CN102564357A - 一种叶面积指数快速自动测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶面积指数快速自动测定装置，该装置包括激光器、光电传感器、信号处理器、数据采集卡和计算机，还包括行走机构、电机驱动器、电机控制电路板。本发明使用虚拟仪器LabVIEW2010编程设计行走机构上U型架的行走轨迹，通过数据采集卡输出信号来控制步进电机的工作，由步进电机控制行走机构上U型架行走轨迹，实现对测试点快速定位和多方位自动测试，本发明还提供了一种叶面积指数的快速自动测定方法，通过对测试点的拟合试验获取电压值和重叠叶片层数的关系式。与现有技术相比，本发明利用步进电机对该装置进行了自动化控制，大大提高了测试效率，节约了较多人力和测试时间。

Description

一种叶面积指数快速自动测定装置及方法

技术领域

本发明涉及生态数据测定技术，特别涉及一种叶面积指数快速自动测定装置及方法。

背景技术

叶面积指数LAI(Leaf Area Index)是指一块地上作物叶片的总面积与占地面积的比值，是生态系统的一个重要结构参数，用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应。目前，LAI的检测方法中间接光学模型的测量方法主要研究空隙率，即冠层内太阳辐射未被截取的概率，进而出现一系列基于空隙分析的冠层LAI分析仪器。然而，由于叶子大量重叠，在叶面积指数达5～6倍的时候，单位土地面积上的叶片总面积较大导致空隙很小，利用普通冠层分析仪器检测不能分析叶片的重叠，测量值比直接测量测得的数据要小的多。

在公告号为CN 102243069 A的中国专利申请公开了一种能够准确测定叶片重叠情况下的叶面积指数的测定方法和装置。该发明利用近红外光谱技术寻找检测分辨叶片重叠数目的方法，将叶片置于激光器和光电变送器之间，光电变送器将采集到的激光信号转变成电压信号，电压信号通过数据采集卡传送到计算机上，通过进行相关的正交试验和标定试验而获取电压值和重叠叶片层数的关系式。该发明需要使用者手持装有激光器和光电变送器的U型架对叶子进行逐点测试，测试速度比较慢，同时不能排除人为因素的影响，对测试准确性有一定影响，而且需耗费较多的人力和时间；另外，如果对比较高大的作物进行测试时，操作很不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构合理，操作方便，能够快速、自动测定叶子重叠情况下的叶面积指数的快速自动测定装置。

本发明的另一个目的在于利用上述装置实现一种叶子重叠情况下的叶面积指数快速自动测定方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种叶面积指数快速自动测定装置，包括激光器、光电传感器、信号处理器、数据采集卡和计算机，激光器与光电传感器通过激光信号连接；光电传感器通过电线与信号处理器连接；本装置还包括行走机构、电机驱动器、电机控制电路板，所述行走机构包括五台步进电机，五台步进电机通过电机驱动器与所述电机控制电路板连接；所述电机控制电路板通过数据采集卡与计算机连接。

优选的，所述行走机构还包括三根丝杆导轨、齿轮组、U型架，其中三台步进电机和三根丝杆导轨分别对应配合连接组成三维定位机构，可使U型架在空间X轴、Y轴、Z轴方向任意移动，其中X轴方向表示前、后方向，Y轴方向表示左、右方向，Z轴方向表示上、下方向；第四台步进电机和U型架配合连接后安装在Z轴方向的丝杆导轨上，所述第四台步进电机控制U型架绕其自身中心轴自由旋转；Z轴方向的丝杆导轨、与Z轴方向的丝杆导轨配合连接的步进电机、U型架、与U型架配合连接的步进电机组成旋转机构，与Z轴方向的丝杆导轨配合连接的步进电机可以控制U型架上升、下降；第五台步进电机通过齿轮组传动与Z轴方向的丝杆导轨连接，控制所述旋转机构绕Z轴自由旋转。

