CN104180779B - 一种冠层孔隙测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及作物孔隙测量方法，具体涉及一种冠层孔隙测量方法及其装置，包括如下步骤：激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出高电平或低电平信息，否则激光接收电路输出低电平或高电平信息；激光接收电路输出的高、低电平信息传输至数据处理单元，数据处理单元对高、低电平信息进行处理与计算后获得作物冠层孔隙大小。本发明的冠层孔隙测量方法及其装置，在测量时，无需均一的光环境，电源由本发明的测量装置提供，根据激光接收电路输出的高电平数和低电平数即可确定作物冠层孔隙大小，测量原理简单，制作成本低，对天气条件要求不高。

Description

一种冠层孔隙测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及作物孔隙测量方法，具体涉及一种冠层孔隙测量方法及其装置。

背景技术

冠层是作物与外界环境发生相互作用的主要场所，作物的许多光合、呼吸、蒸腾和降水截获等生化物理过程都发生在冠层，冠层的结构参数是对作物长势监测、产量估计的重要指标。而作物冠层孔隙大小是描述冠层结构和作物空间分布的关键变量。

获取与分析作物冠层孔隙大小的方法很多，主要分为直接测量与间接测量两大类。直接测量以手工为主，原理简单，精度较高，但是耗时费力，且测量时大多会对作物产生破坏，不适用于快速实时获取作物长势信息，不适用于长期动态监测。目前间接测量多借助于辐射测量的方法和基于图像测量的方法。前者通过辐射传感器（光敏传感器）获取太阳辐射透过大小来表征作物冠层孔隙大小，例如，LAI-2000、AccuPAR、Sunscan、Sunfleckceptometer、Demon和TRAC等仪器都是基于辐射测量的方法。这种方法测量简便快速，但容易受天气影响，需要在晴天下工作。基于图像测量的方法多应用鱼眼镜头与CCD相机获取冠层图像，对图像处理与分析后计算出冠层孔隙大小等结构参数，例如，CI-100、WINSCANOPY、HemiView、HCP等仪器都是基于图像测量的方法。特别是一些已经公开的专利中，申请号：201010231726.8、201110228089.3、201210272555.2的中国专利申请，都是基于图像测量的方法进行水稻冠层叶面积指数等结构参数的测量；申请号：201310247982.X的中国专利申请也是基于图像测量的方法进行玉米冠层孔隙度的测量。这种测量方法测量精度较高，但测量时需要均一的光环境，要避免直射的阳光与光线不均匀的天气条件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种测量时对光环境要求较低、且测量原理简单的冠层孔隙测量方法及其装置。

由于冠层孔隙测量方法及其装置两者具有相同的特定技术特征：采用若干激光发射管、激光接收管和一个数据处理单元，通过检定激光接收电路输出高电平数和低电平数的比例，获得冠层孔隙大小的测量方法，该技术特征是对现有技术作出创造性改进的特征，具有突出的实质性特点和显著的进步，因此两者属于一个总的发明构思，具有单一性，可以作为一项专利申请提出。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种冠层孔隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出高电平信息，否则激光接收电路输出低电平信息；

或者激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出低电平信息，否则激光接收电路输出高电平信息；

b．激光接收电路输出的高电平或低电平信息传输至数据处理单元，数据处理单元对高电平或低电平信息进行处理与计算后获得作物冠层孔隙大小；

c．计算得到的作物冠层孔隙数据存储在数据处理单元中，并通过数据显示单元显示。

前述的一种冠层孔隙测量方法，所述的激光发射电路中，每一个激光发射管D与一只电阻R串联，然后并联，并联数与激光发射管数相同；并联后电路由数据处理器中电源供电。

前述的一种冠层孔隙测量方法，在所述的激光接收电路中，每一个激光接收管Q设有三条管脚或二条管脚；

对于三条管脚的激光接收管，其管脚分别是电源正极、电极负极与信号输出端，信号输出端通过一个电阻与电源正极相连，电源正极与电源负极之间通过一个电容C进行隔离，从每个激光接收管的信号输出端将信号输出至数据处理单元；

