CN104359428B - 一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪及测量方法，它涉及一种叶面积测量仪器及其测量方法。本发明为了解决现有的叶面积测量方法无法有效获得长时间序列数据的问题。本发明的垂直旋转舵机安装在水平旋转舵机的转盘上并随水平旋转舵机水平转动，数字光强传感器安装在垂直旋转舵机上，时控部分包括时控开关，单片机的输出端口分别连接水平旋转舵机、垂直旋转舵机、SD卡和显示屏，数字光强传感器的输出端通过串行线接连接单片机的SDA接口，时钟模块的输出端通过串行线与单片机的SCL接口建立连接，供电部分的输出端通过时控开关与测量部分的单片机建立连接。本发明结构简单、设计合理、适合长时间序列野外深林叶面积指数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶面积测量仪器及其测量方法，具体涉及一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器及测量方法，属于森林生态监测技术领域。
背景技术
叶面积指数(leaf area index,LAI)是单位地表面积上总的叶子表面积的一半，是森林冠层重要的结构参数之一。准确获取叶面积指数是近些年来的研究热点。叶片是植物重要的营养器官，大部分光合作用在叶片完成，同时蒸腾作用也是通过叶片的气孔来实现的，是植物与外界进行物质、能量交换的主要器官，因此，叶面积指数是衡量植物的固碳能力和蒸腾作用的重要参数。叶面积指数已经被认为是描述森林健康、研究植被与外界的能量循环、物质循环的重要指标。
长期观测森林叶面积指数，在精度检验后作为森林碳循环及水循环日步长过程模型的输入参数，可以提高森林碳水循环的模拟精度。同时也可以作为用遥感影像进行森林类型识别的特征。
叶面积指数获取分为样地尺度和区域尺度。样地尺度叶面积指数获取就是指LAI的实地测量，样地尺度LAI测量分为直接测量法和间接测量法。区域尺度LAI获取一般是指遥感估算或反演叶面积指数，在样地LAI测量数据的支持下，通过建立遥感数据与叶面积指数的统计模型或机理模型，计算遥感影像区域的叶面积指数，得到的结果可作为区域或全球变化研究的重要基础数据。在建立LAI的遥感估算或反演模型时需要LAI的样地数据，同时还必须用LAI的样地测量数据对模型进行独立性检验，所以LAI样地测量是遥感反演的基础工作。目前，LAI样地测量法主要分为具有破坏性的直接测量法和基于光学模型的间接测量法，直接测量法包括择伐标准木、抽取标准枝和标准叶的真实测量法和探针接触法等，由于直接测量法破坏植被耗时、耗力而且无法获得时间序列数据，现很少被研究者所应用；间接测量法是使用LAI-2000系列、TRAC、Sunscan等光学仪器在林下进行测量，但这些仪器都是人工操作时瞬时对LAI进行记录，不具备自动的连续观测能力，要获取林分时间序列数据需要研究人员长期在野外实地测量，很难获得不同林分类型的叶面积指数生长数据，而且在长期重复测量中，测量位置、角度复位等会造成较大人为误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的叶面积直接测量方法和间接测量方法无法有效获得长时间序列数据的问题。
本发明的技术方案是：一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器，包括防水壳体，所述防水壳体内包括测量部分、供电部分和时控部分，所述测量部分包括单片机、水平旋转舵机、数字光强传感器、垂直旋转舵机、时钟模块、SD卡和显示屏，所述垂直旋转舵机安装在水平旋转舵机的转盘上并随水平旋转舵机水平转动，所述数字光强传感器安装在垂直旋转舵机上，并随垂直旋转舵机转动，所述时控部分包括时控开关，所述单片机的输出端口分别连接水平旋转舵机、垂直旋转舵机、SD卡和显示屏，所述数字光强传感器的输出端通过串行线接连接单片机的SDA接口，时钟模块的输出端通过串行线与单片机的SCL接口建立连接，所述供电部分的输出端通过时控开关与测量部分的单片机建立连接。
所述供电部分包括太阳能板、太阳能充电控制器和蓄电池，所述太阳能板置于防水壳体的外部，太阳能充电控制器和蓄电池置于防水壳体内部，太阳能板的电能输出端通过太阳能插口连接太阳能控制器的输入端，太阳能充电控制器的输出端与蓄电池的输入端建立连接，蓄电池的输出端为供电部分输出端，满足仪器长期野外观测耗电。
所述供电部分的输出端串联有降压模块和保险管，保证仪器在安全电压范围内工作，以免因电压过大烧坏元件，延误测量。
