CN104089590A - 一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置 - Google Patents

Abstract

一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接。本发明将传统的农作物冠层结构参数测量原理与基于无线网络的数据采集与数据传输技术相结合，完成了一种结构参数自动测量系统，它能够实现长时间序列、大空间范围的植被叶面积指数以及冠层平均叶倾角的连续自动测量，在农业与生态学技术领域里具有广阔地应用前景。

Description

一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它是一种基于冠层阴影成像法获取植被结构参数的无线传感器网络设备，与植被冠层结构参数的数据采集与传输有关，属于农业与生态学技术领域。

技术背景

陆表植被通过截获太阳辐射获得光能进行光合作用，而植被冠层结构参数，如叶面积指数(LAI)与平均叶倾角(θ_L)是影响太阳辐射在冠层内进行重新分配的重要因素。因此，获取植被结构参数信息是研究植被生长发育状态及其蓄积生物量的一个重要途径。

冠层结构参数的获取方法有直接量测法和间接量测法，其中直接法包括破坏性测量法和手工原位量测法以及落叶法。间接测量大多基于光学原理，通过获取植被冠层截获的光能量的多少来推断冠层结构参数。而目前常用的植被冠层分析仪，即是属于一种间接测量方法，它们是通过测量植被冠层内的方向间隙率，根据间隙率与叶面积指数和叶倾角分布的关系来估计这些结构参数。目前能够对植被结构参数间接测量的冠层分析仪器有两种类型，一种是通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层透过率，一种是利用成像技术来获取视场内的植被与背景信息，通过分类的方法统计各自的象素数来计算冠层内的方向间隙率。专利CN101788283A."叶面积指数的测定方法"实现了利用LAI-2000测量有效LAI值转换为真实LAI的方法，但并没有实现新的测量装置与系统；专利CN102023133A."水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统"发明了一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，但是，不具备基于所采集图像进一步进行冠层分析的功能。专利CN102538717A."叶面积指数自动观测系统及其方法"及专利CN102778212A."一种利用数码相机获取水稻冠层叶面积指数的方法及装置"的发明内容与本发明专利较为接近，但是，这些专利大都是利用的单一太阳天顶角的拍摄图像。利用单一角度图像仅能提取一个角度下的冠层间隙率，无法同时估算冠层结构的两个主要参数，即叶面积指数与平均叶倾角。虽然其中专利CN101916438A."半球摄影法获取水稻冠层叶面积指数和平均叶倾角的方法"利用半球摄影法能够同时获取这两个结构参数，但是，半球摄影的方法一方面增加了摄影传感器的成本，另一方面，由于半球投影成像的方式会造成成像区域边缘部分的变形，也会带来一定的数据处理困难。专利CN101413875."一种树木冠层分析仪的数据采集装置"及专利CN101839732A."一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置"实现了利用布置在冠层下部光传感器获取多角度太阳光斑密度的装置，但是，这些装置比较适合在冠层较为均匀的情况下，对于非连续冠层，由于植被遮挡太阳入射能量的能力较弱，会造成冠层下仪器无法探测到光斑的变化，因此，这些专利的发明内容在测量离散植被的冠层结构参数时会带来较大误差。

综上所述，当前获取植被冠层多角度间隙率的方式大多是利用半球成像的方法，通过对采集到的数字图像进行同心圆分割来获取不同观测天顶角下的冠层间隙率。由于半球成像镜头成本要远远高于普通镜头，因而，用这种方法制造出的仪器，由于成本限制，很难实现在大范围内同时布设很多测量节点，测量成本的降低途径之一就是利用普通的低成本镜头来代替半球成像镜头。如果利用当前传统测量仪器面向大区域、长时间序列植被结构参数获取应用的时候，仍然是通过设计一定的采样方案，选择合适的采样时间，依靠人工到野外进行逐点测量。靠人工采样获取植被结构参数的方法从根本上制约了这类仪器难以在大的空间尺度上进行长时间序列的连续观测。

