nie naS
wietlonym) obszarem. Rzadziej stoso-
wane są obiektywy typu rybie oko pełnoklatkowe (Mac-
farlane et al. 2007), w których kołowy obraz jest opisany
na prostokÄ…cie kadru (ang. fulframe fish-eye). Obraz
wypełnia kadr całkowicie, lecz znaczna jego częS
ć
 wylewa siÄ™ poza kadr.
0 Åš kÄ…t zenitalny 0 Åš kÄ…t zenitalny 90
90
Położenie przestrzenne wybranego obiektu na hemi-
Rycina 1. Projekcja hemisfery na płaszczyznę: a) kąt zeni-
sferze (np. punktu  a na krawędzi luki w sklepieniu
talny i azymut opisujące położenie punktu (a) w prze-
drzewostanu; ryc. 1a.) można okreS
lić przez wskazanie
strzeni oraz odległoS
ć r i azymut opisujące położenie
dwóch kątów: kąta zenitalnego ( ) i azymutu ( ). obrazu punktu (a1) na płaszczyx
nie, b) teoretyczna linio-
Wierzchołek kąta zenitalnego znajduje się w S
rodku koła wa zależnoS
ć pomiędzy kątem zenitalnym a odległoS
ciÄ…
r obrazu obiektu (a1) od S
rodka płaszczyzny (o) w odwzo-
(o) stanowiÄ…cego podstawÄ™ hemisfery, jedno z ramion
rowaniu równoodstępnym, c) nieliniowa zależnoS
ć pomię-
skierowane jest pionowo w najwyższy punkt hemisfery
dzy kątem zenitalnym a odległoS
ciÄ… obrazu obiektu (a1)
(z), a drugie przechodzi przez wybrany punkt (a).
od S
rodka płaszczyzny w odwzorowaniu dokonywanym
Obiektyw typu koliste rybie oko odwzorowuje obraz
przez rzeczywisty obiektyw
hemisfery tak, że zenit nieboskłonu (z) znajduje się
Figure 1. Hemispherical projection: a) zenithal angle and
dokładnie w centrum kadru, w S
rodku koła  o , a
azimuth describing placement of the point (a) in a three
horyzont na krawędziach kolistego odwzorowania.
dimensional space and distance r and azimuth describing
Położenie obrazu obiektu (a1) w kadrze można okreS
lić
placement of the point image (a1) on a plane; b) theoretical
za pomocą współrzędnych kątowych. W odwzorowaniu
linear relationship between zenithal angle and distance r
zostaje zachowany azymut ( ), natomiast kÄ…t zenitalny
from the center of the plane (o) to the point image (a1) in
jest transformowany na odległoS
ć od S
rodka koła (r).
equiangular projection, c) nonlinear relationship between
Sposób odwzorowania hemisfery na powierzchnię
zenithal angle and distance r from the center of the plane in
błony fotograficznej lub matrycy S
wiatłoczułej aparatu the projection made by real lenses
r - promień
r-promień
L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115. 107
nia. Ponadto obiekty (np. luki w sklepieniu drzewostanu) skłon (liS
ćmi, gałęziami, pniami drzew) a nie zasłonię-
o tych samych wymiarach kątowych na hemisferze będą tymi fragmentami nieba (ryc. 2a), pozwalający na ich
miały takie same rozmiary liniowe w kadrze. rozróżnienie. Niestety nie można tutaj liczyć na wbudo-
waną w większoS
ć współczesnych aparatów cyfrowych
automatykę, ponieważ ta została zoptymalizowana pod
innym kÄ…tem. Zarejestrowany cyfrowo obraz sklepienia
3. Procedura wykonywania i analizy
drzewostanu to macierz składająca się z pikseli, których
cyfrowych zdjęć hemisferycznych
jasnoS
ć waha się zależnie od tego, czy przedstawiają
jasne fragmenty zdjęcia (nie zasłonięte niebo) czy
Aby zdjęcia hemisferyczne dostarczyły informacji
ciemne (ocieniony pień drzewa). JasnoS
ć każdego pikse-
porównywalnych z bezpoS
rednim pomiarem warunków
la jest okreS
lona liczbowo. WartoS
ć piksela jest okreS
la-
S
wietlnych, konieczne jest rygorystyczne przestrzeganie
na jako DN (ang. digital number).
procedury ich wykonywania i analizy. Procedura ta skła-
Segmentacja obrazu to proces, w którym poszcze-
da się z następujących etapów: wykonanie dobrej jakoS
ci
gólne piksele tworzące zdjęcie są zaliczane do oddziel-
zdjęcia (ryc. 2a), segmentacja zarejestrowanego obrazu
nych kategorii. Zazwyczaj celem tego procesu jest roz-
(ryc. 2b) i interpretacja przetworzonego obrazu obejmu-
różnienie pikseli obrazu przedstawiających niezasłonię-
jąca: oszacowanie dopływu S
wiatła rozproszonego (ryc.
ty nieboskłon od pikseli przedstawiających elementy
2c) i bezpoS
redniego (ryc. 2d).
sklepienia drzewostanu. NajczęS
ciej stosowanÄ… metodÄ…
Dobra jakoS
ć zdjęcia hemisferycznego oznacza
segmentacji, choć nie zawsze najlepszą, jest progowanie
przede wszystkim, że uzyskano zbalansowany kontrast
(ang. thresholding). Polega ono na subiektywnym bÄ…dx

pomiędzy między elementami zasłaniającymi niebo-
zautomatyzowanym ustaleniu progowej wartoS
ci jas-
noS
ci piksela (DN). Piksele o większej jasnoS
ci sÄ… inter-
pretowane jako niezasłonięty nieboskłon i przypisywana
jest im maksymalna wartoS
ć DN (stają się białe). Piksele
o mniejszej lub równej wartoS
ci DN sÄ… interpretowane
jako obraz elementów sklepienia drzewostanu i przypi-
sywana jest im minimalna wartoS
ć DN (stają się czarne)
(ryc. 2 b).
Do interpretacji zdjęcia stosuje się program kompu-
terowy, który wykorzystuje informację zawartą w prze-
tworzonym zdjęciu do modelowania warunków S
wietl-
nych w miejscu wykonania fotografii. Ponieważ nie jest
to pomiar bezpoS
redni, program ten liczy tylko, jaka
częS
ć S
wiatła docierającego nad sklepienie drzewostanu
mogłaby dotrzeć pod okap drzewostanu do miejsca,
gdzie został umieszczony obiektyw aparatu. Podstawą
do obliczeń jest ustalenie, jakim wycinkom hemisfery
odpowiadają poszczególne piksele obrazu. Stosowany
program wykonuje to zadanie, uwzględniając infor-
mację o projekcji użytego obiektywu fotograficznego.
