CN103528920B

CN103528920B - 一种叶面积体密度测量装置与方法

Info

Publication number: CN103528920B
Application number: CN201310499198.8A
Authority: CN
Inventors: 高帅; 孙刚; 牛铮; 王力; 黄文江; 邬明权; 黄妮; 占玉林
Original assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: CN103528920A

Abstract

本发明涉及一种叶面积体密度测量装置与方法，包括半导体激光器、扩束器、接收传感器、控制器、电源电路、探杆。该装置具有机动灵活、快速、无损测量的优点，可用来开展针对不同高度植被在指定高度处的叶面积体密度测量实验。

Description

一种叶面积体密度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种叶面积体密度测量装置与方法，属于遥感仪器及农业生态学技术领域。

背景技术

植被对于人类的生存和活动具有十分重要的意义，但是由于植被三维结构的复杂和多样性，对植被结构及其特征参数进行定量评估的研究具有相当的难度。对植被冠层观测数据的获取，与建立数学模型的研究具有同等重要的意义。植被结构是随着植物的种类、生长阶段、分布方式的变化而变化的。在定量遥感中它大致可分为水平均匀植被(连续植被)和离散植被(不连续植被)两种。两者之间并无严格界线。草地、幼林、生长茂盛的农作物等多属前者，而稀疏林地、果园、灌丛等多属后者。植被结构可通过一组特征参数来描述和表达，如叶面积指数LAI(定义为单位地表面积上方植物单叶面积的总和)、叶面积体密度FAVD(定义为某一高度上单位体积内叶面积的总和)、空隙率(或间隙率)、叶倾角分布LAD(分为均匀型、球面型、倾斜型等)。

但目前与遥感数据相配套的地面观测数据的获取仍不尽人意，对植被结构参数的测量，特别是对林木树冠的叶面积指数(LAI)和叶倾角分布(LAD)，这些冠层反射模型中主要反演的参数的测量，测量方法及其实现都还在探索之中。对于水平均匀植被的叶面积指数，传统的测量方法均基于对植株的破坏性测量，即将待测叶片全部剪下逐叶测量叶面积。常用的方法有直接测量法，标准形状法，基于叶面形状模型的公式计算法，基于叶面积和叶重量之间关系的称重法，以及使用光面积计的测量法。在野外进行的间接测量方法有：接触频率法，即用一根细长杆从不同方向插人植被，记录长杆触及叶或茎的高度和次数，用从不同方向插人多次的记录结果计算植被的叶面积指数和全植被指数。近年来使用的LAI2000仪器，则利用植被下不同方向测得的电磁辐射强度与附近空旷处测得值的比值来计算植被的LAI。对于不连续植被，A.R.G.Lang和项月琴等曾在根据太阳直接辐射在冠层内的透过率推算水平均匀冠层的叶面积指数的基础上，将这一方法推广到冠层中有较大空隙的情况。这里所用方法的原理与上述的间接测量方法相似，将太阳光线视作插人冠层的探针，通过测量空隙率推算叶面积指数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种叶面积体密度测量装置与方法，实现传感器对观测对象在指定位置、指定高度叶面积体密度的精确观测，并且该平台具有便携的特点。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种叶面积体密度测量装置与方法，所述一种叶面积体密度测量装置包括：半导体激光器、扩束器、接收传感器、控制器、电源电路、探杆等组成。所述探杆为本系统的仪器主体框架，呈鱼叉结构，以方便插入被测作物冠层内部，其中，平行的两个直杆为叶面积体密度测量装置的光学探测部分，两个直杆的距离为50cm或者100cm，其中一个直杆末端安装一个或者多个半导体激光器，激光器发射的光束垂直指向安装在另外一个直杆末端的接收传感器。其中的半导体激光器发出的波长小于500nm，激光器前端安装一个小角度扩束器，扩大激光光斑，该光斑直径大于接收传感器的光敏感面。接收传感器为面形硅光探测器，探测器上方安装半波宽为10nm带通滤光片，该滤光片的截止通过波长与半导体激光器的波长相对应，仅仅通过以该波长为中心波长的窄带光谱。滤光片的上方为漫散射片，具体为聚四氟乙烯薄片，漫散射器的上方为圆形的限制光阑。上述的光学探测部分可以有多组。所述控制器由微控制器、GPS模块、电子气压计传感器、恒流输出控制器、人机接口、放大电路、数据存储电路组成。微控制器为控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通过该微控制器的IIC接口连接电子气压计传感器BMP085，通过第UART1接口连接GPS模块NEO-6M，通过第1管脚控制恒流输出控制器的通断，以控制半导体激光器是否发光。人机接口包括一个测量按键、一个蜂鸣器、一个显示屏和一个RS232接口。微控制器通过第2管脚连接测量按键，通过第3管脚连接蜂鸣器，通过第4，5，6管脚连接显示屏，该显示屏为自带字库的智能液晶屏LCM122324。微控制器还通过其模拟输入接口A1同时连接放大电路，放大电路连接硅光探测器的电流输出管脚。放大电路采用的运放为OPA2335，运放的输出端OutA连接微控制器的A1管脚，运放的输入管脚-InA和+InB分别连接探测器的两个管脚。微控制器通过SPIO接口连接存储电路，该存储电路的存储芯片为AT45DB161D。微控制器通过其第二串行口连接电平转换芯片SP3223，再连接到RS232接口。所述电源电路由可充电锂离子电池、充放电控制器、充电接口组成。充放电控制器连接锂离子电池、充电接口和其他工作电路。

