CN108226389B - 一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统。所述方法包括：根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积，分别计算活立木主干总体含水量函数和活立木根部土壤含水量函数；基于所述活立木主干总体含水量和所述活立木根部土壤含水量分别对蒸腾时长的一阶导数，计算所述活立木冠层蒸腾速率；根据所述活立木冠层蒸腾速率和所述蒸腾时长，计算活立木冠层蒸腾量。本发明提供的活立木冠层蒸腾量计算方法及系统，通过对活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率进行实时无损检测，实现了对活立木冠层蒸腾量的有效估计，测量结果精确，并且能在实际生产中大规模应用。

Description

一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统

技术领域

本发明涉及活立木生理参数检测领域，更具体地，涉及一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统。

背景技术

目前，在活立木生理参数检测领域，冠层蒸腾量是衡量活立木生理水分状况的重要参数，测量活立木冠层蒸腾量对研究植物生理水分的变化规律及特征具有重大意义。

目前测量活立木冠层蒸腾量的方法主要有茎流计法和气孔计法。所述茎流计法可以准确测量活立木主干中的轴向液流速率，从而计算出活立木冠层蒸腾量，但是活立木主干不同部位的茎流有所差异，因此所述茎流计法的测量结果受到茎流计安装部位的影响；所述气孔计法可以准确测量活立木叶片的蒸腾速率，但是活立木冠层叶片的总面积无法得到精确测量，因此所述气孔计法难以计算出活立木冠层蒸腾量。并且，现有技术使用的茎流计和气孔计的生产成本较高，难以大规模应用于实际生产。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的活立木冠层蒸腾量计算方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种活立木冠层蒸腾量计算方法，包括：

S1，根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积，分别计算活立木主干总体含水量函数和活立木根部土壤含水量函数；

S2，基于所述活立木主干总体含水量函数和所述活立木根部土壤含水量函数分别对蒸腾时长的一阶导数，计算所述活立木冠层蒸腾速率；

S3，根据所述活立木冠层蒸腾速率和所述蒸腾时长，计算活立木冠层蒸腾量。

优选地，所述S1进一步包括：

根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积，计算得到所述活立木主干各分段含水量函数；

根据所述活立木主干各分段含水量函数与活立木主干的分段数量计算活立木主干总体含水量函数。

优选地，所述S2具体包括：

所述活立木主干总体含水量函数对蒸腾时长求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值；

所述活立木根部土壤含水量函数对蒸腾时长求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率；

根据所述活立木根部吸水速率与冠层蒸腾速率的差值以及所述活立木根部吸水速率，计算得到所述活立木冠层蒸腾速率。

优选地，在所述步骤S1之前还包括：

S00，利用活立木茎体水分传感器获取所述活立木主干各分段体积含水率，利用土壤水分传感器获取所述活立木根部土壤体积含水率；

S01，对所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率进行滤波处理。

优选地，所述活立木主干各分段的体积根据所述活立木主干各分段的半径和长度计算得到，所述活立木根部土壤体积根据所述土壤水分传感器的测量半径计算得到。

优选地，在所述土壤水分传感器的测量半径范围内外进行隔离处理。

优选地，所述活立木主干的分段数根据所述活立木主干高度和所述活立木茎体水分传感器的轴向感应长度确定。

优选地，所述步骤S01具体包括：

在所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率中，选取若干个数据点作为滤波点；

以各个所述滤波点作为中心点建立长度为M的滤波段，所述M大于1且为奇数；

删除所述滤波段内的数据最大值和最小值，将所述滤波段内剩余数据的算术平均值作为滤波后的输出值；

对各个所述滤波点依次循环执行上述步骤，直至最后一个滤波点时结束所述滤波处理。

根据本发明的另一方面，提供一种活立木冠层蒸腾量计算系统，包括：

计算模块，用于根据活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率计算所述活立木主干总体含水量函数、所述活立木根部土壤含水量函数、所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值、所述活立木根部吸水速率、所述活立木冠层蒸腾速率、所述活立木冠层蒸腾量。

优选地，所述系统还包括：

测量模块，用于获取所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率；

滤波模块，用于对所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率进行滤波处理。

本申请提供的一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统，通过对活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率进行实时无损检测，实现了对活立木冠层蒸腾量的有效估计，测量结果精确，并且能够在实际生产中大规模应用。