Rycina 2. Etapy wykonania i obróbki fotografii hemisfe-
Obliczenia przebiegajÄ… zazwyczaj dwutorowo, z roz-
rycznej: a) wykonanie zdjęcia, b) segmentacja zdjęcia,
biciem na S
wiatło bezpoS
rednie docierajÄ…ce do badanego
c) analiza przenikania S
wiatła rozproszonego przez skle-
pienie drzewostanu - zliczanie czarnych i białych pikseli punktu z dysku słonecznego oraz na S
wiatło rozproszone
w poszczególnych partiach obrazu, szacowanie ażurowoS
- docierające do badanego punktu ze wszystkich niezasło-
ci i LAI, d) analiza przenikania S
wiatła bezpoS
redniego
niętych fragmentów nieba.
poprzez wykreS
lanie pozornej drogi słońca po nieboskło-
W przypadku analizy dopływu S
wiatła rozproszo-
nie. Oryginalne zdjęcie zostało przetworzone za pomocą
nego kolisty obraz hemisfery jest dzielony na mniejsze
programu GLA 2.0 (Gap Light Analyzer 2.0 http:
sektory (ryc. 2c), w których ustalany jest procent po-
//www.ecostudies.org/gla/ dostęp z dnia 2009.08.06)
wierzchni hemisfery zasłonięty przez czarne piksele
Figure 2. Steps of hemispherical photography acquisition and
(elementy sklepienia drzewostanu) i na podstawie przy-
analysis: a) acquisition of good quality picture, b) picture
jętych w modelu założeń dotyczących intensywnoS
ci
segmentation, c) analysis of diffuse light penetration through
canopy based on counting of black and white pixels in selec- S
wiatła rozproszonego docierającego z różnych sekto-
ted picture fragments, estimation of canopy openness and
rów nieba szacowany jest procent S
wiatła zatrzymywa-
LAI, d) analysis of direct light penetration through canopy
nego przez korony drzew.
based on modeling of sun disc movement above canopy
108 L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
Do oszacowania, jaka częS
ć S
wiatła bezpoS
redniego bÄ…dx
odwrotnie, w ogóle nie są rejestrowane. Poprawnie
docierałaby do miejsca wykonania zdjęcia, niezbędne są zarejestrowany obraz sklepienia drzewostanu jest
dodatkowe informacje dotyczÄ…ce szerokoS
ci geograficz- podstawą do prawidłowej segmentacji obrazu. Na
nej, na jakiej znajdował się aparat fotograficzny, oraz uzyskanie przydatnego do analizy cyfrowego zdjęcia
orientacji obrazu fotograficznego względem kierunków hemisferycznego mają wpływ dwie grupy czynników:
geograficznych (podczas wykonywania zdjęcia zazwy- właS
ciwoS
ci sprzętu fotograficznego (np. rodzaj ma-
czaj aparat jest ustawiany tak, aby boki kadru były trycy rejestrującej obraz w aparacie) oraz technika
równoległe do głównych kierunków geograficznych). wykonywania fotografii (np. wybór właS
ciwej ekspo-
Na podstawie tych informacji można modelować zycji zdjęcia lub terminu wykonania zdjęcia).
pozorny ruch słońca po nieboskłonie dla każdego dnia w
roku (ryc. 2d) i obliczyć czas, w którym S
wiatło
bezpoS
rednie docierałoby do obiektywu z dysku
5. WÅ‚aS
ciwoS
ci sprzętu
słonecznego nie zasłoniętego przez korony drzew (przez
a jakoS
ć wykonywanych zdjęć
białe piksele).
Skompletowanie sprzętu fotograficznego niezbęd-
nego do rejestracji przydatnych zdjęć hemisferycznych
4. Przyczyny błędów szacowania
może wiązać się z większymi wydatkami. Niebagatelną
warunków S
wietlnych pod okapem pozycjÄ… w liS
cie zakupów jest wysokiej jakoS
ci obiektyw
hemisferyczny. Tańszą, lecz raczej gorszą alternatywą,
za pomocÄ… fotografii hemisferycznej
mogą być stosowane w fotografii amatorskiej nasadki na
obiektywy standardowe. Pozwalają one uzyskać obraz
Uzyskanie wiarygodnej charakterystyki warunków
podobny do zdjęć wykonanych specjalistycznym obiek-
S
wietlnych w miejscu wykonania zdjęcia hemisfe-
tywem. W poczÄ…tkach stosowania fotografii hemisfe-
rycznego wymaga skrupulatnego przestrzegania proce-
rycznej (Chazdon i Field 1987), jak i obecnie (Strzeliń-
dury wykonywania i analizy zdjęć. Rich (1990) szcze-
ski 2006), wykorzystywano takie rozwiÄ…zania. We
gółowo wymienił x
ródła błędów, jakie mogą pojawić się
współczesnych publikacjach stosunkowo dużo uwagi
na trzech głównych etapach procedury: 1) przy wykony-
poS
więcono nasadce FC-E8 (Hale et Edwards 2002,
waniu zdjęcia, 2) przy jego skanowaniu 3) przy analizie
Zhang et al. 2005, Inoue et al. 2004, Leblanc et al. 2005)
obrazu. Rozwój fotografii cyfrowej wyeliminował prob-
dedykowanej do popularnych aparatów fotograficznych
lem skanowania obrazów rejestrowanych na kliszy
serii CoolPix (modele 900, 950, 990, 4500, 5000) firmy
fotograficznej i liczne x
ródła błędów, które mogłyby na
Nikon. Obraz uzyskany w ten sposób jest zwykle gorszej
tym etapie procedury powstawać. Wykonywanie zdjęć
jakoS
ci niż uzyskany za pomocą lepszych układów
hemisferycznych za pomocą współczesnych aparatów
optycznych (Frazer i in. 2001). Szybki rozwój tech-
cyfrowych pozwala na uzyskanie podglÄ…du wykonanego
nologii aparatów cyfrowych sprawia, że publikacje
zdjęcia i na ponowne wykonanie zdjęcia w przypadku,
naukowe oceniajÄ…ce przydatnoS
ć konkretnego aparatu
gdyby poprzednie okazało się być niezadowalające.
w warunkach terenowych ukazujÄ… siÄ™ zazwyczaj, gdy
W przypadku zdjęć wykonywanych tradycyjną metodą,
jest on wycofywany ze sprzedaży. Jak wykazały badania
efekt był widoczny dopiero po odebraniu zdjęć z labo-
Inoue i in. (2004), wybór modelu aparatu cyfrowego
ratorium fotograficznego, co w przypadku niezadowa-
serii CoolPix może mieć istotny wpływ na wyniki badań.
lajÄ…cej jakoS
ci zdjęć oznaczało koniecznoS
ć ponownej
Idealny obiektyw powinien odwzorować punktowe
wyprawy do badanego drzewostanu. Dawniej badacze
x
ródło S
wiatła w obrębie jednego piksela matrycy. Roz-
chcąc zabezpieczyć się przed taką ewentualnoS
ciÄ…, w
proszenie wiÄ…zki S
wiatła przechodzącej przez elementy
każdym badanym punkcie wykonywali po kilka zdjęć,
obiektywu sprawia, że częS
ć S
wiatła trafia do sąsiednich
często z różnymi ustawieniami ekspozycji. W przy-
pikseli i jest odwzorowana jako tzw. krążek rozpro-
padku fotografii cyfrowej takie postępowanie również
szenia. Im mniejszy jest krążek rozproszenia, tym ostrzej
może okazać się przydatne. Ze względu na dużą pojem-
obiektyw rysuje obraz. Zjawisko, które jedynie trochę
noS
ć pamięci aparatów cyfrowych będzie to o wiele
pogarsza jakoS
ć amatorskich fotografii, może mieć
prostsze i tańsze niż ponowne wizyty w badanym drze-
istotny wpływ na wyniki badań naukowych. Du i Voss
wostanie.