所述叶面积密度测量仪器的测量方法包括，

1)选择特定高度的测量冠层，将探杆插入冠层内部，然后按下测量按键，叶面积体密度测量装置首先测量没有激光发射时的接收值为背景值，然后自动控制激光发光，测量有激光情况下的传感器数值。

2)每次按键按下，都会同时测量背景值a和有激光情况下的传感器值b，利用(b-a)/A计算透过率，其中A为黑暗环境下激光发射条件下的接收传感器的测量值，并自动保存数据，数据的保存格式为日期+时间+经度+纬度+GPS高度值+电子气压计高度值+透过率。

3)保持水平高度不变的情况下，在冠层内部移动探杆，并进行多次测量。

4)结合高度计给出的高度数值，测量其他高度的冠层。

5)将保存的数据通过RS232接口导入计算机，根据不同的高度值对同层的数据进行平均，得到平均透过率，并利用遥感学中的间隙率模型计算不同层的叶面积体密度。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的一种叶面积体密度测量装置与方法，其包括半导体激光器、扩束器、接收传感器、控制器、电源电路、探杆。该叶面积体密度测量装置可以对作物、树木等不同研究对象的叶面积体密度进行快速无损测量，可以广泛应用在遥感与生态研究中。

附图说明

图1是本发明实施例的一种叶面积体密度测量装置与方法的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的一种叶面积体密度测量装置与方法光学探测部分结构图；

图3是本发明实施例的一种叶面积体密度测量装置与方法的控制器结构示意图；

其中，1：半导体激光器；2：扩束器；3：接收传感器；4：控制器；5：电源电路；6：探杆；7：光阑；8：漫散射片；9：硅光探测器；10：微控制器；11：GPS模块12：电子气压计传感器；13：RS232接口；14：显示屏；15：放大电路；16：存储电路；17：按键；18：蜂鸣器；19：恒流输出控制器；20：带通滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1和图2，为本实施例的一种叶面积体密度测量装置与方法的结构示意图及光学探测部分结构示意图，叶面积体密度测量装置，包括：半导体激光器1、扩束器2、接收传感器3、控制器4、电源电路5、探杆6。所述探杆6为叶面积体密度测量装置主体框架，呈鱼叉结构，以方便插入被测作物冠层内部，其中，平行的两个直杆为叶面积体密度测量装置的光学探测部分，两个直杆的距离为50cm或者100cm，其中一个直杆末端安装一个或者多个半导体激光器1，激光器发射的光束垂直指向安装在另外一个直杆末端的接收传感器3。其中的半导体激光器1发出的波长小于500nm，激光器前端安装一个小角度扩束器2，扩大激光光斑，该光斑直径大于接收传感器3的光敏感面。接收传感器3为面形硅光探测器9，探测器上方安装半波宽为10nm带通滤光片20，该滤光片的截止通过波长与半导体激光器1的波长相对应，仅仅通过以该波长为中心波长的窄带光谱。滤光片的上方为漫散射片8，具体为聚四氟乙烯薄片，漫散射器8的上方为圆形的限制光阑7。上述的光学探测部分可以有多组。