优选的，所述三根丝杆导轨根据测试需要选择合适的长度。

优选的，激光器和光电传感器安装在U型架的两侧，激光器发射的光与光电传感器处在同一直线上，两侧相隔一定的距离。

优选的，所述U型架两侧相隔距离范围为20～24cm。

优选的，所述电机控制电路板结合电机驱动器控制五台步进电机同时自锁和同时运行。

优选的，所述激光器为近红外激光器。

一种叶面积指数快速自动测定方法，包括以下步骤：

(1)系统上电和初始化：对该装置中的设备进行通电，将光斑面积、投影面积、光斑总面积、投影总面积初始化为零；

(2)调整U型架上激光器和光电传感器的位置，使激光器发射的光与光电传感器处于同一直线上；

(3)设置采样参数：信号类型选定为电压，采样频率为10kHz；

(4)设定行走轨迹：LabVIEW2010编程设定行走机构上U型架的行走轨迹；

(5)设置步进电机的步数、正反转及转速：通过数据采集卡输出数字信号来控制步进电机启动/停止、正转/反转，输出脉冲信号控制步进电机转速，通过步进电机来控制行走机构上U型架的行走轨迹；

(6)信号采集：根据行走机构上U型架的行走轨迹得到的若干测试点作为拟合测试点进行测试；信号处理器将光电传感器接受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到计算机；经若干次测试后，由计算机拟合得到电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数；

(7)根据拟合测试得到的电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数，计算重叠叶片层数并判断有没有叶片；

若没有，计光电传感器面积为光斑面积，并记录测试点个数，光斑总面积＝测试点个数×光斑面积；

若有，计光电传感器面积为投影面积，并记录相应的重叠叶片层数和测试点个数，投影总面积＝测试点个数×投影面积，总叶面积＝重叠叶片层数×投影总面积，测试面积＝投影总面积+光斑总面积，投影率＝投影总面积/测试面积，重叠率＝投影面积/总叶面积，叶面积指数＝投影率×重叠率；

(8)实时显示保存并选择是否停止；

若是，则结束；

若否，则返回步骤(4)。

优选的，一种叶面积指数快速自动测定方法，步骤(6)所述电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数具体为：幂函数A＝5.53exp^-0.78B。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本发明通过数据采集卡输出信号来控制步进电机的启动/停止、正转/反转及转速，通过五台步进电机控制行走机构上U型架实现上升、下降，前移、后移，左移、右移，绕Z轴方向顺时钟、逆时针旋转，绕其自身中心轴顺时钟、逆时针旋转十个动作的运行，多种动作模式的组合可使U型架上的光电传感器能够快速准确定位和多方位自动测试。(2)本发明通过选择使用不同长短的丝杆导轨实现对不同高度的作物LAI测试，可较好地满足不同情况的测试要求，适用性良好。(3)本发明可控制五台步进电机同时运转，使U型架自动实现复杂的行走轨迹，与现有的人工测试模式相比，进一步提高了作物的LAI自动测试的速度和准确性，节省了较多的人力和测试时间，测试效率明显提高。

附图说明

图1为本发明装置的组成框图。

图2为本发明装置的组成示意图。

图3为本发明装置中信号处理器的电路原理图。

图4为本发明装置中电机控制电路板的电路原理图。

图5为本发明方法的操作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，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快速自动测定装置包括激光器1、光电传感器2、行走机构4、电机驱动器5、电机控制电路板6、信号处理器7、数据采集卡8和计算机9，其中行走机构4包括U型架3、齿轮组17、三根丝杆导轨14、15、16、五台步进电机10、11、12、13、18；所用的激光器1为近红外激光器，激光器1和光电传感器2安装在U型架的两侧，激光器1与光电传感器2通过激光信号连接，激光器1发射的光与光电传感器2处在同一直线上，由于发射光源不能严格以光束发射，随着距离增大，光束发散现象越明显，故U型架两侧的距离选定范围为20～24cm；行走机构4上的五台步进电机通过电机驱动器5与电机控制电路板6连接；电机控制电路板6通过数据采集卡8与计算机9连接；光电传感器2通过电线与信号处理器7连接；信号处理器7通过数据采集卡8与计算机9连接。

如图2所示，行走机构4中步进电机的直流输出为1.4安培，基本步距角为0.72度；三台步进电机10、11、12和三根丝杆导轨14、15、16分别对应配合连接成组成三维定位机构，可使U形架3在空间X轴、Y轴、Z轴方向任意移动，其中X轴方向表示前、后方向，Y轴方向表示左、右方向，Z轴方向表示上、下方向；第四台步进电机18和U型架3配合连接后安装在Z轴方向的丝杆导轨16上，所述步进电机18控制U型架绕其自身中心轴自由旋转；Z轴方向的丝杆导轨16、与丝杆导轨16配合连接的步进电机12、U型架3、与U型架3配合连接的步进电机18组成旋转机构，步进电机12可以控制U型架3上升、下降；第五台步进电机13通过齿轮组17传动与Z轴方向的丝杆导轨16连接，可控制上述旋转机构绕Z轴自由旋转；齿轮组17传动比为1∶2，模数为1，大小齿轮齿数分别为64、32。

