CN102243069A - 一种叶面积指数测定方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶面积指数测定方法，通过激光器输出光照射在重叠叶片上，光电变送器检测透射过叶片的光能量，光电变送器输出的电压信号经数据采集卡采集至计算机，计算机根据电压信号大小判断叶片重叠层数，叶片层数乘以光电变送器的接收面积得到测试点的叶片面积，激光器及光电变送器同步平动，对叶片层所在区域进行扫描，将各测试点的叶片面积累加得到叶片层的总叶片面积，总叶片面积除以占地面积得到叶面积指数。本发明还提供了实现该测定方法的叶面积指数测定装置；与现有技术相比，本发明具有测试结果准确，装置简单，制备成本低的优点。

Description

一种叶面积指数测定方法及装置
技术领域
本发明涉及生态学领域，特别涉及叶面积指数测定方法及装置。
背景技术
叶面积指数LAI(Leaf Area Idex)是指一块地上作物叶片的总面积与占地面积的比值，是生态学研究中的关键参数之一。目前，LAI的检测方法中间接光学模型测量法的研究较多，主要研究空隙率，即冠层内太阳辐射未被截取的概率，进而出现了一系列基于空隙率分析的冠层LAI分析仪器。
然而，由于叶子大量重叠，在叶面积指数值达5～6的时候，单位土地面积上的叶片总面积较大，导致空隙率很小，利用普通冠层LAI分析仪器检测不能分辨叶片的重叠，测量值比直接测量测得的要小得多。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能准确测定叶片重叠情况下的叶面积指数测定方法。
本发明的另一目的在于提供一种能准确测定叶片重叠情况下的叶面积指数测定装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种叶面积指数测定方法，包括以下步骤：
(1)将叶片层置于激光器和光电变送器之间；
(2)系统初始化；
(3)拟合测试：在任意叶片上任意选取若干点作为拟合测试点进行测试，光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；经若干次测试后，由计算机拟合得到电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数；
(4)设置参数：设置电压信号上限、光电变送器的接收面积、叶片层的占地面积和最大循环次数；
(5)光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；
(6)计算机判断采集到的电压信号是否超过电压上限，
若是，进行步骤(7)；
若否，根据测试得到的电压值，利用步骤(3)得到的关系函数计算测试点的重叠叶片层数X；计算测试点叶片面积＝测试点叶片层数×光电变送器的接收面积；
(7)判断是否达到最大循环次数；
若否，激光器与光电变送器同步平动至下一测试点；
若是，则对各测试点叶片面积求和，和值为叶片层的总叶片面积；计算叶面积指数：叶面积指数＝总叶片面积/叶片层的占地面积，完成测定过程。
具体的，所述步骤(3)所述电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数为：Y＝Aexp(-Bx)，其中A和B为拟合得到的系数，A＞0，B＞0。
一种叶面积指数测定装置，包括激光器、光电变送器、数据采集卡和计算机，所述光电变送器与所述激光器通过激光信号连接；所述光电变送器通过数据采集卡与所述计算机连接。
优选的，所述的一种叶面积指数测定装置，还包括U型架，所述激光器安装在所述U型架的上侧；所述光电变送器安装在U型架的下侧，位于所述激光器的垂直正下方。
优选的，所述的一种叶面积指数测定装置，还包括接线端，所述光电变送器通过所述接线端与计算机连接。
优选的，所述激光器为近红外激光器。
优选的，所述光电变送器包括近红外硅光电池和调理模块，所述近红外硅光电池与所述调理模块连接。
优选的，所述调理模块进一步包括前置放大电路和主放大电路和滤波电路，所述前置放大电路的输出端与所述主放大电路的输入端连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：本发明通过激光器输出光照射在重叠叶片上，光电变送器检测透射过叶片的光能量，光电变送器输出的电压信号经数据采集卡采集至计算机，计算机根据电压信号大小判断叶片重叠层数，叶片层数乘以光电变送器的接收面积得到该测试点的叶片面积，激光器及光电变送器同步平动，对叶片层所在区域进行扫描，将各测试点的叶片面积累加得到叶片层的总叶片面积，总叶片面积除以占地面积得到叶面积指数；本发明克服了传统的基于空隙率的LAI测定方法及装置在叶片重叠层数较多时无法准确测量LAI值的缺点，而且本发明的装置具有结构简单，制作成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的叶面积指数测定装置的组成示意图。
图2为本发明的叶面积指数测定装置的光电变送器的电路原理图。
图3为本发明的叶面积指数测定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明的叶面积指数测定装置包括近红外激光器1、U型架2、光电变送器3、接线端4、数据采集卡5和计算机6，近红外激光器1安装在U型架2的上侧；光电变送器3安装在U型架2的下侧，位于近红外激光器1的垂直正下方；光电变送器3与近红外激光器1通过激光信号连接；光电变送器3通过接线端4与数据采集卡5连接；数据采集卡5插入计算机6的PCI插槽。
近红外激光器的输出光的中心波长为980nm，输出功率为150mw；光电变送器的接收中心波长为980nm；计算机上安装有LabVIEW软件及SPSS统计分析软件。
