CN101413875A - 一种树木冠层分析仪的数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种树木冠层分析仪的数据采集装置，包括滤光片、与滤光片密封连接的传感装置，所述传感装置与采集控制单元连接，与传感装置连接有存储装置；所述传感装置是由设于同一平面上的若干光电传感单元组成的阵列。本发明在平面上对树木冠层结构特征参数进行测量，工作时放置在树木或森林的冠层底下，通过测量一段时间内透过冠层的太阳光照强弱、光斑结构的变化过程来推算冠层的叶面积指数、孔隙度、消光系数以及这些结构参数的各向异性特征，由于能同时考虑冠层的叶空间分布、传感器天顶角和太阳高度角，因此减少误差；另外由于采用光电传感器，减少了光学成像误差；而且传感装置连接有存储装置，也实现了能较长时间下的数据测量。
Description
技术领域
本发明涉及树木冠层测量领域，特别涉及树木冠层分析仪的数据采集装置。
技术背景
树木冠层参数是林学、农学等领域中评价植物光合作用特征的主要参数，在科学研究、生产实践中具有重要意义。测量这些参数的传感器分为两类：线形传感器和半球形传感器。
线形传感器如美国Decagon公司的Sunfleck Ceptometer、AccuPAR PAR-80、AccuPAR LP-80等型号植物冠层分析仪通过探杆上80个传感器测量植物冠层中400-700nm波段内的光合有效辐射强度，并计算叶面积指数。英国Delta公司的SunScan冠层分析仪通过1米长探杆上的64个传感器测量描述冠层结构的椭球体叶倾角分布参数(ELADP)、太阳天顶角、冠层顶部的直接辐射与散射辐射量以及冠层内部的入射辐射量并进一步反推叶面积指数，这一类仪器一般用于田间作物等低矮植物的测量，对于高大的乔木，线形传感器毫无用处，而且线性传感器由点上的值推算面上的值的时候，会带来很大的误差，而且测量非常费时费力。
半球形传感器基于鱼眼照相技术，通过数码半球图像分析系统测定。如美国LI-C0R仪器公司的LAI-2000型冠层分析仪，在鱼眼相机的感光部分用5个硅光敏圆环测定不同天空开度下的太阳辐射传输参数，匹配的LI-1400数据采集器和量子太阳辐射传感器LI-190及LI-191能测定光合有效辐射(PAR)波段。美国CID公司出品的冠层分析仪CI-100是在LAI-2000的基础上发展起来的，以5个CCD面取代5个硅光敏圆环，因此传感器获取的是2π空间的高分辨率冠层底视孔隙影像图，然后利用孔隙度函数反演推算叶面积指数、透射系数、平均叶倾角及植被冠层对入射辐射的衰减系数等参数。CI-110植物冠层图像分析仪的鱼眼探头或PAR探头安装在一个很轻的手柄的顶端，它可以获取180°视角的鱼眼图像或PAR值。加拿大生产的冠层结构与辐射跟踪仪TRAC在探杆的头部安装了3个PAR传感器，采用独特的创新技术，在冠层下方沿着横断面测定植物冠层吸收的光合有效辐射分量，然后将之转换为林隙比例分布，从而计算出叶面积指数等其它参数。
一般来说，叶空间分布、传感器天顶角和太阳高度角是冠层分析的重要参数。叶空间分布通过计算集聚指数得到，进而可以减小从有效叶面积指数到实际叶面积指数的计算误差；传感器天顶角指入射光线与法线的夹角(对于普通相机来说，垂直于镜面光线的天顶角为0°)；太阳高度角指太阳光线与地面水平线的夹角(正午时为90°)。
除了TRAC之外的其他半球形传感器只在地面某一个点上测量冠层结构，它在计算原理上假设叶片在空间的分布是随机的，也就是说不考虑叶片的空间分布的。TRAC这种仪器在使用的时候不是在地面某一个点上测量，而是要求沿着某一条直线走过，从而测量透过冠层的光斑在该条线上的分布，进而统计叶片的空间分布，并把该统计结果嵌入到计算公式中。而TRAC仪器测量的时候，其取天顶角为57°，相当于用一个平均值来代替变化的值，但在实际观测过程中并不能严格的遵守这个条件，因此存在一定误差。
LAI-2000等仪器用球面度为7°、23°、38°、58°、68°的5个圆环来近似变化的天顶角，在观测有效叶面积指数时同时观测了5个角度的信息，对于有效叶面积指数的观测精度较高，但是假设叶片在空间的分布是随机的，无法计算出集聚指数，因此没有考虑叶的空间分布。
对于太阳高度角上述仪器采用的校正办法有的是用一个向上的或独立的传感器测量天空的入射辐射强度，有的则要求尽量在正午时刻进行测量，也就是说不考虑太阳高度角。
而且，半球形传感器测量的是仪器安置点处镜头的视野范围内的信息，但是这个视野的开阔度因镜头而不同，另外，相机镜头的非线性几何畸变，像平面和CCD平面不重合引起的线性几何畸变等因素也带来误差。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足，设计一种能同时考虑冠层的叶空间分布、天顶角和太阳高度角，而且避免了光学非线性几何畸变造成的成像误差的树木冠层分析仪的数据采集装置。
为了解决上述技术问题，本发明包括如下技术方案：一种树木冠层分析仪的数据采集装置，包括滤光片、与滤光片密封连接的传感装置，分别与传感装置连接的存储装置和采集控制单元，其特征在于：所述传感装置是由设于同一平面上的若干光电传感单元组成的阵列。
所述传感装置为长1.2～1.8米，宽0.6～1.0米的平面。
所述光电传感单元为硅光敏电池或电荷耦合元件。
所述光电传感单元为边长1～2cm的正方形单元。
所述存储装置为闪盘数据存储器。
所述采集控制单元包括用于控制传感装置和存储装置的中央控制单元，与中央控制单元连接有数字键盘和液晶显示屏幕。
还包括与采集控制单元连接的数据信号传输端口。
所述滤光片的滤光波长范围为400～700nm。