(2004) zbadali rozpraszanie jednobarwnego promienia
Za przydatne do analizy może być uznane takie
laserowego przez elementy optyki obiektywu i stwier-
zdjęcie hemisferyczne, na którym elementy sklepienia
dzili, że chociaż krążek rozproszenia ma doS
ć ostre
drzewostanu i fragmenty niezasłoniętego nieba są
granice, to jednak S
wiatło może się rozpraszać na
przedstawione w rzeczywistych proporcjach. Różne
 odległoS
ć do stu pikseli od właS
ciwego piksela
czynniki mogą sprawiać, że luki w sklepieniu drzewo-
przedstawiajÄ…cego punktowe x
ródło S
wiatła. W bada-
stanu bywają rejestrowane jako większe, niż są w istocie,
L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115. 109
niach radiometrycznych sumowanie siÄ™ tego zjawiska JasnoS
ć obiektywu, rozumiana jako iloS
ć S
wiatła
daje istotne różnice. Jak zauważają Kuusk i Paas (2007), przepuszczanego przez obiektyw do wnętrza aparatu,
nawet drobne zarysowania zewnętrznej soczewki charakteryzowana za pomocą tzw. liczby przysłony F,
obiektywu lub zakurzenie może istotnie zwiększać może mieć istotne znaczeniu przy fotografowaniu
wielkoS
ć krążka rozproszenia. sklepienia drzewostanu Im mniejsza jest wartoS
ć F, tym
R
wiatło białe przechodząc przez soczewki obiekty- jaS
niejszy jest obiektyw. JaS
niejszy obiektyw pozwala
wu ulega refrakcji (rozszczepieniu, tak jak w doS
wiad- na stosowanie krótszego czasu rejestracji obrazu. Dzięki
czeniu z pryzmatem) na granicy oS
rodków. W układach temu liS
cie i pędy drzew na obrazie sklepienia pozostają
optycznych refrakcja powoduje aberrację chromatyczną nieporuszone, a zdjęcie jest przydatne do analizy.
widoczną na granicach kontrastowych obszarów (kra- Winietowanie jest wadą obiektywów polegającą na
wędzie koron drzew) pod postacią kolorowej obwódki niedoS
wietleniu brzegów kadru. W przypadku obiekty-
(pomarańczowej lub niebieskiej) W obiektywach wyso- wów typu rybie oko oznacza to gorsze rejestrowanie luk
kiej jakoS
ci materiał, z którego wykonane są soczewki, w sklepieniu drzewostanu, które mają wysoką wartoS
ć
w znacznym stopniu ogranicza to zjawisko. W tańszych kąta zenitalnego. Silne winietowanie obiektywu może
rozwiązaniach optycznych pojawia się rozszczepienie oznaczać, że przy brzegu kolistego obrazu niektóre luki
kolorów, zwłaszcza przy krawędziach kadru. Szcze- nie zostaną zarejestrowane w ogóle (zwykle te najmniej-
gólnie x
le pod tym względem wypada wspomniana sze). Inne będą zarejestrowane jako obszary o małej jas-
nasadka FC-E8 (Frazer et al. 2001). Nieskorygowanie noS
ci i w procesie progowania będą zakwalifikowane do
aberracji chromatycznej może mieć negatywny wpływ kategorii  elementy sklepienia drzewostanu , co zafał-
na przebieg procesu progowania zdjęcia i co za tym idzie szuje wyniki analizy warunków S
wietlnych (Wagner
 na ocenę warunków S
wietlnych. 1998). Nawet w przypadku obiektywów sygnowanych
Obiektywy typu rybie oko mogą się różnić sposobem przez dobrych producentów sprzętu optycznego nasi-
odwzorowania obrazu. Jeżeli chodzi o badania warun- lenie winietowania może być znaczne (Wagner 2001).
ków S
wietlnych pod sklepieniem drzewostanu, to sposób Istnieje kilka przesłanek technicznych mogących
odwzorowania właS
ciwie nie ma znaczenia, natomiast wpływać na wybór aparatu fotograficznego. Pierwszą z
znaczenie ma model obiektywu. Dwa obiektywy o takiej nich jest wielkoS
ć matrycy wyrażona w pikselach. Im
samej ogniskowej i o takim samym odwzorowaniu, ale o większa jest matryca, tym z większą rozdzielczoS
ciÄ…
różnej jasnoS
ci, mogą tworzyć istotnie różne odwzoro- można będzie zarejestrować obraz. Spadnie wówczas
wania obrazu sklepienia drzewostanu na matrycy apa- odsetek tzw. pikseli mieszanych, obejmujÄ…cych wycinek
ratu fotograficznego. Wynika to ze zjawiska okreS
lane- nieboskłonu, w którym występują razem elementy
go jako dystorsja obrazu. Jest to wada układu optycz- sklepienia drzewostanu i otwarte niebo. Przy dużej
nego polegająca na różnym powiększeniu obrazu w matrycy zamiast jednego piksela o uS
rednionej jasnoS
ci
zależnoS
ci od jego odległoS
ci od osi optycznej instru- (DN) uzyskuje siÄ™ w obrazie kilka pikseli ciemnych
mentu. W przypadku odwzorowania równokątnego (sklepienie) i kilka jasnych (niebo). Duża rozdzielczoS
ć
zależnoS
ć pomiędzy kątem zenitalnym obiektu w skle- obrazu zdecydowanie poprawia precyzję interpretacji
pieniu drzewostanu a odległoS
cią obrazu obiektu od zdjęcia (Blennow 1995, Inoue et al. 2004, Macfarlane et
S
rodka matrycy powinna mieć charakter liniowy (ryc. al. 2007). Ostatnio nawet popularne kompaktowe apara-
1b). Na skutek dystorsji zależnoS
ć ta nie jest prosto- ty amatorskie mają matryce typu CCD (ang. Charge
liniowa nawet w wysokiej klasy obiektywach. Herbert Coupled Device) o bardzo dużej liczbie pikseli. Niestety
(1987) wykazał, że nieuwzględnienie dystorsji obiekty- duże upakowanie elementów S
wiatłoczułych na malej
wu podczas interpretacji zdjęcia może prowadzić do powierzchni potęguje zjawisko przelewania się ładun-
istotnych błędów w oszacowaniu warunków S
wietlnych. ków elektrycznych (ang. blooming) z intensywnie na-
Z tego powodu w większoS
ci algorytmów do analizy S
wietlonych pikseli do pikseli przyległych. Na skutek
zdjęć hemisferycznych przewidziano opcję korekty tego zjawiska obraz małych silnie naS
wietlonych luk jest
dystorsji. Przed zakupem obiektywu należałoby spraw- nieproporcjonalnie duży do ich rzeczywistej wielkoS
ci.
dzić, czy dany model obiektywu został uwzględniony w Matryce fotograficzne o innej konstrukcji, typu CMOS
używanym oprogramowaniu i czy będzie możliwe (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor), są
stosowanie poprawki. Jeżeli nie został, to kupując taki mniej podatne na takie zakłócenia. Ten typ matryc jest
obiektyw należy się liczyć z koniecznoS
cią samodzielnej często stosowany w droższych aparatach (głównie
kalibracji obiektywu (ustalenia matematycznej formuły cyfrowych lustrzankach). Podjęcie decyzji o zakupie
funkcji opisujÄ…cej rzeczywiste odwzorowanie obiekty- wymiennego obiektywu typ rybie oko bardzo ogranicza
wu  por. Schwalbe 2005) i wprowadzenia funkcji kory- wybór modelu cyfrowego aparatu fotograficznego.