如图2所示，本发明的叶面积指数测定装置的光电变送器3包括接收中心波长为980nm的近红外硅光电池和调理模块，调理模块进一步包括前置放大电路31、主放大电路32和滤波电路33。
光电变送器3的具体电路为：前置放大电路31包括运算放大芯片U1(op07)、可变电阻R1和可变电阻R2；主放大电路32包括运算放大芯片U2(op07)、可变电阻R3～R4；近红外硅光电池与运算放大芯片U1的输入端连接，运算放大芯片U1的输出端与运算放大芯片U2的输入端连接；滤波电路33由结构相同的两部分组成，每部分由电容C1与C2并联组成，分别与电源的正、负极连接，用于为光电变送器提供直流电压。
光电变送器的对信号的处理过程为：近红外硅光电池接收光信号，输出光电流，前置放大电路将光电流转变为小信号电压，主放大电路将小信号电压转变为数据采集卡所需的信号电压。
本发明的叶面积指数测定方法具体步骤如图3所示，本实施例通过运行计算机上的LabVIEW2010程序实现测试过程：
(1)将叶片层置于激光器和光电变送器之间；
(2)系统初始化；
(3)拟合测试：拟合测试：在任意叶片上任意选取若干点作为拟合测试点进行测试，光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；经若干次测试后，由计算机拟合得到电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数：Y＝Aexp(-Bx)；其中A和B为拟合得到的正数A＞0，B＞0；
本实施例取重叠叶片层数分别为1～6的6个点，各点经3次测试后，由SPSS统计分析软件拟合得到电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数：Y＝7.35exp(-0.91X)。
(4)设置参数：设置电压信号上限、光电变送器的接收面积、叶片层的占地面积和最大循环次数；
(5)光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；
(6)计算机判断采集到的电压信号是否超过电压上限；
若是，进行步骤(7)；
若否，根据测试得到的电压值，利用步骤(3)得到的关系函数计算测试点的重叠叶片层数X；计算测试点叶片面积＝测试点叶片层数×光电变送器的接收面积；
(7)判断是否达到最大循环次数；
若否，激光器与光电变送器同步平动至下一测试点；
若是，则对各测试点叶片面积求和，和值为叶片层的总叶片面积；计算叶面积指数：叶面积指数＝总叶片面积/叶片层的占地面积，完成测定过程。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如激光器除近红外激光器外可紫外激光器或其他激光器，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种叶面积指数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将叶片层置于激光器和光电变送器之间；
(2)系统初始化；
(3)拟合测试：在任意叶片上任意选取若干点作为拟合测试点进行测试，光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；经若干次测试后，由计算机拟合得到电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数；
(4)设置参数：设置电压信号上限、光电变送器的接收面积、叶片层的占地面积和最大循环次数；
(5)光电变送器将接收到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集至计算机；
(6)计算机判断采集到的电压信号是否超过电压上限，
若是，进行步骤(7)；
若否，根据测试得到的电压值，利用步骤(3)得到的关系函数计算测试点的重叠叶片层数X；计算测试点叶片面积＝测试点叶片层数×光电变送器的接收面积；
(7)判断是否达到最大循环次数；
若否，激光器与光电变送器同步平动至下一测试点；
若是，则对各测试点叶片面积求和，和值为叶片层的总叶片面积；计算叶面积指数：叶面积指数＝总叶片面积/叶片层的占地面积，完成测定过程。
2.根据权利要求1所述的一种叶面积指数测定方法，其特征在于，步骤(3)所述电压值Y和重叠叶片层数X之间的关系函数具体为：Y＝Aexp(-Bx)，其中A和B为拟合得到的系数，A＞0，B＞0。
3.一种叶面积指数测定装置，其特征在于，包括激光器、光电变送器、数据采集卡和计算机，所述光电变送器与所述激光器通过激光信号连接；所述光电变送器通过数据采集卡与所述计算机连接。
4.根据权利要求3所述的一种叶面积指数测定装置，其特征在于，还包括U型架，所述激光器安装在所述U型架的上侧；所述光电变送器安装在U型架的下侧，位于所述激光器的垂直正下方。
5.根据权利要求3所述的一种叶面积指数测定装置，其特征在于，还包括接线端，所述光电变送器通过所述接线端与计算机连接。
6.根据权利要求3所述的一种叶面积指数测定装置，其特征在于，所述激光器为近红外激光器。
7.根据权利要求6所述的一种叶面积指数测定装置，其特征在于，所述光电变送器包括近红外硅光电池和调理模块，所述近红外硅光电池与所述调理模块连接。
8.根据权利要求7所述的一种叶面积指数测定装置，其特征在于，所述调理模块进一步包括前置放大电路和主放大电路，所述前置放大电路的输出端与所述主放大电路的输入端连接。
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