所述防水壳体内设有数字温湿度传感器，所述数字温湿度传感器的数据输出端通过数据线与单片机建立连接。
所述防水壳体内层为防水材料层，防水壳体上端设有高透度半球防水罩，防水壳体的下端设有数字温湿度传感器防水罩，防水壳体的侧壁上设有防水散热罩和通风风扇，所述高透度半球防水罩位于数字光强传感器的正上方，数字温湿度传感器防水罩置于数字温湿度传感器的下端，所述温湿度传感器防水罩下端敞口，上端与防水壳体连通，所述防水散热罩一端敞口，另一端与防水壳体连通，所述通风风扇嵌设在防水壳体的侧壁内，可降低仪器内部和外部温差，减少露水形成，保证在林区环境设备的工作的稳定性。
所述供电回路上三项开关，所述三项开关可以选择断电状态、常通电状态和连接时控开关状态，选择时控开关时可以预先设置时控开关时间周期为仪器周期性连接电源、断开电源配合单片机程序的逻辑判断定时测量数据，这样有效的节省非测量时单片机电能消耗。
一种长时间序列野外森林叶面积指数测量方法，利用两台长时间序列野外森林叶面积指数测量仪配合，一台放置待测林分冠层下记录光线透过冠层后的光强称为B值，另一台放置待测林分附近的空旷地记录未透过冠层的光强称为A值，通过贝尔定律和米勒定律计算叶面积指数，所述贝尔定律为：I＝I0exp(-x)，其中I0为入射能量，I为通过x距离的均匀介质后衰减得到的能量，当穿过的介质均匀消光系数为a、介质浓度为C时，得到：公式中I0/I即为透过率，P(θ)表示与光线入射角度相关的消光系数，均匀消光系数为a用G(θ)来表示，则有P(θ)＝e-G(θ)L/cosθ，其中L为有效叶子的层数；
根据米勒定律有：所述G(θ)＝k(θ)/L，根据贝尔定律和米勒定律得出公式：进而推算出叶面积指数LAI的数值。
测量前对长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器进行校正，利用传感器校正模块求解出两台仪器的各个环光强记录偏移和增量，即：Lai＝oi+gi*Lbi，其中Lai为A仪器第i环记录的光强值，Lbi为B仪器第i环记录的光强值，gi是第i环偏移,oi是第i环增量，程序利用最小二乘法原理进行求解，利用公式：其中为oi、gi的估计值，ei为残差，选择使所有数据点的残差平方和(∑ei)达到最小，作为gi和oi的估计值，修正两台仪器的系统误差，传感器校正可以纠正不同仪器记录光强值的系统偏差，不同仪器由于半球防水罩、传感器自身等原因会造成在相同测量条件下测量结果的轻微偏差，这些轻微偏差会影响冠层透光率的计算结果。
测量后对数据进行时间校正，通过记录两台仪器开始测量时间和结束测量时间并利用拉伸公式将两台仪器时间统一，其中Tas为A仪器开始测量时间，Tae为A仪器测量结束时间，Tbs为B仪器开始测量时间，Tbe为B仪器结束测量时间，Tbx为B仪器测量时记录时间，T'bx为Tbx调整后时间，通过拉伸计算后，可以以一台仪器时间为准将另一台仪器记录的时间校正，得到同步时间文件，消除由于初始化时间或时钟模块走时误差带来两台仪器记录文件时间不同步问题。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、时控开关可根据预先设置的时间配合单片机程序的逻辑判断收集数据，通过时控开关、单片机和外围原件的相互配合，可以使仪器实现长期野外自动观测，取代人工野外重复测量，节省人力，减少人为误差。
2、多角度光强测量依靠单片机控制舵机旋转实现，在水平旋转舵机和垂直旋转舵机旋转同时记录当前角度的光强数据，结构简单、成本低，在造价角度上实现了多林分布点观测的可行性。
3、功能齐全，可实时显示测量结果并将观测数据记录在SD卡中，方便后期建立数据库和研究分析使用。
4、传感器均为数字化传感器，可实现校准功能，而且数字光强度传感器灵敏度高响应时间短且可靠性高，长期观测时采样间隔合理符合林业感测研究。
5、本发明的方法利用贝尔定律和米勒定律结合得出叶面积指数的数值，综合考虑了叶面积数值有关的诸项数据，使数据分析更加全面，所得测量结果更加精确可靠。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、稳定性强，传统仪器利用镜头等获取数据，费用高昂，而且传统仪器只适用于瞬时测量，本发明的测量仪器及测量方法适用于长时间序列的野外叶面积指数的测量，成本低廉，测量结果精确度高，能满足实际需求。
附图说明
图1是本发明的内部主视图；
图2是本发明外部主视图；
图3是本发明结构框图。
图中1.防水外壳 2.数字温湿度传感器防水罩 3高透度半球防水罩 4.防水散热罩 5.蓄电池 6.显示屏 7.SD卡 8.时钟模块 9.单片机 10.防水材料层 11.垂直旋转舵机 12.水平旋转舵机 13.数字温湿度传感器 14.降压模块 15.时控开关16.太阳能控制器 17.保险管 18.连接太阳板航空插头 19.通风风扇 20.三项开关
