CN105259179A - 一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪，包括探测器和用于对探测器采集到的光线强度信息进行处理的数据处理装置，探测器包括同轴设置的鱼眼镜头、滤光片、凸透镜和处理电路。鱼眼镜头用于采集全视场入射光线。当水平仪显示水平位置时，鱼眼镜头的光轴垂直向上。该仪器可以从光能量变化，通过分析统计得出此区域的农作物的叶面积指数及相关参数，具有精确、快速、无损伤地测量的特点；相比直接测量法具有更快、更大范围和自动化的获取叶面积指数，大大降低了工作量。

Description

一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪

技术领域

本发明涉及一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪。

背景技术

目前国内对叶面积指数的测量主要采用直接收获法、落叶收集法。

直接收获法在测定叶面积指数的传统方法，因为该方法是直接伐倒植株，通过获取植株上所有叶片并计算其所有叶片面积，再用总叶面积和树冠垂直阴影的比值求得叶面积指数，结果比较精确。这种方法虽然可以在植被区设立样点，通过对样点内叶面积指数的测定进而得到整个植被区的叶面积指数，但这样将会大面积的破坏植被，因为用该方法在大面积区域测定时其测定的精度和样点的多少有关，样点越多越具有代表性测定值越精确，同时对植被就越具有破坏性。

落叶收集法则受树种、风力、人为破坏等因素影响较大，树种一般要求落叶期集中，落叶彻底，这样才能获得较准确的落叶量，台风、人为破坏都会增加非生理落叶量，从而使所测叶面积误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪，用以解决传统的叶面积指数的测量方法均存在着一定缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪，包括探测器和用于对探测器采集到的光线强度信息进行数据处理的数据处理装置，所述探测器包括用于采集全视场光线的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头与一个水平仪固定设置；当水平仪水平设置时，所述鱼眼镜头的光轴垂直向上。

所述数据处理装置包括依次串接的光电感应模块、AD转换模块和处理器，所述全视场光线包括若干个不同天顶角入射光线，所述光电感应模块与所述天顶角一一对应，一个光电感应模块对应接收一个天顶角入射光线，所述AD转换模块用于对所有的光电感应模块输出的信号进行处理。

所述探测器还包括滤光片和凸透镜，经所述鱼眼镜头采集到的光线强度信息依次经过所述滤光片和凸透镜后由对应的光电感应模块接收。

所述鱼眼镜头与滤光片之间的光路上还设置有反射镜。

所述光电感应模块与AD转换模块之间还串设有信号放大模块，AD转换模块与处理器之间还串设有滤波模块。

所述叶面积指数仪包括一个探杆，所述探杆包括一个旋转头和一个杆体，所述旋转头与杆体铰接，所述探测器和所述水平仪设置在所述旋转头上，所述光电感应模块、信号放大模块、AD转换模块和滤波模块设置在所述杆体上。

所述叶面积指数仪还包括一个控制掌机，所述控制掌机包括所述处理器，所述探杆与所述控制掌机中的处理器通讯连接。

所述数据处理装置还包括一个按键输入模块和液晶显示模块，所述按键输入模块和液晶显示模块通讯连接所述处理器。

所述数据处理装置还包括一个数据存储模块，所述处理器连接所述数据存储模块。

所述数据处理装置还包括一个用于与外界通讯的通讯模块，所述处理器连接所述通讯模块。

本发明提供的叶面积指数仪是基于冠层光线透过率转移模型，不需要对作物叶片进行釆摘测量，而是根据植物叶片分布对光的栏截、反射等特征来测量透过率，然后通过透过率与叶面积指数的关系模型，对叶面积指数进行估算。

该仪器可以精确、快速、无损伤地测量的特点；相比直接测量法具有更快、更大范围和自动化的获取叶面积指数，大大降低了工作量。

植株叶面积指数的大小对光能利用、干物质积累、收获量及经济效益都有显著的影响。该仪器的广泛应用可以快速的实现农作物产量的预测，提供农作物的种植建议，及时发现农作物在生长过程中的各种状态，提出合理的灌溉、施肥条件，增大农作物的产量。

附图说明

图1是基于辐射测量原理的叶面积指数仪原理框图；

图2是探测器的内部结构示意图；

图3是数据处理装置的内部组成结构示意图；

图4是探测器的外部结构示意图；

图5是探测器的立体图；

图6是数据处理装置的外观图；

图7是数据处理装置与探测器的连接结构图；

图8是在树冠下的两种测量方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供的叶面积指数仪是一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪。该叶面积指数仪总体包括探测器和数据处理装置，其中，探测器为一种光学系统，用于采集叶片信息；数据处理装置用于对探测器采集到的信息进行数据处理。