本发明针对不均匀植被(封垄之前的玉米和小麦，稀疏草地等)难以获取冠层结构参数的问题，实现了利用太阳在一天内的入射角度变化，通过拍摄不同入射条件下的冠层照片，区分照片中冠层阴影与光照面积，提取多角度冠层阴影比，由于利用多角度观测数据，可以达到同时计算冠层结构参数(即平均叶倾角与冠层叶面积指数)的目的。与已有公开专利相比较，本发明不再需要用户提供额外的冠层叶倾角作为模型输入参数，能够做到冠层结构参数的自动估算。由于利用的是普通低成本的数字成像传感器，具有数据容易处理且成本较低的优点。本发明利用无线网络方式进行数据采集与传输，使本发明的系统能够自动、长时间运行，提高了野外数据获取的效率.

发明内容

(1)发明目的

针对上述问题，本发明的目的有两个，一是针对非均匀植被冠层结构参数测量的困难，设计一种利用太阳的运动获取多角度冠层阴影比测量系统；二是利用无线网络实现对测量系统的远程控制与数据传输，从而提高测量效率，降低测量成本。

本发明将传统的农作物冠层结构参数测量原理与基于无线网络的数据采集与数据传输技术相结合，完成了一种结构参数自动测量系统，能够实现长时间序列、大空间范围的植被叶面积指数以及冠层平均叶倾角的连续自动测量。

(2)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它实现了一种适合非连续冠层的植被冠层结构参数自动测量系统。

本发明是一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，它们之间的连接关系如图1所示。低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接。

所述低成本数字成像子系统，包括数字摄像模块，数据采集与控制模块，存储模块和ZigBee无线模块。它们之间的连接关系是，数据采集与控制模块通过Camera接口连接数字摄像模块进而执行采集图像命令；miniSD卡通过SPI接口与数据采集与控制模连接用于存储压缩后的图像数据；数据采集与控制模块通过USART及GPIO与无线模块ZF-1022连接，然后通过无线传输图像数据。低成本数字成像子系统的各模块连接关系与数据流程如图2所示。该数字摄像模块是500万像素摄像模块OV5640，该数据采集与控制模块是以Cortex^TM-M4为内核的高性能处理器STM32F407ZGT6，该存储模块为mini SD卡，该ZigBee无线模块是ZF-1022。

所述数据汇聚子系统，包括ZigBee无线模块，数据接收与控制模块，GPRS远程通讯模块及存储模块。它们之间的连接关系是,ZigBee无线模块通过无线网络路由协议与数据接收与控制模块进行通讯，数据接收与控制模块通过GPRS远程通讯模块及存储模块与服务器进行通讯。该ZigBee无线模块，存储模块与低成本数字成像子系统中所设计的ZigBee无线模块与存储模块相同，该数据接收与控制模块是Cortex^TM-M3为内核的高性能处理器STM32F103RBT6组成，GPRS远程通讯模块由数据传输子模块以及GPRS通讯子模块组成。数据汇聚子系统的各模块连接关系与数据流程如图3所示。

所述数据接收与处理服务器子系统是由网络数据库服务器以及应用软件两部分组成，其中，该网络数据库服务器为一具有固定IP地址的联网计算机，应用软件部分包括数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块。它们之间的关系是：该数据接收模块通过Internet网络的http协议接收GPRS通讯子模块传输来的数据，该数据处理模块负责将接收到的影像进行处理得到冠层结构参数，它包括图像分类子模块、阴影比计算子模块、结构参数估算子模块，该数据存储模块负责将计算结果存储到网络服务器的存储系统。以上应用软件系统运行于网络数据库服务器之上，它们之间通过数据存储接口进行数据通讯。所述数据处理与接收服务器子系统的数据流程如图4所示。