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式，本实施方式的一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器，包括防水壳体，所述防水壳体1内包括测量部分、供电部分和时控部分，所述测量部分包括单片机9、水平旋转舵机12、数字光强传感器、垂直旋转舵机11、时钟模块8、SD卡7和显示屏6，所述垂直旋转舵机11安装在水平旋转舵机12的转盘上并随水平旋转舵机12水平转动，所述数字光强传感器安装在垂直旋转舵机11上，并随垂直旋转舵机11转动，所述时控部分包括时控开关15，所述单片机9的输出端口分别连接水平旋转舵机12、垂直旋转舵机11、SD卡7和显示屏6，所述数字光强传感器的输出端通过串行线接连接单片机9的SDA接口，时钟模块8的输出端通过串行线与单片机9的SCL接口建立连接，所述供电部分的输出端通过时控开关15与测量部分的单片机9建立连接。
所述供电部分包括太阳能板、太阳能充电控制器16和蓄电池5，所述太阳能板置于防水壳体1的外部，太阳能充电控制器16和蓄电池5置于防水壳体1内部，太阳能板的电能输出端通过太阳能插口18连接太阳能控制器16的输入端，太阳能充电控制器16的输出端与蓄电池5的输入端建立连接，蓄电池5的输出端为供电部分输出端。
所述供电部分的输出端串联有降压模块14和保险管17。
所述防水壳体1内设有数字温湿度传感器13，所述数字温湿度传感器13的数据输出端通过数据线与单片机建立连接。
所述防水壳体1内层为防水材料层10，防水壳体1上端设有高透度半球防水罩3，防水壳体1的下端设有数字温湿度传感器防水罩2，防水壳体1的侧壁上设有防水散热罩4和通风风扇19，所述高透度半球防水罩3位于数字光强传感器的正上方，数字温湿度传感器防水罩2置于数字温湿度传感器13的下端，所述温湿度传感器防水罩2下端敞口，上端与防水壳体1连通，所述防水散热罩4一端敞口，另一端与防水壳体连通，所述通风风扇19嵌设在防水壳体1的侧壁内。
所述供电回路上三项开关20。
所述单片机为Arduino UNO单片机。
一种长时间序列野外森林叶面积指数测量方法，利用两台长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器配合，一台放置待测林分冠层下记录光线透过冠层后的光强称为B值，另一台放置待测林分附近的空旷地记录未透过冠层的光强称为A值，通过贝尔定律和米勒定律计算叶面积指数，所述贝尔定律为：I＝I0exp(-x)，其中I0为入射能量，I为通过x距离的均匀介质后衰减得到的能量，穿过的介质均匀消光系数为a、介质浓度为C时，得到：公式中I0/I即为透过率，在林业冠层研究时，考虑到不同方向光线透过林冠层衰减时，利用消光系数其中L为有效叶子的层数，
根据米勒定律有：其中G(θ)消光系数为G(θ)＝k(θ)/L，通过公式：得出叶面积指数LAI的数值。
测量前对长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器进行校正，利用传感器校正模块求解出两台仪器的各个环光强记录偏移和增量，即：Lai＝oi+gi*Lbi，其中Lai为A仪器第i环记录的光强值，Lbi为B仪器第i环记录的光强值，gi是第i环偏移,oi是第i环增量，程序利用最小二乘法原理进行求解，利用公式：其中为oi、gi的估计值，ei为残差，选择使所有数据点的残差平方和(∑ei)达到最小，作为gi和oi的估计值，修正两台仪器的系统误差。
测量后对数据进行时间校正，通过记录两台仪器开始测量时间和结束测量时间并利用拉伸公式将两台仪器时间统一，其中Tas为A仪器开始测量时间，Tae为A仪器测量结束时间，Tbs为B仪器开始测量时间，Tbe为B仪器结束测量时间，Tbx为B仪器测量时记录时间，T'bx为Tbx调整后时间。
经过校正后的数据，可以利用程序中的单文件计算模块和批量运算模块解算测量样地的叶面积指数。其中单文件叶面积指数计算模块可以将各角度测量值和计算后得到各角度光线强度衰减率以矩阵形式表达在程序界面上，可以直观的看到林下各角度光强衰减率分布，方便对林分多角度透光性进一步研究；批量计算模块可以通过自动匹配时间间隔最短的A、B值文件，解算指定时间段内的叶面积指数数据，实现解算大量长期野外观测数据的功能。
Claims (8)