gującej do posiadanego oprogramowania (jeżeli takie Muszą to być aparaty tzw. pełnoklatkowe. To żargono-
uzupełnienie jest możliwe). we okreS
lenie oznacza, że rozmiary fizyczne matrycy
110 L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
S
wiatłoczułej (w mm) są identyczne bądx
bardzo GPS. Jeżeli warunki drzewostanowe utrudniają odczyt
zbliżone (np. w Canonie 5D 23,9×35,8 mm) do danych GPS w miejscu wykonywania zdjÄ™cia (Bolibok
rozmiarów jednej klatki błony filmowej formatu 35 mm 2005), wystarczające będą dane odczytane w pobliskiej
(24×36 mm). Po zamontowaniu obiektywu typu rybie wiÄ™kszej luce. Informacje te sÄ… przydatne z dwóch
oko przeznaczonego do aparatów formatu 35 mm do powodów. Po pierwsze są one (w zasadzie tylko
aparatu niepełnoklatkowego, obraz sklepienia drzewo- szerokoS
ć geograficzna) wymagane przez program
stanu po prostu nie zmieS
ciłby się na mniejszej matrycy. analizujący zdjęcie. Drugim powodem jest deklinacja
Cyfrowe aparaty pełnoklatkowe (zazwyczaj droższe magnetyczna, skutkująca rozbieżnoS
cią pomiędzy
aparaty profesjonalne) dają mniej szumów, czyli przy- północą magnetyczną (wskazywaną przez busolę) i
padkowo pojawiających się na zdjęciu plamek na obsza- północą geograficzną. Orientacja obrazu względem
rach jednolitego koloru, które podczas progowania północy geograficznej jest konieczna do prawidłowej
mogą zostać uznane za luki. Zjawisko szumów w tań- interpretacji zdjęcia. Na podstawie położenia geogra-
szych aparatach nasila się w przypadku wykonywania ficznego można po wykonaniu zdjęcia ustalić poprawkę
zdjęć w trybie podwyższonej czułoS
ci matrycy na deklinacjÄ™ magnetycznÄ… (np. na podstawie serwisu
(ISO100). Aparaty pełnoklatkowe mają zdecydowanie internetowego NGDC1), a następnie wprowadzić tą
mniejsze szumy w tym trybie pracy, co może okazać się informację do programu analizującego zdjęcia. W przy-
szczególnie korzystne, gdy zdjęcia są wykonywane w padku rejestracji zdjęć na potrzeby szacowania
słabym oS
wietleniu pod okapem gęstego drzewostanu. wskax
nika powierzchni liS
ci (LAI) należy dodatkowo
zwrócić uwagę, czy badany drzewostan znajduje się na
terenie płaskim. W drzewostanach rosnących na zboczu
sklepienie drzewostanu wydaje siÄ™ zazwyczaj rzadsze,
6. Pozycjonowanie aparatu
gdy obserwator spogląda w dół stoku, w porównaniu do
wrażenia, gdy spogląda w górę stoku (przy założeniu, że
W celu wykonania przydatnego zdjęcia aparat musi
oceniany jest wycinek nieboskłonu o tym samym kącie
być zamontowany na statywie. Dzięki temu podczas
zenitalnym). Wynika to z dłuższej drogi S
wiatła przez
dłuższego czasu ekspozycji pozostaje on nieruchomy, co
warstwÄ™ koron w drugim przypadku (Monteset al. 2007).
ułatwia uzyskanie  ostrych zdjęć. Jeżeli warunki
Aby wprowadzić poprawkę w obliczeniach, należałoby
S
wietlne pod okapem wymuszają dłuższy czas otwarcia
zanotować wartoS
ć pochylenia stoku, bowiem ma ona
migawki (1/60 s), to zamiast ręcznego wyzwalania
duży wpływ na wynik oszacowania tego wskax
nika
migawki (zależnie od posiadanego wyposażenia) należy
(Schleppi et al. 2007).
stosować wężyk spustowy, zdalny wyzwalacz lub
Ważnym zaleceniem praktycznym jest wykonywa-
opóx
nione samoczynne otwarcie migawki. Zamoco-
nie zdjęć przy równomiernie i całkowicie zachmu-
wanie aparatu na statywie pozwala również precyzyjnie
rzonym niebie lub przy niebie bezchmurnym, ale przed
zorientować aparat fotograficzny w przestrzeni. OS

wchodem lub po zachodzie słońca. Unika się w ten
optyczna obiektywu musi być skierowana pionowo w
sposób silnego zróżnicowania jasnoS
ci nieboskłonu w
górę. Można to uzyskać poprzez zamontowanie na staty-
obrębie kadru.
wie głowicy samopoziomującej się, bądx
poprzez regu-
lację położenia aparatu w oparciu o poziomicę fotogra-
ficzną wsuniętą w uchwyt mocujący lampę błyskową.
Ponadto, aby możliwe było modelowanie dostępu 7. Ekspozycja automatyczna
S
wiatła bezpoS
redniego do dna lasu na podstawie
zdjęcia, krawędzie prostokątnej matrycy rejestrującej Podstawowym warunkiem wykonania przydatnego
obraz muszą być równoległe do głównych kierunków do analiz zdjęcia jest prawidłowa ekspozycja. Ekspo-
geograficznych. Regulacji położenia aparatu dokonuje zycja jest to iloS
ć S
wiatła padającego na błonę
się na podstawie wskazań busoli. Zwyczajowo krótsza fotograficzną lub matrycę konieczna do zarejestrowania
oS
matrycy jest równoległa do kierunku NS. Podczas prawidłowego zdjęcia. OkreS
lenie  prawidłowa w tym
fotografowania należy zdecydować, czy górna częS
ć przypadku jest pojęciem względnym, bowiem inna iloS
ć
matrycy jest skierowana na północ czy na południe i S
wiatła powinna zostać dopuszczona do matrycy, gdy
pamiętać o podjętej decyzji podczas obróbki zdjęcia w zamierzeniem fotografującego jest uzyskanie zdjęcia
programie do analizy warunków S
wietlnych. Podczas przydatnego do segmentacji, a inna gdy celem jest
wykonywania zdjęcia warto zarejestrować pozycję zdjęcie ilustracyjne. W przypadku zdjęć przydatnych do
geograficznÄ… i wysokoS
ć n.p.m. za pomocą odbiornika segmentacji należy tak regulować parametry ekspozycji,
1
NGDC http: //www.ngdc.noaa.gov/geomag/declination.shtml, dostęp z dnia 16.06.2009
L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115. 111
aby niezasłonięte fragmenty nieboskłonu były odwzo- przy szeroko otwartej przysłonie pozwalają na uzyska-
rowane w jak najjaS
niejszych barwach (najlepiej białej), nie wyrax
nych konturów elementów sklepienia
a elementy sklepienia drzewostanu w możliwie drzewostanu. Stosowanie wyższych wartoS
ci przysłony
najciemniejszych. (mniejszego otworu) może natomiast ograniczać aber-
IloS
ć S
wiatła, jaką należy  wpuS
cić , zależy od racje chromatyczne w obrazie. Należy jednak pamiętać,
ustawienia czułoS
ci matrycy aparatu cyfrowego i jest że zwiększenie liczby przysłony oznacza koniecznoS
ć
regulowana czasem otwarcia migawki i przysłoną apara- wydłużenia czasu ekspozycji, co zwiększa prawdopodo-
tu. Zaletą krótkiego czasu naS
wietlania jest ograniczenie bieństwo, iż obraz będzie  poruszony .