如图1所示，沿着从物方到像方的顺序，探测器包括同轴设置的鱼眼镜头、滤光片和凸透镜。鱼眼镜头用于采集全视场入射光线，全视场入射光线包括若干个不同天顶角入射光线，为了方便使用，在鱼眼镜头的外壳上安装一个水平仪，当水平仪显示水平位置时，鱼眼镜头的光轴垂直向上。

如图2所示，探测器还包括一个反射镜5，该反射镜5设置在鱼眼镜头1和滤光片2之间的光路上，对光线进行反射，改变其传播方向。探测器中的凸透镜组3包括三个凸透镜。叶片的光线信号经过鱼眼镜头1后，依次经过反射镜5、第一个凸透镜、滤光片2和其余两个凸透镜的处理后射入光电感应器4中。

光电感应器作为本仪器的核心部件，用于将光谱响应范围320nm～490nm的光信号转换成电信号，分为五个同心感应部分，分别与天顶角一一对应，也就是说，一个光电感应部分对应接收一束天顶角入射光线。

在本实施例中，如图3所示，探测器的处理电路包括小信号处理、滤波电路、AD转换模块和ARM处理器。小信号处理电路将光电感应器输出的电信号进行放大处理；滤波电路对电信号进行低通滤波处理，减少噪声等引进的误差；AD转换模块用于把电路输出的模拟信号变为数字信号；ARM处理器实现对探测器的数据采样、远程命令控制、数据计算处理、质量控制、模型分析等。

如图4和5所示，其为探测器的外观结构图和外观立体图。就外部结构而言，探测器包括一个旋转头和一个杆体，旋转头与杆体铰接，光学处理组件和水平仪在旋转头上，处理电路在杆体上。其中，11为鱼眼镜头，12为水平计，13为探测器开关，14为接线插头，15为光学处理组件。

数据处理装置包括ARM处理器、按键输入模块、液晶显示模块、数据存储模块和通信模块。如图6所示，其为数据处理装置的外观图，其中，21为15针接口，22为RS-232接口，23为BNC接口，24为液晶屏，25为控制面板。探测器通过电缆与该数据处理装置进行连接，ARM处理器对数据进行处理，并作出相应地控制，如图7所示。按键输入模块负责标定信息及命令选择、测量结果的输入；液晶显示模块负责将测量结果等相关信息显示；存储模块可以存储1000多条数据，利用存储模块的大容量存储器扩展技术，实现ARM处理器中的数据记录的存储和传输；通信模块用于与外界通信。

该数据处理装置还包括一个电平转换电路，该电平转换电路由升压电路、3.3V稳压电路、1.25V基准源组成，升压电路能够将3.7VDC变换为5VDC，3.3V稳压电路的作用是将5VDC转换为3.3VDC，1.25V基准源的作用是将3.3V转换为1.25V基准源，上述得到的三种电压能够为数据处理装置中的各个模块和电路提供工作电压。

另外，该数据处理装置通过内部的插座和多芯排线端子来对相关的模块以及电路进行连接，比如，处理器与液晶显示电路之间通过多芯排线端子进行连接。

本发明是基于测量冠层光线透过辐射率实现了对冠层叶面积指数的非接触测量。测量原理如下：

当一束光穿过一定厚度的植被冠层时，由于叶片的阻挡作用光线发生变化。这种变化与冠层厚度、叶片密度(每单位冠层体积中叶片的数量)和叶片倾斜成比例。如果假设相对与庞大的冠层，叶片很小并且在光线穿过的区域中是随机分布的，那么就可以知道来自角(θ是天顶角，是方位角)的光线穿过冠层后剩余光线为：

其中，是叶片在光线角下的投影部分，μ是叶片密度(每m³冠层中叶片的面积)，是所透过的冠层距离。因为本发明中的探测器对任何方位的测量都是平均的，因此，可将方位角舍去，即理解为每一方位上的变化值是平均的。这样，公式3-1可转化为：

G(θ)μ＝-[ln(T(θ))]/S(θ)＝K(θ)(3-2)

K(θ)为接触频率，即光线穿过冠层时每单位穿透距离中接触的平均数量。

由公式3-2可得出μ值：

$\mathrm{\μ}=2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\frac{-ln\left(T\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{S\left(B\right)}\sin \mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---(3-3)$

在均一的全覆盖冠层中，叶片密度与叶面积指数L与冠层高度Z有关，路径S与冠层高度和天顶角θ有关：

L＝μZ(3-4)

S(θ)＝Z/cosθ(3-5)

将这些公式带入到公式3-3中，可得到LAI：

$L=2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}-ln\left(T\left(\mathrm{\θ}\right)\right)cos\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---(3-6)$