对于二条管脚的激光接收管，一条管脚通过一个电阻与电源正源相连，并从该管脚处引出信号输出至数据处理单元，另一条管脚接电源负极；或者一条管脚通过一个电阻与电源负极相连，并从该管脚处引出信号至数据处理单元，另一条管脚接电源正极。

前述的一种冠层孔隙测量方法，所述的激光发射电路与激光接收电路均通过数据处理器的工作电源供电。

前述的一种冠层孔隙测量方法，数据处理单元由单片机组成，每个激光接收管的输出信号端与单片机I/O端口相连；当某个激光接收管接收到激光发射端的光源时，则该激光接收电路通过激光接收管信号端输出高电平或低电平；当某个激光接收管因遮挡没有接收到光源时，则该激光接收电路通过激光接收管信号端输出低电平或高电平，其中激光接收管接收到激光和未接收到激光时，激光接收电路输出的电平信息不同；单片机读取相应端口信息，获得高电平或低电平的端口数。

激光接收管接收到激光和未接收到激光时，激光接收电路输出的电平信息不同，分为两种情况：

I激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出高电平信息，否则激光接收电路输出低电平信息；

II激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出低电平信息，否则激光接收电路输出高电平信息。

一种冠层孔隙测量装置，包括激光发射端、激光接收端和数据处理器，其特征在于：

激光发射端包含若干独立且等间距的激光发射管，激光接收端包含若干独立且等间距的激光接收管，且激光发射端中的激光发射管与激光接收端中的激光接收管一一对应；

数据处理器包括激光发射电路、激光接收电路、数据处理单元和数据显示单元；

激光发射管通过激光发射电路发射激光，激光接收管接收到激光发射管发出的激光时，激光接收电路输出高电平信息，否则激光接收电路输出低电平信息；或者激光接收管接收到激光发射管发出的激光时，激光接收电路输出低电平信息，否则激光接收电路输出高电平信息；激光接收电路的输出的高电平信息或低电平信息传输至数据处理单元。

前述的一种冠层孔隙测量装置，所述的激光发射电路中，每一个激光发射管D与一只电阻R串联，然后并联，并联数与激光发射管数相同；并联后电路由数据处理器中电源供电。

前述的一种冠层孔隙测量装置，在所述的激光接收电路中，每一个激光接收管Q设有三条管脚或二条管脚；

对于三条管脚的激光接收管，其管脚分别是电源正极、电极负极与信号输出端，信号输出端通过一个电阻与电源正极相连，电源正极与电源负极之间通过一个电容C进行隔离，从每个激光接收管的信号输出端将信号输出至数据处理单元；

对于二条管脚的激光接收管，一条管脚通过一个电阻与电源正源相连，并从该管脚处引出信号输出至数据处理单元，另一条管脚接电源负极；或者一条管脚通过一个电阻与电源负极相连，并从该管脚处引出信号至数据处理单元，另一条管脚接电源正极。

前述的一种冠层孔隙测量装置，激光发射管行内距不超过1cm，激光发射端或激光接收端长度不超过1m。

前述的一种冠层孔隙测量装置，所述的激光发射管与激光接收管分别设有至少1行。

本发明的冠层孔隙测量方法及其装置，在测量时，无需均一的光环境，电源由本发明的测量装置提供，根据激光接收电路输出的高电平数和低电平数即可确定作物冠层孔隙大小，测量原理简单，制作成本低，对天气条件要求不高。

附图说明

图1为本发明的测量装置的原理图；

图2为本发明的激光发射电路的结构图；

图3为本发明的激光接收电路的结构图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出一种作物冠层孔隙大小测量方法，其测量原理如图1。

图1中包含了激光发射端、激光接收端及数据处理器等主要部分。激光发射端包含了多个独立且等间距的激光发射管，激光接收端包含了多个独立且等间距的激光接收管，且激光发射端中的激光发射管与激光接收端中的激光接收管是一一对应的，即一个激光发射管发出的激光正好由一个激光接收管接收。