还包括气泡水准器和活动支架，所述气泡水准器设于传感装置上，所述活动支架设于传感装置下端。
与现有技术相比，本发明在平面长时间对树木冠层结构特征参数进行测量，能同时考虑到冠层的叶空间分布、天顶角和太阳高度角，减少误差；另外由于采用平面型光电传感器，减少了光学成像误差；传感装置连接有存储装置，也实现了能较长时间下的数据测量。
附图说明
附图1为本发明的组装结构图；
附图2为本发明采集控制的模块连接图。
具体实施方式
本发明工作原理如下：(1)以长时间的测量代替TRAC仪器沿着地面一条直线测量的问题。因为太阳从升起到落山，光线透过了太阳移动方向上一个条带上的冠层并把光斑投影到测量平板上，也就是说，借助太阳的移动代替了仪器的移动。在整个测量过程中，平板上检测的光斑代表了条带上不同位置的叶片空隙的投影，从而可以推算叶片的空间分布。(2)以典型的球型树冠为例，太阳从不同的角度照射并穿过树冠到达平板仪器，相当于记录了不同天顶角情况下的太阳辐射。目前的常用仪器是以鱼眼镜头在瞬时获得不同天顶角条件下的太阳辐射传输特性，而本发明是通过长时间的测量，以太阳本身的圆周移动获得不同天顶角的辐射传输特性。至于太阳在全天的入射辐射强度的变化，在天气晴朗的情况下，准确的归一化推算公式。
以下通过实施例并参照附图1，附图2对本发明的组装结构和模块连接原理做进一步的说明：一种树木冠层分析仪的数据采集装置，包括滤光片1、与滤光片1密封连接的传感装置2，所述传感装置2与采集控制单元3连接，与传感装置2连接有存储装置4；所述传感装置2为硅光敏电池或电荷耦合器件(CCD)组成的平板矩形阵列；所述存储装置4为闪盘数据存储器；所述采集控制单元3包括控制传感装置2采集和存储装置4存储的中央控制单元31，与中央控制单元31连接的数字键盘32和液晶显示屏幕33；为了增强拓展性，本数据采集装置还包括与采集控制单元3连接的数据信号传输端口，该数据信号传输端口可以通过有线方式与电脑连接或者通过红外线或蓝牙技术与电脑连接；为了减少干扰，所述滤光片1的滤光波长范围为400～700nm；为了保证平板传感器能水平放置，还包括气泡水准器5和活动支架6，所述气泡水准器5设于传感装置2上，所述活动支架设于传感装置2下端。
具体对本实施例而言，该树木冠层分析仪数据采集装置划分为2个区域，一个是功能菜单区域1.5米长，0.15米宽；一个是光电感应区域，1.4米长，1米宽，被划分为边长为1cm的14000个正方形网格，集成了14000个硅光敏电池，或直接以集成化的CCD单元代替，与目前通用的数码相机的感光与光电转换部分不同的是，本发明CCD阵列的每一个CCD单元大得多，从而造价也更低得多。
在菜单区域，提供的数字键盘和液晶显示屏幕输入有关参数，数据存储采用4G的FLASH存储器。每个光电池产生的电信号强度被分为0-255个数量级别，用8位存储器来存储，每次数据采集的数据量约100KB，以每3分钟采集一次数据为最大密度计算，早晨8点到下午6点一天共10个小时的数据量是20MB。
其工作原理为：开始工作时，首先选择待测位置，通过调整可伸缩支架和气泡水准器平稳地安放好帆板，输入地方时，经纬度、主要树种等环境描述参数，设置数据采集频率(默认每5分钟采集一次)，然后开始测量。一段时间后按停止键结束测量，回收仪器。接着把存储器上的数据读入到计算机中，使用软件计算出有关参数，完成一次工作。通过测量全天时段内全角度的冠层太阳辐射状况，可推算出植物冠层的叶面积指数、叶片平均倾斜角度、散射辐射透过率、直接辐射透过率、消光系数和叶片的方位分布等参数。
Claims (9)
1.一种树木冠层分析仪的数据采集装置，包括滤光片(1)、与滤光片(1)密封连接的传感装置(2)，分别与传感装置(2)连接的存储装置(4)和采集控制单元(3)，其特征在于：所述传感装置(2)是由设于同一平面上的若干光电传感单元组成的阵列。
2.根据权利要求1所述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：所述传感装置(2)为长1.2～1.8米，宽0.6～1.0米的平面。
3.根据权利要求2所述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：所述光电传感单元为硅光敏电池或电荷耦合元件。
4.根据权利要求3所述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：所述光电传感单元为边长1～2cm的正方形单元。
5.根据权利要求1～4所述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：所述存储装置(4)为闪盘数据存储器。
6.根据权利要求5所述的数据采集装置，其特征在于：所述采集控制单元(3)包括用于控制传感装置(2)和存储装置(4)的中央控制单元(31)，与中央控制单元(31)连接有数字键盘(32)和液晶显示屏幕(33)。
7.根据权利要求6述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：还包括与采集控制单元(3)连接的数据信号传输端口。
8.根据权利要求7述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：所述滤光片(1)的滤光波长范围为400～700nm。
9.根据权利要求8述的树木冠层分析仪的数据采集装置，其特征在于：还包括气泡水准器(5)和活动支架(6)，所述气泡水准器(5)设于传感装置(2)上，所述活动支架设于传感装置(2)下端。
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