nieostroS
ci obrazu związanej z poruszaniem się foto- Zdecydowana większoS
ć współczesnych aparatów
grafowanych obiektów w trakcie ekspozycji. Krótki czas cyfrowych posiada opcję automatycznego ustawiania
ekspozycji  unieruchamia korony drzew poruszane ekspozycji. Aparat po uwzględnieniu zadanej czułoS
ci
lekkimi powiewami wiatru. Frazer i in. (1997) zalecajÄ…, matrycy, sam ustala czas otwarcia migawki i liczbÄ™
aby przy wietrznej pogodzie stosować czas naS
wietlania przesłony. Algorytm optymalizujący te parametry
nie dłuższy niż 1/125 s. OczywiS
cie krótki czas otwarcia ekspozycji bierze pod uwagę wskazania wbudowanego
migawki musi być kompensowany prze równoczesne w aparat S
wiatłomierza mierzącego iloS
ć S
wiatła
zwiększenie otworu przysłony, w przeciwnym razie (luminację) docierającego z fotografowanej sceny.
zdjęcie może stać się bardzo niedoS
wietlone i mało Następnie automatycznie ustala parametry ekspozycji,
kontrastowe (por. Zhang i in. 2005, ryc. 3). zakładając, że S
wiatło dociera z jasnoszarej powierzchni
Przysłona aparatu przy wykonywaniu zdjęć zwy- odbijającej 18% S
wiatła (Macfarlane et al. 2000). W
kłym obiektywem wpływa na głębię ostroS
ci zdjęcia. W praktyce oznacza to, że korzystając z automatycznego
przypadku obiektywów hemisferycznych o bardzo ustalania ekspozycji do zrobienia zdjęcia obejmującego
krótkiej ogniskowej (8 lub 10 mm) nie ma to praktycznie jedynie idealnie białą kartkę papieru z otrzymamy obraz
znaczenia. Mają one bardzo dużą głębię ostroS
ci i już jasnoszary. Podobny efekt będzie również przy fotogra-
fowaniu czarnej kartki papieru. Mniej abstrakcyjny
przykład działania tego algorytmu można zaobserwo-
wać analizując zdjęcia zaS
nieżonego krajobrazu wyko-
nane w dzień słoneczny z wykorzystaniem automatycz-
nej ekspozycji. R
nieg jest na nich nie biały, lecz szary.
Sytuacje takie należą do ekstremalnych sytuacji
fotograficznych. W większoS
ci zwykłych sytuacji foto-
graficznych opisywany automatyczny algorytm ustala
parametry ekspozycji (czas otwarcia migawki i liczbÄ™
przesłony) tak, aby w miarę możliwoS
ci widoczne były
szczegóły obrazu w jasnych (różnie odcienie chmur) i
ciemnych obszarach kadru (różne odcienie liS
ci i gałęzi).
Takie ustawienia nie sÄ… najlepsze dla szacowania warun-
ków S
wietlnych. Automatyczne ustawienie ekspozycji
zazwyczaj daje mały kontrast pomiędzy niezakrytym
nieboskłonem a koronami drzew, utrudniający póx
niej-
szą segmentację zdjęcia. Analiza tego typu zdjęć daje
szczególnie duże błędy w drzewostanach o bardzo
dużym lub bardzo małym zwarciu (Zhang et al. 2005).
Liczne badania wskazują, że cyfrowe fotografie hemi-
sferyczne wykonane w trybie automatycznej ekspozycji
Rycina 3. Zdjęcia wykonane na otwartej przestrzeni:
pod gęstym sklepieniem drzewostanu mają tendencję do
a) z automatycznym ustawieniem ekspozycji, b) z przeS
wie-
zawyżania warunków S
wietlnych (Englund et al. 2000,
tleniem 2 EV; oraz pod okapem dojrzałego drzewostanu
Frazer et al. 2001, Ishida 2004).
sosnowego: c) z automatycznym ustawieniem ekspozycji,
d) z niedoS
wietleniem 2 EV, e) z przeS
wietleniem 2 EV
Figure 3. Examples of manual exposition correction:
a) picture made on the open area with automatic exposition,
8. Manualne ustawianie ekspozycji
b) picture made in the same place with overexposure +2EV,
c) picture made under canopy of old Scots pine stand with
Na zdjęciu przydatnym do analiz niezasłonięty nie-
automatic exposition, d) picture made in the same place with
boskłon powinien był biały lub jak najbardziej zbliżony
underexposure  2EV, e) picture made in the same place but
do białego. Aby uzyskać ten efekt, należy wyłączyć tryb
with exposure value EV the same value as in picture 3b
112 L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
automatyczny w aparacie i ustalić parametry ekspozycji Procedura regulacji ustawień ekspozycji względem
ręcznie, tak, aby dopuS
cić do matrycy większą iloS
ć warunków S
wietlnych z przestrzeni otwartej daje lepszy
S
wiatła, S
wiadomie powodujÄ…c przeS
wietlenie zdjęcia kontrast pomiędzy niezasłoniętym nieboskłonem a skle-
(ang. overexposure). Zmniejszenie liczby przysłony o pieniem drzewostanu, ponieważ nieboskłon zawsze jest
jeden stopień ponad wskazania automatu (np. poprzez odwzorowany jako biały, niezależnie od zwartoS
ci skle-
zmianę liczby przesłonyz8na5,6) oznacza zwiększenie pienia drzewostanu. Podgląd obrazu dostępny w apara-
o połowę otworu przesłony, co skutkuje pewnym tach cyfrowych może skłaniać do manipulacji parame-
rozjaS
nieniem obrazu. Ten sam efekt można uzyskać trami ekspozycji w celu uzyskania najbardziej kontrasto-
poprzez zwiększenie o połowę czasu naS
wietlania (np. z wego zdjęcia, ale takie postępowanie eliminuje powta-
1/60 do 1/30 s). Obydwa te działania okreS
lane sÄ… jako rzalnoS
ć i wprowadza subiektywizm do oceny sklepienia
zwiększenie wartoS
ci ekspozycji EV (ang exposure drzewostanu. Badania porównujące wyniki oceny
value) o 1 wstosunku do automatycznej wartoS
ci EV. wskax
nika powierzchni liS
ciowej (LAI) za pomocÄ… foto-
Ustalona przez automat ekspozycja EV ma wartoS
ć grafii hemisferycznej wskazują, że parametry ekspozy-
liczbową, którą można obliczyć ze wzoru: EV=log2 cji mają bardzo duży wpływ na wynik oceny (Zhang et
(A2/T), gdzie A jest to liczba przysłony, a T to czas al. 2005). Zmiana ekspozycji o 1 może zmienić oszaco-
otwarcia migawki wyrażony sekundach. wanie LAI o 13% (Macfarlane et al. 2000). JednoczeS
nie
Przy automatycznej ekspozycji równomiernie zach- porównanie wyników oceny LAI uzyskanych za pomocą
murzone, lecz nie zasłonięte drzewami niebo (np. na innych metod (Macfarlane et al. 2000, Zhang et al. 2005)
bardzo dużym zrębie) zostanie przedstawione jako wskazuje, że właS
ciwa ekspozycja powinna być ustalana
jasnoszary obszar (odbijajÄ…cy 18% S
wiatła). Aby został względem warunków S
wietlnych na otwartej prze-
on przedstawiony jako biały obszar (100% odbitego strzeni.