数据处理器主要由激光发射电路、激光接收电路、数据处理单元、数据显示单元等组成。数据处理器还包含工作电源。激光发射电路通过电线给每个激光发射管提供工作电源，激光发射管发出激光。激光接收管接收到激光时激光接收电路输出高电平或低电平信息，否则激光接收电路输出低电平或高电平信息。激光接收电路输出的高、低电平信息经电线传输至数据处理单元，数据处理单元对高、低电平信息进行处理与计算后获得作物冠层孔隙大小。该数据存储在数据处理单元中，并通过数据显示单元显示。

当激光发射端与激光接收端之间无作物冠层时，通电后激光发射端所有激光发射管发出激光，激光接收端所有激光接收管无遮挡地接收到激光，激光接收电路全部输出高电平或低电平信息。当激光发射端与激光接收端之间有作物冠层时，通电后激光发射端所有激光发射管发出激光，而激光接收端只有未受作物冠层遮挡的激光接收管接收到激光，激光接收电路部分输出高电平或低电平信息。作物冠层孔隙越大，则接收到激光而输出高电平或低电平信息数就越多，反之，则输出低电平或高电平的信息数就越少。因此，根据激光接收端激光接收管的高、低电平信息数确定作物冠层孔隙大小。

激光发射电路如图2所示，每一个发射管D与一只电阻R串联，然后并联接上电源。并联数与发射管数相同，VCC为电源正极。

激光接收电路如图3所示，每一个接收管Q有三条管脚，分别是电源正极、电极负极与信号输出端。在每一个接收电路中，信号输出端通过一个电阻与电源正极相连，电源正极与负极之间通过一个电容C进行隔离，并从每个接收管的信号输出端将信号输出。每个接收管的输出信号送至数据处理单元。发射电路与接收电路都通过数据处理单元的工作电源供电。此外，接收管Q可以设有两条管脚，一条管脚通过一个电阻与电源正源相连，并从该管脚处引出信号输出至数据处理单元，另一条管脚接电源负极。或者接收管Q的一条管脚通过一个电阻与电源负极相连，并从该管脚处引出信号至数据处理单元，另一条管脚接电源正极。

激光发射端与激光接收端间距离与激光发射管的发射功率有关，最远可达几米，满足一般农作物或树木冠层孔隙等结构参数测量的需要。激光发射管行内距不超过1cm，激光发射端或激光接收端长度不超过1m。激光发射管可以是红外等多种类型的；也可用一般发光二极管与光敏管组成测量对。激光发射管与接收管的行数可以不止1行。

数据处理单元主要由单片机系统组成，每个激光接收管的输出信号端与单片机I/O端口相连。当某个激光接收管接收到发射端的光源时，则该接收电路输出低电平信息。当某个接收管因遮挡没有接收到光源时，则该接收电路输出高电平信息。单片机读取相应端口信号，获得高电平或低电平的端口数。

假设激光发射与接收管对数为n，单片机获得的高电平端口数与低电平端口数分别为n1与n2，则

n=n1+n2

根据n2/n的值，单片机判断作物冠层孔隙大小或孔隙率，孔隙率越大，孔隙大小越大。

如果n2/n＝1，表示所有接收管都导通，作物冠层孔隙最大，孔隙率为100%；

如果n2/n＝0.7，表示有70%的接收管导通，作物冠层孔隙较大，孔隙率为70%；

如果n2/n＝0.3，表示有30%的接收管导通，作物冠层孔隙较小，孔隙率为30%；

如果n2/n＝0，表示所有接收管都截止，作物冠层无孔隙，孔隙率为0。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种冠层孔隙测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出高电平信息，否则激光接收电路输出低电平信息；或者激光发射电路控制激光发射管发出激光，激光接收管接收到激光时激光接收电路输出低电平信息，否则激光接收电路输出高电平信息；