因为冠层高度在公式中被消去，因此，当S(θ)＝-1/cosθ时，便与公式3-3相同。这样，当距离为-1/cosθ时，测量结果是LAI；否则是叶片密度。

植被冠层叶片的数量可通过测量光线透过冠层时被削弱的程度推导出来。从不同的天顶角角度来测量这种削弱，也可得到叶片倾斜的情况。如图8所示，给出了两种在树冠下的5个角度的检测方式，取任意一种均可。本发明利用探测器(垂直视野范围148度，水平视野范围360度，波谱响应范围320nm～490nm)测量树冠上、下5个角度(7°、23°、38°、53°、68°)的透射光线，测量5个角度上天空漫射线的削弱。本发明的光学探测器将近半球的景象提供给位于同心环上的5个光电转换器上。这样，如果探侧器水平朝向天空，第一个光电转换器(最接近圆心的光电转换器)将测量天顶角为7°的亮度，第五个光电转换器(最远离圆心的光电转换器)将测量中心为天顶角68°的亮度(与地平线角度为22°)。

本发明测量得到的数据至少10个：探测器位于植株上方时的5个数值，和探测器位于植株下方时的5个数值。在这两次测量中，探测器始终指向天空。植株透射率的5个值是由这些对应读数两两相除得来的，例如，如果第一光电转换器在植株上的读数为50(单位不重要)，植株下的读数为5，即在天顶角为7°时，该角度在植株上的读数为50，在植株下的读数为5，那么在这个角度上(中心角度为7°)的透射率为5/50＝0.10。

而叶面积指数从公式推算而来，其中L是叶面积指数，K_i是i环的平均接触频率(即第i个天顶角的平均接触频率)，W_i是i环的权重因子(即第i个天顶角的权重因子)。

平均接触频率是透射率和路径长度的函数。本发明中从上、下5个角度(7°、23°、38°、53°、68°)得到5组A、B值，A_i是第i个天顶角对应的在树冠上的透射光线，B_i是第i个天顶角对应的在树冠下的透射光线。平均接触频率的计算公式如下：

${\stackrel{\‾}{K}}_i=\frac{\frac{1}{5}{\Σ}_{i=1}^5-ln\left(\frac{B_i}{A_i}\right)}{S_i}$

权重因子W从公式推算而来。S_i＝Z/COSθ_i，S_i为第i个角度下的路径长度，θ_i为第i个角度下的天顶角，Z为冠层高度。

上述实施例中，选取了5个天顶角进行叶指数检测，作为其他的实施例，还可以选取其他个数的不同的天顶角进行检测，其原理与过程与上述实施例相同。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，包括探测器和用于对探测器采集到的光线强度信息进行数据处理的数据处理装置，所述探测器包括用于采集全视场光线的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头与一个水平仪固定设置；当水平仪水平设置时，所述鱼眼镜头的光轴垂直向上。

2.根据权利要求1所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述数据处理装置包括依次串接的光电感应模块、AD转换模块和处理器，所述全视场光线包括若干个不同天顶角入射光线，所述光电感应模块与所述天顶角一一对应，一个光电感应模块对应接收一个天顶角入射光线，所述AD转换模块用于对所有的光电感应模块输出的信号进行处理。

3.据权利要求2所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述探测器还包括滤光片和凸透镜，经所述鱼眼镜头采集到的光线强度信息依次经过所述滤光片和凸透镜后由对应的光电感应模块接收。

4.根据权利要求3所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述鱼眼镜头与滤光片之间的光路上还设置有反射镜。

5.根据权利要求2所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述光电感应模块与AD转换模块之间还串设有信号放大模块，AD转换模块与处理器之间还串设有滤波模块。

6.根据权利要求5所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述叶面积指数仪包括一个探杆，所述探杆包括一个旋转头和一个杆体，所述旋转头与杆体铰接，所述探测器和所述水平仪设置在所述旋转头上，所述光电感应模块、信号放大模块、AD转换模块和滤波模块设置在所述杆体上。

7.根据权利要求6所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述叶面积指数仪还包括一个控制掌机，所述控制掌机包括所述处理器，所述探杆与所述控制掌机中的处理器通讯连接。

8.根据权利要求7所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述数据处理装置还包括一个按键输入模块和液晶显示模块，所述按键输入模块和液晶显示模块通讯连接所述处理器。

9.根据权利要求7所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述数据处理装置还包括一个数据存储模块，所述处理器连接所述数据存储模块。

10.根据权利要求7所述的基于辐射测量原理的叶面积指数仪，其特征在于，所述数据处理装置还包括一个用于与外界通讯的通讯模块，所述处理器连接所述通讯模块。