优点及功效：

本发明一种用于植被冠层结构参数自动测量装置，其优点是：

1利用太阳的运行轨迹，自动获取植被冠层多角度间隙率，减少了数据处理的复杂度。

2利用低成本窄视场普通数字摄像模块获取植被结构参数，降低了野外实验成本。

3自动获取同时测量冠层叶面积指数与平均叶倾角，减少了实验人员对冠层分布类型的假设，提高了设备的易用性。

附图说明

图1非连续植被冠层结构参数自动测量系统组成与连接关系图

图2低成本数字成像子系统的模块连接关系与数据流程图

图3数据汇聚子系统的模块连接关系与数据流程图

图4数据处理与接收服务器子系统的数据流程图

图5系统野外部署图

图中符号说明如下：

1-天线，2-摄像头，3-太阳能电池，4-汇聚箱

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明内容进一步详细说明。

见图1—图4，本发明是一种用于获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它是由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，它们之间的连接关系如图1所示。低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接。

本发明为一种用于测量植被冠层结构参数的自动装置，其具体野外实施部署方式如图5所示，它由天线1，摄像头2，太阳能电池3和汇聚箱4构成。如图5所示，在野外部署的时候，选择一块植被条件相对稀疏的试验区，例如，起身之后到封垄之前的冬小麦，出苗以后到抽雄之前的玉米作物生长区。这样，在实验区部署多个低成本数字成像子系统，我们称之为测量节点，在研究区周边距离测量节点200-500米范围之内，部署一个数据汇聚子系统，我们称之为汇聚节点，汇聚节点与一到多个测量节点之间通过ZigBee网络进行通讯。汇聚节点将收集到的测量图片，通过GPRS模块传输到远程数据库服务器。

在具体实施的时候，每个低成本数字成像子系统配备一个太阳能供电系统，该供电系统包括一个10W的太阳能板，一个12V输出电压的蓄电池以及一个太阳能控制器模块。低成本数字成像子系统的成像模式设置为自动调焦，自动曝光模式，镜头最低处距离植被最高处的距离为1.0-1.5米之间，镜头垂直向下观测，为了防水防尘，成像模块被封装在一个具备IP65防水等级的密封外壳内，镜头处用水晶玻璃密封。低成本数字成像子系统的信号传输通过一个标准的2.4G频率天线传输到汇聚节点。

一个数据汇聚子系统被封装在一个具有IP65防水等级的密封箱内，通过与低成本数字成像子系统相同配置的太阳能供电系统供电。同样，也通过一个标准的2.4G频率天线接收测量节点传输过来的图像。

在数据接收与处理服务器端，用户可以给汇聚节点发布控制命令，设置照相系统的拍照间隔以及照片分辨率等参数。根据一天之内从早上到晚上太阳天顶角变化情况，一般可以设置15-30分钟的采样频率，采样时间可以从早上10:00到下午16：00，这样一天之内获得的是一个时间序列的图片系列。一旦接收到汇聚节点传输来的照片，服务器启动数据处理程序。

数据处理程序对接收到的一天内多个照片，根据拍摄时间信息，进行图片顺序处理流程。数据处理方法如下：

(1)颜色空间变化：将原始图像的RGB空间转换为HSV空间。

(2)自动阈值提取：采用大津法(Ostu)计算图像阈值。

(3)光照土壤分类：采用计算的阈值，将图像二值化，低于阈值的像素归为是树冠阴影。

(4)冠层阴影比计算：按照公式(1)计算冠层阴影比：

S＝P_s/P            (1)

其中P_s为阴影部分像素个数，P为图像总像素个数。

(5)构建多角度数据集

对每个时间i上的图像都可以提取一个阴影比S_i，则在一天之内，将会获取多个间隙率数据，S₁，S₂，S₃,……,S_i(i＝1:N,N为图像个数)。根据系统部署地点的经纬度以及成像时间，可以得到每幅照片成像时候的太阳高度角，H₁，H₂，H₃,……,H_i(i＝1:N,N为相片个数)。这样形成一个观测数据集，D＝(H_i，S_i)。

(6)植被结构参数计算

按照阴影比公式

S＝k(θ,h)*(1-exp(-LAI))          (2)