S
wiatła), wartoS
ć ekspozycji EV trzeba by teoretycznie W praktyce badacz znajdujący się pod okapem drze-
zwiększyć o 2,5 (Macfarlane et al. 2000). Ze względu na wostanu musi ustalić parametry ekspozycji dla terenu
spadek jasnoS
ci zachmurzonego nieboskłonu przy otwartego przy ustawieniu automatycznym, a następnie
większym kącie zenitalnym Wagner i Hagemeier (2006) wprowadzić do nich korektę. Jest kilka sposobów roz-
zalecajÄ… nawet przeS
wietlenie większe  o 3EV. Popraw- wiązania tego problemu. Najlepszy metodycznie sposób
ka ta została ustalona jeszcze przy użyciu aparatów z polega na zastosowaniu S
wiatłomierza zewnętrznego
kliszą fotograficzną, lecz również nowe badania z przystosowanego do punktowego pomiaru S
wiatła.
użyciem aparatów cyfrowych (Zhang et al. 2005) po- Wówczas po ustawieniu w tym urządzeniu wybranej
twierdzają, że najlepszy kontrast pomiędzy niebem a czułoS
ci matrycy (np. ISO 100) i czasu otwarcia mi-
listowiem można uzyskać stosując zwiększenie ekspo- gawki (np. 1/125 s) czujnik takiego S
wiatłomierza na-
zycji o 2 3 jednostki w stosunku do wskazań z po- leży skierować na pobliską, nawet niezbyt dużą, lukę w
wierzchni otwartej. sklepieniu drzewostanu. Wskazania S
wiatłomierza (po-
Niektórzy autorzy (np. Canham et al. 1994, Hale et daną wartoS
ć liczby przysłony) należy potraktować jako
Edwards 2002), opisując parametry ekspozycji właS
- wyjS
ciowÄ… wartoS
ci EV i następnie w aparacie foto-
ciwe do wykonania przydatnych do analizy zdjęć hemi- graficznym zmienić odpowiednio liczbę przysłony aby
sferycznych, polecajÄ… niedoS
wietlenie zdjęć (ang. under- uzyskać pożądane przeS
wietlenie (np. +2, poprzez
exposure) w celu otrzymania obrazu, na którym elemen- zmniejszenie liczby przysłony o dwa stopnie np. z F16
ty sklepienia drzewostanu zostanÄ… przedstawione w bar- do F 8). Alternatywnym rozwiÄ…zaniem jest wykorzys-
wach zdecydowanie ciemniejszych niż przy automa- tanie wbudowanego w aparat S
wiatłomierza. Wbudo-
tycznej ekspozycji. Często proponowana jest zmiana wany S
wiatłomierz bada luminację w różnych obszarach
wartoS
ci ekspozycji o 2 stopnie, ale na minus względem matrycy S
wiatłoczułej i uS
rednia wynik. W bardziej
wskazań z trybu automatycznego (np. Canham et al. zaawansowanych aparatach użytkownik może wybrać
1994), co w praktyce może oznaczać skrócenie czasu obszar w centralnej częS
ci kadru (pomiar centralny).
naS
wietlania z 1/30 do 1/125 s dla stałej wybranej Ustawiając aparat tak, że S
rodek kadru pokrywa siÄ™ ze
wartoS
ci liczby przysłony. Frazer i in. (1997) zalecają S
rodkiem dużej luki, automat aparatu wskaże parametry
niedoS
wietlenie o 3 4 jednostki w stosunku do wskazań ekspozycji podobne do wskazania S
wiatłomierza
trybu automatycznego. Zalecenia te nie są sprzeczne z zewnętrznego. Jak zauważa Ishida (2004), w normalnym
zaleceniami przedstawionymi uprzednio. W przypadku, obiektywie (ogniskowa 50 mm) pomiar centralny
gdy automat ustali parametry ekspozycji dla otwartej oznacza pobieranie próby z fragmentu nieboskłonu
przestrzeni, to mimo ustawienia przeS
wietlenia o 2 jed- wyciętego przez kąt bryłowy o wartoS
ci 10 stopni, dla
nostki, sklepienie drzewostanu będzie niedoS
wietlone i obiektywu hemisferycznego kąt ten będzie szerszy, więc
jego elementy na zdjęciu będą bardzo ciemne. oznaczałoby to przerywanie co jakiS
czas wykonywania
zdjęć w badanym drzewostanie i koniecznoS
ć poszuki-
L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115. 113
wania dużej luki (Chen et al. 2006) lub otwartej Ekspozycja ustalona poprzez wbudowany w aparat
przestrzeni (Canham et al. 1990). Niektórzy badacze automat może zawierać kombinację niepełnej liczby
(Zhang et al. 2005) w celu zmniejszenia kąta bryłowego, przesłony (np. 10) i wybranego czasu otwarcia migawki.
dla którego S
wiatłomierz wewnętrzny mierzy luminację, Pierwsza trudnoS
ć wiąże się z koniecznoS
ciÄ… ustalenia
wymieniali obiektyw hemisferyczny na obiektyw o pozycji pierS
cienia przysłony, aby uzyskać zakładaną
dłuższej ogniskowej. W przypadku aparatów cyfrowych korektę wartoS
ci ekspozycji. Przykładowo, gdy automa-
częsta wymiana obiektywów, zwłaszcza w S
rodowisku tycznie ustalona liczba przesłony wyniesie F 7,1, to aby
leS
nym, prowadzi do zakurzenia matrycy i w konsek- zmienić wartoS
ć ekspozycji o 2 jednostki, należy usta-
wencji do błędnych pomiarów. wić w aparacie bądx
na obiektywie liczbę przesłony
W praktyce ręczne ustawianie parametrów ekspo- równą F 3,5.
zycji może początkowo wydawać się trudne z kilku Teoretycznie, aby zwiększyć wartoS
ć ekspozycji o 2
względów. Na pierS
cieniu obiektywu służącym do jednostki, można wogóle nie korygować otwarcia
manualnego ustawiania przesłony najczęS
ciej znajdują przysłony, ale jedynie czterokrotnie wydłużyć czas
się nie tylko pełne liczby przesłony (np. F8 i F11), ale otwarcia migawki np. z 1/250 s do 1/60 s. Jednakże w
także wartoS
ci poS
rednie (F =8, 9, 10, 11), ustalone w niektórych okolicznoS
ciach (np. gdy fizycznie nie ma w
odstopniowaniu co 1/3 EV (por. tab. 1). danym obiektywie możliwoS
ci ustawienia wyliczonej
wartoS
ci przysłony) może być konieczna korekta
ekspozycji równoczeS
nie za pomocÄ… zmiany liczby
Tabela 1. WartoS
ć ekspozycji w zależnoS
ci od czasu otwar-
przesłony i czasu otwarcia migawki.