如图3所示，本发明的叶面积指数快速自动测定装置的信号处理器7包括前置信号滤波电路21、一级放大电路22、电源滤波整流电路23、主放大电路24；前置信号滤波电路21包括运算放大芯片U0(op07)、2个电阻R、电阻R0、电阻Rf和2个电容C；一级放大电路22包括运算放大芯片U1(op07)、可变电阻R1和可变电阻R2；电源滤波整流电路23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，用于为信号处理器7提供直流电压；主放大电路24包括放大芯片U2(op07)、可变电阻R3和可变电阻R4；光电传感器与运算放大芯片U0的输入端连接，运算放大芯片U0的输出端与运算放大芯片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。

信号处理器7对信号处理的过程：光电传感器2接收光信号，输出光电流，前置信号滤波电路21滤波光电流，一级放大电路22将滤波后的光电流转变为小信号电压，主放大电路24将小信号电压转变为数据采集卡8所需的信号电压。

近红外激光器的输出光的中心波长为980nm，输出功率为150mw；光电传感器的接受中心波长为980nm；计算机上装有虚拟仪器LabVIEW2010软件及SPSS统计分析软件。

如图4所示，本发明的叶面积指数快速自动测定装置的电机控制电路板6结合电机驱动器5实现对五台步进电机10、11、12、13、18的同时自锁和同时运行，电机控制电路板6的具体电路包括：选择电机电路31、控制电机正反转电路32、脉冲选择输出电路33。

如图5所示，本发明的叶面积指数测定方法包括以下具体内容：本实施例的测试对象为柑橘树，

(1)系统上电和初始化：对该装置中的设备进行通电，将光斑面积、投影面积、光斑总面积、投影总面积初始化为零；

(2)调整U型架上近红外激光器和光电传感器2的位置，使近红外激光器发射的光与光电传感器2处于同一直线上；

(3)设置采样参数：信号类型选定为电压，采样频率为10kHz；

(4)设定行走机构的行走轨迹：LabVIEW2010编程设定行走机构4上U型架3的行走轨迹；

(5)设置步进电机10、11、12、13、18的步数、正反转及转速：通过数据采集卡输出数字信号来控制五台步进电机10、11、12、13、18启动/停止、正转/反转，输出脉冲信号控制五台步进电机10、11、12、13、18的转速，步进电机12将行走机构4上的U型架3固定在Z轴方向的一个测试位置上，由步进电机10控制U型架3在X轴方向以固定频率向前行走10步并测试，由步进电机11控制U型架3在Y轴方向以固定频率行走1步并测试，此后U型架3在X轴方向以固定频率向后行走10步并测试，如此循环，在X轴方向行走100步后，柑橘树在一个方向的测试完毕；

(6)信号采集：根据上述行走机构4上U型架3的行走轨迹得到的若干测试点作为拟合测试点进行测试；信号处理器7将光电传感器2接受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到计算机；经若干次测试后，由计算机上SPSS统计分析软件拟合得到电压值A和重叠叶片层数B之间的关系：A＝5.53exp^-0.78B；

(7)根据拟合测试得到的电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数，计算重叠叶片层数并判断有没有叶片；

若没有，计光电传感器面积为光斑面积，并记录测试点个数，光斑总面积＝测试点个数×光斑面积；

若有，计光电传感器面积为投影面积，并记录相应的重叠叶片层数和测试点个数，投影总面积＝测试点个数×投影面积，总叶面积＝重叠叶片层数×投影总面积，测试面积＝投影总面积+光斑总面积，投影率＝投影总面积/测试面积，重叠率＝投影面积/总叶面积，叶面积指数＝投影率×重叠率；

(8)实时显示保存并选择是否停止；

若是，则结束；

若否，则返回步骤(4)。

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上述实施例的限制，如激光器除近红外激光器外可用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 (9)