如图3所示，所述控制器由微控制器10、GPS模块11、电子气压计传感器12、恒流输出控制器19、人机接口、放大电路15、数据存储电路16组成。微控制器10为控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通过该微控制器10的IIC接口连接电子气压计传感器BMP085，通过第UART1接口连接GPS模块NEO-6M，通过第1管脚控制恒流输出控制器的通断，以控制半导体激光器1是否发光。人机接口包括一个测量按键17、一个蜂鸣器18、一个显示屏14和一个RS232接口13。微控制器10通过第2管脚连接测量按键，通过第3管脚连接蜂鸣器18，通过第4，5，6管脚连接显示屏14，该显示屏为自带字库的智能液晶屏LCM122324。微控制器10还通过其模拟输入接口A1同时连接放大电路15，放大电路15连接硅光探测器9的电流输出管脚。放大电路15采用的运放为OPA2335，运放的输出端OutA连接微控制器10的A1管脚，运放的输入管脚-InA和+InB分别连接硅光探测器9的两个管脚。微控制器10通过SPIO接口连接存储电路16，该存储电路的存储芯片为AT45DB161D。微控制器10通过其第二串行口连接电平转换芯片SP3223，再连接到RS232接口13。所述电源电路5由可充电锂离子电池、充放电控制器、充电接口组成。充放电控制器连接锂离子电池、充电接口和其他工作电路。

所述叶面积密度测量仪器的测量方法包括，

4)结合高度计给出的高度数值，测量其他高度的冠层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种叶面积体密度测量装置，包括半导体激光器、扩束器、控制器、电源电路，其特征在于该装置还包括接收传感器、探杆；所述探杆为叶面积体密度测量装置主体框架，呈鱼叉结构，平行的两个直杆为叶面积体密度测量装置的光学探测部分，两个直杆的距离为50cm或者100cm，其中一个直杆末端安装一个或者多个半导体激光器，激光器发射的光束垂直指向安装在另外一个直杆末端的接收传感器；所述的半导体激光器发出的波长小于500nm，激光器前端安装一个小角度扩束器，扩大激光光斑，该光斑大于接收传感器的光敏感面；所述接收传感器为面形硅光探测器，探测器上方安装半波宽为10nm带通滤光片，该滤光片的截止通过波长与半导体激光器的波长相对应，仅仅通过以该波长为中心波长的窄带光谱；滤光片的上方为聚四氟乙烯薄片型的漫散射片，漫散射片的上方为圆形的限制光阑；所述控制器由微控制器、GPS模块、电子气压计传感器、恒流输出控制器、人机接口、放大电路、数据存储电路组成；微控制器为控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通过该微控制器的IIC接口连接电子气压计传感器BMP085，通过第UART1接口连接GPS模块NEO-6M，通过第1管脚控制恒流输出控制器的通断，以控制半导体激光器是否发光；人机接口包括测量按键、蜂鸣器、显示屏和RS232接口；微控制器通过第2管脚连接测量按键，通过第3管脚连接蜂鸣器，通过第4，5，6管脚连接显示屏，该显示屏为自带字库的智能液晶屏LCM122324；微控制器还通过其模拟输入接口A1同时连接放大电路，放大电路连接硅光探测器的电流输出管脚；放大电路采用的运放为OPA2335，运放的输出端OutA连接微控制器的A1管脚，运放的输入管脚-InA和+InB分别连接探测器的两个管脚；微控制器通过SPIO接口连接存储电路，该存储电路的存储芯片为AT45DB161D；微控制器通过其第二串行口连接电平转换芯片SP3223，再连接到RS232接口。

2.根据权利要求1所述的一种叶面积体密度测量装置，其特征在于，所述电源电路由可充电锂离子电池、充放电控制器、充电接口组成；充放电控制器连接锂离子电池、充电接口和其他工作电路。

3.根据权利要求1所述的一种叶面积体密度测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括下面的步骤：

S1：选择特定高度的测量冠层，将探杆插入冠层内部，然后按下测量按键，叶面积体密度测量装置首先测量没有激光发射时的接收值为背景值，然后自动控制激光发光，测量有激光情况下的传感器数值；

S2：每次按键按下，都会同时测量背景值a和有激光情况下的传感器值b，利用(b-a)/A计算透过率，其中A为黑暗环境下激光发射条件下的接收传感器的测量值，并自动保存数据，数据的保存格式为日期+时间+经度+纬度+GPS高度值+电子气压计高度值+透过率；

S3：保持水平高度不变的情况下，在冠层内部移动探杆，并进行多次测量；

S4：结合高度计给出的高度数值，测量其他高度的冠层；

S5：将保存的数据通过RS232接口导入计算机，根据不同的高度值对同层的数据进行平均，得到平均透过率，并利用遥感学中的间隙率模型计算不同层的叶面积体密度。