cia migawki i liczby przysłony. Przy obliczeniach posłużo-
Wykonanie kilku zdjęć przy różnych ustawieniach
no siÄ™ rzeczywistymi wartoS
ciami czasu otwarcia migawki
pozwala sprawdzić efekt stosowania korekty ekspozycji
1/64 s i 1/128 s opisywanymi na obudowie aparatu jako
na otwartej przestrzeni (ryc. 3a-b) i w warunkach
1/60 i 1/125
drzewostanowych (ryc. 3c-d). Przy użyciu automa-
Table 1. Exposure values calculated for different exposure
tycznej ekspozycji (EV=12,66, por tab. 1) otwarta
time and aperture F-number. During calculation real exposure
time was used 1/64 s and 1/128 s, described on camera body as przestrzeń jest szara. Korekta ekspozycji o +2 jednostki
1/60 and 1/125
(EV=10,61, por. tab. 1) daje efekt przeS
wietlenia, a
nieboskłon wydaje się biały. Efekt przeS
wietlenia można
Liczba przysłony WartoS
ć ekspozycji wyliczona
było uzyskać zmniejszając liczbę przesłony z F7,1 do
(z odstopniowaniem dla czasu otwarcia migawki
co 1/3 EV) Exposure values for exposure time: F3,5 przy zachowaniu czasu otwarcia migawki równego
F  number
1/125 s. W tym przypadku zdano siÄ™ na automatykÄ™
1/60 s 1/125 s
(in steps of 1/3 EV)
aparatu fotograficznego i ustawiono korektÄ™ ekspozycji
2 8,00 9,00
na wartoS
ć +2EV. Zalecane przeS
wietlenie algorytm
2,2 8,28 9,28
zrealizował ustalając parametry ekspozycji na F5 i
2,5 8,64 9,64
t=1/60s (EV=10,61, por. tab. 1). Czytelnika może zanie-
2,8 8,97 9,97
pokoić fakt, że w opisywanym przykładzie zadana ko-
3,2 9,36 10,36
rekta ekspozycji wynosiła +2EV, a liczbowa wartoS
ci
3,5 9,61 10,61
ekspozycji zmniejszyła się o blisko 2 jednostki w stosun-
4 10,00 11,00
ku do wartoS
ci wyjS
ciowej. Nie jest to błąd, a jedynie
4,5 10,34 11,34
kwestia przyjętej konwencji. Zmiana liczby przesłony z
5 10,64 11,64
F 7,1 na F 3,5 zwiększa wielkoS
ć otworu przysłony,
5,6 10,97 11,97
więc zwiększa dopływ S
wiatła do matrycy aparatu i dla-
6,3 11,31 12,31
tego zmiana ta jest okreS
lana w żargonie fotograficznym
7,1 11,66 12,66
jako  zwiększenie wartoS
ci ekspozycji i tak też opi-
8 12,00 13,00
sywana w ustawieniach aparatu cyfrowego, chociaż w
9 12,34 13,34
praktyce oznacza to zmniejszenie liczbowej wartoS
ci
10 12,64 13,64
ekspozycji.
11 12,92 13,92
Na rycinach 3c, 3d i 3e zilustrowano w praktyce
13 13,40 14,40
zagadnienia właS
ciwej korekty ekspozycji pod okapem.
14 13,61 14,61
Na ryc. 3c przedstawiono hemisferyczny obraz sklepie-
16 14,00 15,00
nia dojrzałego drzewostanu sosnowego przylegającego
18 14,34 15,34
do poprzednio opisywanej otwartej przestrzeni (ryc. 3a i
20 14,64 15,64
b) wykonany w kilka minut po wykonaniu zdjęcia z ryc.
22 14,92 15,92
3b, z wykorzystaniem automatycznych ustawień ekspo-
Szarym tłem oznaczono pełne stopnie przysłony
zycji (EV=10,64, por. tab. 1). W tym konkretnym przy-
Grey background signifies full steps
114 L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115.
padku automatyczny algorytm sprawił się zadziwiająco polegającą na przeS
wietleniu wykonywanych zdjęć w
dobrze, ponieważ zdjęcie jest doS
ć kontrastowe, a nie- stosunku do wskazań S
wiatłomierza z powierzchni
zasłonięty nieboskłon wydaje się biały. otwartej.
Na ryc. 3d przedstawiono zdjęcie z tej samej lokali-
zacji, ale z wymuszonym niedoS
wietleniem o 2 jednos-
Literatura
tki EV względem ekspozycji ustalonej automatycznie
pod okapem drzewostanu (EV=12,66, por. tab. 1). To
Anderson M.C. 1964: Studies of the woodland light climate I.
zdjęcie ilustruje zalecenia niektórych autorów oma-
The photographic computation of light condition. Journal
wiane we wczeS
niejszej częS
ci artykułu, zmierzające do
of Ecology, 52: 27 41.
uzyskania jak najciemniejszego obrazu elementów
Blennow K. 1995: Sky-view factors from high-resolution
sklepienia drzewostanu. Jak widać, w warunkach małej
scanned fisheye lens photographic negatives. Journal of
dostępnoS
ci S
wiatła (pochmurny dzień zimowy) takie Atmospheric and Oceanic Technology, 12: 1357 1362.
Bolibok L. 2005: Zastosowanie odbiorników nawigacji
zalecenia mogą się nie sprawdzić, bowiem całe zdjęcie
satelitarnej klasy turystycznej w szczególowym
wydaje się ciemne, w tym również fragmenty nie
planowaniu hodowlanym. Sylwan, 149(7): 37 50
zasłoniętego nieboskłonu. Na ryc. 3e prezentowane jest
Canham C. D., Denslow J.S., Platt W.J., Runkle J.R., Spies
zdjęcie z tej samej lokalizacji, ale z ustawieniami
T.A., White P.S. 1990: Light regimes beneath closed
ekspozycji powodujÄ…cymi przeS
wietlenie o 2 EV (10,61,
canopies and tree-fall gaps in temperature and tropical
por. tab. 1) względem wartoS
ci liczbowej ekspozycji
forest. Canadian Journal of Forest Research, 20: 620 631.
ustalonej na powierzchni otwartej (por. ryc. 3a i b). To
Canham C.D., Finzi A.C., Pacala S.W., Burbank D.H. 1994:
zdjęcie można potraktować jako potwierdzenie słusz-
Causes and consequences of resource heterogeneity in
noS
ci strategii polegającej na ustaleniu parametrów forests: interspecific variation in light transmission by
canopy trees. Canadian Journal of Forestry Research, 24:
ekspozycji pod okapem przyjmujÄ…c za punkt wyjS
cia
337 349.
parametry automatyczne z przestrzeni otwartej zwięk-
Chazdon R.L., Field C.B., 1987: Photographic estimation of
szone o 2 3 jednostki EV. Uzyskano bowiem bardzo
photosynthetically active radiation: evaluation of a compu-
kontrastowe zdjęcie przydatne do dalszej obróbki.
terized technique. Oecologia, 73(4): 525 532.
Wizualnie zdjęcia z ryc. 3c i 3e wydają się bardzo
Chen J.M., Govind A., Sonnentag O., Zhang Y., Barr A.,
podobne, ale nie należy tego traktować jako przykładu
Amiro B. 2006: Leaf area index measurements at Fluxnet-
na to, że automatyczna ekspozycja jest równie dobra co
Canada forest sites. Agricultural and Forest Meteorology,
manualna. Jest to raczej ilustracja stwierdzenia, że
140: 257 268.
automatyczna korekta czasami pozwala uzyskać Du H., Voss K.J., 2004: Effects of point-spread function on
calibration and radiometric accuracy of CCD camera.
przydatne do analiz zdjęcie, a prawidłowa korekta
Applied Optics, 43(3): 665 670.
manualna zawsze.