所述的激光发射电路中，每一个激光发射管D与一只电阻R串联，然后并联，并联数与激光发射管数相同；并联后电路由数据处理器中电源供电；

b.激光接收电路输出的高电平或低电平信息传输至数据处理单元，数据处理单元对高电平或低电平信息进行处理与计算后获得作物冠层孔隙大小；

激光发射管与接收管的行数不止1行；

激光发射管行内距不超过1cm，激光发射端或激光接收端长度不超过1m；

在所述的激光接收电路中，每一个激光接收管Q设有三条管脚或二条管脚；

对于三条管脚的激光接收管，其管脚分别是电源正极、电极负极与信号输出端，信号输出端通过一个电阻与电源正极相连，电源正极与电源负极之间通过一个电容C进行隔离，从每个激光接收管的信号输出端将信号输出至数据处理单元；

对于二条管脚的激光接收管，一条管脚通过一个电阻与电源正源相连，并从该管脚处引出信号输出至数据处理单元，另一条管脚接电源负极；或者一条管脚通过一个电阻与电源负极相连，并从该管脚处引出信号至数据处理单元，另一条管脚接电源正极；

c.计算得到的作物冠层孔隙数据存储在数据处理单元中，并通过数据显示单元显示；

其中，激光发射端包含若干独立且等间距的激光发射管，激光接收端包含若干独立且等间距的激光接收管，且激光发射端中的激光发射管与激光接收端中的激光接收管一一对应；激光发射管与激光接收管对数为n，单片机获得的高电平端口数与低电平端口数分别为n1与n2，则n＝n1+n2根据n2/n的值，单片机判断作物冠层孔隙大小或孔隙率，孔隙率越大，孔隙大小越大。

2.根据权利要求1所述的一种冠层孔隙测量方法，其特征在于：所述的激光发射电路与激光接收电路均通过数据处理器的工作电源供电。

3.根据权利要求1所述的一种冠层孔隙测量方法，其特征在于：数据处理单元由单片机组成，每个激光接收管的输出信号端与单片机I/O端口相连；当某个激光接收管接收到激光发射端的光源时，则该激光接收电路通过激光接收管信号端输出高电平或低电平；当某个激光接收管因遮挡没有接收到光源时，则该激光接收电路通过激光接收管信号端输出低电平或高电平，其中激光接收管接收到激光和未接收到激光时，激光接收电路输出的电平信息不同；单片机读取相应端口信息，获得高电平或低电平的端口数。

4.一种冠层孔隙测量装置，包括激光发射端、激光接收端和数据处理器，其特征在于：

激光发射端包含若干独立且等间距的激光发射管，激光接收端包含若干独立且等间距的激光接收管，且激光发射端中的激光发射管与激光接收端中的激光接收管一一对应；

数据处理器包括激光发射电路、激光接收电路、数据处理单元和数据显示单元；

所述的激光发射电路中，每一个激光发射管D与一只电阻R串联，然后并联，并联数与激光发射管数相同；并联后电路由数据处理器中电源供电；

激光发射管通过激光发射电路发射激光，激光接收管接收到激光发射管发出的激光时，激光接收电路输出高电平信息，否则激光接收电路输出低电平信息；或者激光接收管接收到激光发射管发出的激光时，激光接收电路输出低电平信息，否则激光接收电路输出高电平信息；激光接收电路的输出的高电平信息或低电平信息传输至数据处理单元；

其中，在所述的激光接收电路中，每一个激光接收管Q设有三条管脚或二条管脚；

对于三条管脚的激光接收管，其管脚分别是电源正极、电极负极与信号输出端，信号输出端通过一个电阻与电源正极相连，电源正极与电源负极之间通过一个电容C进行隔离，从每个激光接收管的信号输出端将信号输出至数据处理单元；

对于二条管脚的激光接收管，一条管脚通过一个电阻与电源正源相连，并从该管脚处引出信号输出至数据处理单元，另一条管脚接电源负极；或者一条管脚通过一个电阻与电源负极相连，并从该管脚处引出信号至数据处理单元，另一条管脚接电源正极；

激光发射管行内距不超过1cm，激光发射端或激光接收端长度不超过1m；

所述的激光发射管与激光接收管分别设有至少1行。