1.一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，包括防水壳体，其特征在于：所述防水壳体（1）内包括测量部分、供电部分和时控部分，所述测量部分包括单片机（9）、水平旋转舵机（12）、数字光强传感器、垂直旋转舵机（11）、时钟模块（8）、SD卡（7）和显示屏（6），时控部分包括时控开关（15），所述垂直旋转舵机（11）安装在水平旋转舵机（12）的转盘上并随水平旋转舵机（12）水平转动，所述数字光强传感器安装在垂直旋转舵机（11）的转盘上，并随垂直旋转舵机（11）转动，所述单片机（9）的输出端口分别连接水平旋转舵机（12）、垂直旋转舵机（11）、SD卡（7）和显示屏（6），所述数字光强传感器的输出端通过串行线接连接单片机（9）的SDA接口，时钟模块（8）的输出端通过串行线与单片机（9）的SCL接口建立连接，所述供电部分的输出端通过时控开关（15）与测量部分的单片机（9）建立连接。
2.根据权利要求1所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，其特征在于：所述供电部分包括太阳能板、太阳能充电控制器（16）和蓄电池（5），所述太阳能板置于防水壳体（1）的外部，太阳能充电控制器（16）和蓄电池（5）置于防水壳体（1）内部，太阳能板的电能输出端通过太阳能插口（18）连接太阳能控制器（16）的输入端，太阳能充电控制器（16）的输出端与蓄电池（5）的输入端建立连接，蓄电池（5）的输出端为供电部分输出端。
3.根据权利要求2所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，其特征在于：所述供电部分的输出端串联有降压模块（14）和保险管（17）。
4.根据权利要求3所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，其特征在于：所述防水壳体（1）内设有数字温湿度传感器（13），所述数字温湿度传感器（13）的数据输出端通过数据线与单片机建立连接。
5.根据权利要求4所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，其特征在于：所述防水壳体（1）内层为防水材料层（10），防水壳体（1）上端设有高透度半球防水罩（3），防水壳体（1）的下端设有数字温湿度传感器防水罩（2），防水壳体（1）的侧壁上设有防水散热罩（4）和通风风扇（19），所述高透度半球防水罩（3）位于数字光强传感器的正上方，数字温湿度传感器防水罩（2）置于数字温湿度传感器（13）的下端，所述温湿度传感器防水罩（2）下端敞口，上端与防水壳体（1）连通，所述防水散热罩（4）一端敞口，另一端与防水壳体连通，所述通风风扇（19）嵌设在防水壳体（1）的侧壁内。
6.根据权利要求5所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪，其特征在于：所述供电部分上设有三项开关（20）。
7.一种长时间序列野外森林叶面积指数测量方法，其特征在于：利用两台长时间序列野外森林叶面积指数测量仪配合，一台放置待测林分冠层下记录光线透过冠层后的光强称为B值，另一台放置待测林分附近的空旷地记录未透过冠层的光强称为A值，通过贝尔定律和米勒定律计算叶面积指数，所述贝尔定律为：，其中为入射能量，为通过x距离的均匀介质后衰减得到的能量，当穿过的介质均匀消光系数为a、介质浓度为C时，得到：，公式中即为透过率，表示与光线入射角度相关的消光系数，均匀消光系数为a用来表示，则有，其中L为有效叶子的层数；
根据米勒定律有：，所述，根据贝尔定律和米勒定律得出公式：，进而推算出叶面积指数LAI的数值；测量前对长时间序列野外森林叶面积指数测量仪器进行校正，利用传感器校正模块求解出两台仪器的各个环光强记录偏移和增量，即：，其中为A仪器第i环记录的光强值，为B仪器第i环记录的光强值，是第i环偏移, 是第i环增量，程序利用最小二乘法原理进行求解，利用公式：，其中、分别为、的估计值，为残差，选择、使所有数据点的残差平方和（）达到最小，作为和的估计值，修正两台仪器的系统误差。
8.根据权利要求7所述一种长时间序列野外森林叶面积指数测量方法，其特征在于：测量后对数据进行时间校正，通过记录两台仪器开始测量时间和结束测量时间并利用拉伸公式将两台仪器时间统一，其中为A仪器开始测量时间，为A仪器测量结束时间，为B仪器开始测量时间，为B仪器结束测量时间，为B仪器测量时记录时间，为调整后时间。
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