按照如下公式求解冠层结构参数，

L_i＝(K^TK+λH)K^TS          (3)

公式(3)中，L_i是在将叶倾角分成若干等份区间i上的叶面积指数。

K为冠层的投影函数，是一个与太阳高度角与叶倾角有关的一个三角函数，如下所示：

$K=\left\{\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& \mathrm{\&theta;}\&le;h\\ \cos \mathrm{\&theta;}[1+2(\tan {\mathrm{\&theta;}}_0-{\mathrm{\&theta;}}_0)/\mathrm{\&pi;}]& h<\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式(4)中，θ,h分别是叶倾角与太阳高度角，θ₀＝acos(tanhcotθ)。

公式(3)中的H是一个方阵，方阵的行列数等于叶倾角的分割区间，其主对角线上除左上角和右下角为1外，其余为2，与主对角线相邻的元素均为-1，方阵中其它元素均为0。λ是一个保持公式(3)求解稳定的一个扰动项，一般取0-1之间的一个小数即可，例如在本应用实例中，取λ＝0.2即可得到稳定的解。

进一步地，可以得到叶面积指数计算如下：

LAI＝∑L_i              (5)

叶倾角分布函数计算如下：

${\hat{g}}_i=\frac{L_i}{\mathrm{LAI}}---\left(6\right)$

在本实施方案中，我们将叶倾角分布在范围内离散化9个区间(i＝[1,9])，则有

$\mathrm{LAI}=\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}L\left(i\right)---\left(7\right)$

这样，利用一天之内采集到的多幅照片提取到的冠层阴影比就可以同时计算冠层的LAI与叶倾角分布函数并可以进一步求得平均叶倾角如下：

${\mathrm{\&theta;}}_L=\mathrm{\&Sigma;}{\hat{g}}_i{\mathrm{\&theta;}}_i---\left(8\right)$

其中，θ_i＝[5°,15°,25°,35°,45°,55°,65°,75°,85°]/180°*3.14159    (9)

计算实例

在北京师范大学生物园试验场，部署了一套本发明设备，设备设置信息以及处理信息如表所示。根据计算结果表明，本发明内容数据接收情况比较稳定，数据处理自动化程度高，计算结果可靠，平均绝对误差仅有0.08，能够适用于野外环境下的植被结构参数自动测量。

Claims (1)

1.一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，其特征在于：它由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接；

所述低成本数字成像子系统，包括数字摄像模块，数据采集与控制模块，存储模块和ZigBee无线模块；数据采集与控制模块通过Camera接口连接数字摄像模块进而执行采集图像命令；miniSD卡通过SPI接口与数据采集与控制模连接用于存储压缩后的图像数据；数据采集与控制模块通过USART及GPIO与ZigBee无线模块连接，然后通过无线传输图像数据；

所述数据汇聚子系统，包括ZigBee无线模块，数据接收与控制模块，GPRS远程通讯模块及存储模块；ZigBee无线模块通过无线网络路由协议与数据接收与控制模块进行通讯，数据接收与控制模块通过GPRS远程通讯模块及存储模块与服务器进行通讯；该ZigBee无线模块，存储模块与低成本数字成像子系统中所设计的ZigBee无线模块与存储模块相同，该数据接收与控制模块是Cortex^TM-M3为内核的高性能处理器STM32F103RBT6组成，GPRS远程通讯模块由数据传输子模块以及GPRS通讯子模块组成；

所述数据接收与处理服务器子系统是由网络数据库服务器以及应用软件两部分组成，其中，该网络数据库服务器为一具有固定IP地址的联网计算机，应用软件部分包括数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块；该数据接收模块通过Internet网络的http协议接收GPRS通讯子模块传输来的数据，该数据处理模块负责将接收到的影像进行处理得到冠层结构参数，它包括图像分类子模块、阴影比计算子模块、结构参数估算子模块；该数据存储模块负责将计算结果存储到网络服务器的存储系统，以上应用软件系统运行于网络数据库服务器之上，它们之间通过数据存储接口进行数据通讯。