1.一种叶面积指数快速自动测定装置，包括激光器(1)、光电传感器(2)、信号处理器(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)，激光器(1)与光电传感器(2)通过激光信号连接；光电传感器(2)通过电线与信号处理器(7)连接，其特征在于：还包括行走机构(4)、电机驱动器(5)、电机控制电路板(6)，所述的行走机构包括五台步进电机(10、11、12、13、18)，五台步进电机(10、11、12、13、18)通过所述电机驱动器(5)与所述电机控制电路板(6)连接；所述电机控制电路板(6)通过数据采集卡(8)与计算机(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：所述行走机构(4)还包括三根丝杆导轨(14、15、16)、齿轮组(17)、U型架(3)，其中三台步进电机(10、11、12)和三根丝杆导轨(14、15、16)分别对应配合连接组成三维定位机构；所述U型架(3)在空间X轴、Y轴、Z轴方向任意移动，其中X轴方向表示前、后方向，Y轴方向表示左、右方向，Z轴方向表示上、下方向；第四台步进电机(18)和U型架(3)配合连接后安装在Z轴方向的丝杆导轨(16)上，所述第四台步进电机(18)控制U型架(3)绕其自身中心轴自由旋转；Z轴方向的丝杆导轨(16)、与Z轴方向的丝杆导轨(16)配合连接的步进电机(12)、U型架(3)、与U型架(3)配合连接的第四台步进电机(18)组成旋转机构，与Z轴方向的丝杆导轨(16)配合连接的步进电机(12)可以控制U型架(3)上升、下降；第五台步进电机(13)通过齿轮组(17)传动与Z轴方向的丝杆导轨(16)连接，控制所述旋转机构绕Z轴自由旋转。

3.根据权利要求2所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：所述三根丝杆导轨(14、15、16)根据测试需要选择合适的长度。

4.根据权利要求2所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：激光器(1)和光电传感器(2)安装在所述U型架(3)两侧，激光器(1)发射的光与光电传感器(2)处在同一直线上，U型架(3)两侧相隔一定的距离。

5.根据权利要求4所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：所述U型架(3)两侧相隔距离范围为20～24cm。

6.根据权利要求1所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：所述的电机控制电路板(6)结合电机驱动器(5)控制五台步进电机(10、11、12、13、18)同时自锁和同时运行。

7.根据权利要求1所述的一种叶面积指数快速自动测定装置，其特征在于：所述激光器(1)为近红外激光器。

8.一种叶面积指数快速自动测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统上电和初始化：对该装置中的设备进行通电，将光斑面积、投影面积、光斑总面积、投影总面积初始化为零；

(2)调整U型架(3)上激光器(1)和光电传感器(2)的位置，使激光器(1)发射的光与光电传感器(2)处于同一直线上；

(3)设置采样参数：信号类型选定为电压，采样频率为10kHz；

(4)设定行走机构(4)上U型架(3)的行走轨迹：LabVIEW2010编程设定行走机构(4)上U型架(3)的行走轨迹；

(5)设置步进电机(10、11、12、13、18)的步数、正反转及转速：通过数据采集卡(8)输出数字信号来控制步进电机(10、11、12、13、18)启动/停止、正转/反转，输出脉冲信号控制步进电机(10、11、12、13、18)转速，通过步进电机(10、11、12、13、18)来控制行走机构(4)上U型架(3)的行走轨迹；

(6)信号采集：根据行走机构(4)上U型架(3)的行走轨迹得到的若干测试点作为拟合测试点进行测试；信号处理器(7)将光电传感器(2)接受到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡(8)采集到计算机(9)；经若干次测试后，由计算机(9)拟合得到电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数；

(7)根据拟合测试得到的电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数，计算重叠叶片层数并判断有没有叶片；

若没有，计光电传感器(2)面积为光斑面积，并记录测试点个数，光斑总面积＝测试点个数×光斑面积；

若有，计光电传感器(2)面积为投影面积，并记录相应的重叠叶片层数和测试点个数，投影总面积＝测试点个数×投影面积，总叶面积＝重叠叶片层数×投影总面积，测试面积＝投影总面积+光斑总面积，投影率＝投影总面积/测试面积，重叠率＝投影面积/总叶面积，叶面积指数＝投影率×重叠率；

(8)实时显示保存并选择是否停止；

若是，则结束；

若否，则返回步骤(4)。

9.根据权利要求8所述的一种叶面积指数快速自动测定方法，其特征在于：步骤(6)所述电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数具体为：幂函数A＝5.53exp^-0.78B。

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