Englund S.R., O Brien J.J., Clark D.B., 2000: Evaluation of
digital and film hemispherical photography and spherical
densitometry for measuring forest light environments.
9. Podsumowanie
Canadian Journal of Forest Research, 30: 1999 2005.
Evans G.D., Coombe D.E. 1959: Hemispherical and woodland
Jak już wspomniano, fotografia hemisferyczna służy canopy photography and the light climate. Journal of
Ecology, 47: 103 113.
do modelowania warunków S
wietlnych pod okapem
Fiala A.C.S., Garman S.L., Gray A.N., 2006: Comparison of
drzewostanu. Aby wyniki tego modelowania były po-
five canopy cover estimation techniques in the western
równywalne z czasochłonnymi i kosztownymi pomia-
Oregon Cascades. Forest Ecology and Management, 232:
rami bezpoS
rednimi, należy starannie wybrać sprzęt oraz
188 197.
S
ciS
le przestrzegać procedury wykonywania zdjęć. W
Frazer G.W., Fournier R.A., Trofymow J.A., Hall R.J. 2001: A
dobie powszechnego stosowania oprogramowania do
comparison of digital and film fisheye photography for
korekty zdjęć cyfrowych może pojawić się pokusa
analysis of forest canopy structure and gap light transmis-
eliminacji niedostatków zdjęć już po ich wykonaniu (np.
sion. Agricultural and Forest Meteorology, 109: 249 263.
zwiększenie ich kontrastu). Zabieg taki jest oczywiS
cie Frazer G.W., Trofymow J.A., Lertzman K.P. 1997: A method
for estimating canopy openness, effective leaf area index,
możliwy, ale metodycznie niewskazany. Każda subiek-
and photosynthetically active photon flux density using
tywna ingerencja w utrwalony obraz sklepienia
hemispherical photography and computerized image
drzewostanu sprawia bowiem, że wyniki modelowania
analysis techniques. Technical report, Information Report
przestają być obiektywne i powtarzalne. Aby zachować
BC-X-373, Natural Resources Canada, Canadian Forest
precyzjÄ™ i powtarzalnoS
ć wyników, należy stosować
Service, Pacific Forestry Centre, Victoria, BC.
wyższej jakoS
ci rozwiÄ…zania optyczne (wymienne
Gendron F., Messier C., Comeau P.G., 1998: Comparison of
obiektywy hemisferyczne w połączeniu z pełnoklat-
various methods for estimating the mean growing season
kowym aparatem cyfrowym) oraz korektÄ™ ekspozycji,
L. Bolibok / LeS
ne Prace Badawcze, 2010, Vol. 71 (1): 105 115. 115
percent photosynthetic photon flux density in forests. Macfarlane C.K., Grigg A., Evangelista C. 2007: Estimating
Agricultural and Forest Meteorology, 92: 55 70. forest leaf area using cover and fullframe fisheye
Hale S.E., Edwards C. 2002: Comparison of film and digital photography: Thinking inside the circle. Agricultural and
hemispherical photography across a wide range of canopy Forest Meteorology, 146: 1 12.
densities, Agricultural and Forest Meteorology, 112: Montes F., Pita P., Rubio A., Canella, I. 2007: Leaf area index
51 56. estimation in mountain even-aged Pinus silvestris L.
Hardy J.P., Melloh R., Koenig G, Marks D., Winstral A., stands from hemispherical photographs. Agricultural and
Pomeroy J.W., Link T. 2004: Solar radiation transmission Forest Meteorology, 145: 215 228.
through conifer canopies. Agricultural and Forest Rich P.M. 1989: A manual for analysis of hemispherical
Meteorology, 126: 257 270. canopy photography. Los Alamos National Laboratory
Herbert T.J., 1987: Area projections of fisheye photographic Report LA-11733-M.
lenses. Agricultural and Forest Meteorology, 39: 215 223. Rich P.M. 1990: Characterizing plant canopies with hemi-
Inoue A., Yamamoto K., Mizoue N., Kawahar Y. 2004: Effect spherical photographs. [w:] Goel N.S., Norman J.M. (ed.):
of different image quality, size and camera type on forest Instrumentation for studying vegetation canopies for
light environment estimates using digital hemispherical remote sensing in optical and thermal infrared regions.
photography. Agricultural and Forest Meteorology, 126: Remote Sensing Reviews, 5: 13 29.
89 97. Schleppi P., Conedera M., Sedivy I., Thimonier A. 2007:
Ishida M., 2004: Automatic thresholding for digital hemisphe- Correcting non-linearity and slope effects in the estimation
rical photography. Canadian Journal of Forest Research, of the leaf area index of forests from hemispherical
34: 2208 2216. photographs. Agricultural and Forest Meteorology, 144 :
Jonckheere I., Fleck S., Nackaerts K., Muysa B., Coppin P., 236 242.
Weiss M, Baret F. 2004: Review of methods for in situ leaf Schwalbe E. 2005: Geometric Modelling and Calibration of
area index determination. Part I. Theories, sensors and Fisheye Lens Camera Systems. Proceedings of the 2nd
hemispherical photography. Agricultural and Forest Panoramic Photogrammetry Workshop, International
Meteorology, 121: 19 35 Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and
Kuusk A., Paas M. 2007: Radiometric correction of hemisphe- Spatial Information Sciences, 36, 5/W8.
rical images. ISPRS Journal of Photogrammetry and Strzeliński P. 2006: Zastosowanie zdjęć hemisferycznych w
Remote Sensing, 61: 405 413. badaniach ekosystemów leS
nych. Roczniki Geomatyki, IV,
Leblanc S.G., Chen J.M., Fernandes R., Deering D.W., Conley 2: 103 112.
A. 2005: Methodology comparison for canopy structure Wagner S. 1998: Calibration of grey values of hemispherical
parameters extraction from digital hemispherical photographs for image analysis. Agricultural and Forest
photography in boreal forests. Agricultural and Forest Meteorology, 90: 103 117.
Meteorology, 129: 187 207. Wagner S. 2001: Relative radiance measurements and zenith
Lhotka J.M., Loewenstein E.F. 2006: Indirect measures for angle dependent segmentation in hemispherical photogra-
characterizing light along a gradient of mixed-hardwood phy. Agricultural and Forest Meteorology, 107: 103 115.
riparian forest canopy structures. Forest Ecology and Wagner S., Hagemeier M. 2006: Method of segmentation
Management, 226: 310 318. affects leaf inclination angle estimation in hemispherical
Lieffers V. J., Messier C., Stadt K. J., Gendron F., Comeau P. photography. Agricultural and Forest Meteorology, 139:
G. 1999. Predicting and managing light in the understory of 12 24.
boreal forests. Canadian Journal of Forest Research, Zhang Y., Chen J.M., Miller J.R. 2005. Determining digital
29(6): 796 811. hemispherical photograph exposure for leaf area index
Macfarlane C., Coote, M., White D.A., Adams M.A., 2000: estimation. Agricultural and Forest Meteorology, 133:
Photographic exposure affects indirect estimation of leaf 166 181.
area in plantations of Eucalyptus globulus Labill.
Agricultural and Forest Meteorology, 100: 155 168.
Praca została złożona 29.06.2009 r. i po recenzjach przyjęta 31.08.2009 r.
© 2009, Instytut Badawczy LeS
nictwa