附图说明

图1为根据本发明的一种活立木冠层蒸腾量计算方法的流程图；

图2为根据本发明一个优选实施例的一种活立木冠层蒸腾量计算方法的流程图；

图3为根据本发明一个优选实施例的一种活立木冠层蒸腾量计算系统的连接关系图。

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。

图1为根据本发明的一种活立木冠层蒸腾量计算方法的流程图，如图1所示，一种活立木冠层蒸腾量计算方法，包括：S1，根据活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率，得到活立木主干总体含水量函数和活立木根部土壤含水量函数；S2，基于所述活立木主干总体含水量函数和所述活立木根部土壤含水量函数分别对蒸腾时长的一阶导数，计算活立木冠层蒸腾速率；S3，根据所述活立木冠层蒸腾速率和所述蒸腾时长，计算活立木冠层蒸腾量。

具体地，所述活立木主干各分段体积含水率是指在100cm³树段中水的体积，在已知活立木主干各分段体积时，即可求出所述活立木主干各分段含水量，通过主干各分段含水量累加得到所述活立木主干总体含水量的函数。所述活立木根部土壤体积含水率是指在100cm³土体中水的体积，在已知活立木根部吸水作用覆盖的土壤体积时，即可求出所述活立木根部土壤含水量的函数。在活立木蒸腾作用下，活立木主干从根部土壤吸收水分，从冠层叶片散失水分，因此对于所述活立木主干各分段均存在一个吸水速率和一个失水速率，分别对所述活立木主干总体含水量函数和所述活立木根部土壤含水量函数对蒸腾时长一阶求导，并根据求导之后的结果进行差值计算，最终得到活立木冠层蒸腾速率。根据活立木冠层蒸腾速率与蒸腾时长的乘积，计算得到活立木冠层蒸腾量。其中，蒸腾时长可以选取为实验过程中的任意时间段，通过计时工具获取。

上述实施例提供的一种活立木冠层蒸腾量计算方法，通过对活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率进行实时无损检测，实现了对活立木冠层蒸腾量的有效估计，测量结果精确，并且能够在实际生产中大规模应用。

基于上述实施例的内容，活立木主干各分段的体积根据所述活立木主干各分段的半径和长度计算得到；活立木根部土壤体积根据土壤水分传感器的测量半径计算得到。

具体地，将活立木主干的每一分段当作近似圆柱结构，各分段的体积为每一分段的长度与各分段的截面积的乘积，各分段的截面积通过截面的半径即可计算得到。采用半球面的隔水层对该半径范围内外的土壤水分进行隔离，被测活立木的根部均处在半球面之内，活立木根部土壤体积为半球面的体积，根据土壤水分传感器的测量半径即可求出。

基于上述各实施例的内容，所述S2具体包括：对所述活立木主干总体含水量求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值；对所述活立木根部土壤含水量求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率；根据所述活立木根部吸水速率和所述活立木根部吸水速率与冠层蒸腾速率的差值，计算得到所述活立木冠层蒸腾速率。

具体地，令活立木主干各分段的长度均为L，半径依次为R₁、R₂…R_n-1、R_n，体积含水率依次为θ₁、θ₂…θ_n-1、θ_n，其中1、2…n-1、n依次为活立木主干基部分段至末端分段的标号，则所述活立木主干各分段体积依次为V₁＝π·R₁ ²·L、V₂＝π·R₂ ²·L…V_n-1＝π·R_n-1 ²·L、V_n＝π·R_n ²·L，所述活立木主干各分段含水量依次为Q₁＝θ₁·V₁、Q₂＝θ₂·V₂…Q_n-1＝θ_n-1·V_n-1、Q_n＝θ_n·V_n，则所述活立木主干总体含水量函数Q_t为：

令土壤水分传感器的测量半径为R，所述活立木根部土壤体积含水率为θ，则隔水层包含土体的体积为V，隔水层为半球面，则所述活立木根部土壤含水量函数Q_s为：

令活立木主干各分段的吸水速率依次为q₁、q₂…q_n-1、q_n，失水速率依次为p₁、p₂…p_n-1、p_n，其中1、2…n-1、n依次为活立木主干基部分段至末端分段的标号，并且p_i＝q_i+1，则所述活立木主干总体含水量函数对蒸腾时长的一阶导数为：

其中，q₁为所述活立木根部吸水速率，p_n为所述活立木冠层蒸腾速率；所述活立木根部土壤含水量对蒸腾时长的一阶导数为：

其中，q₁为所述活立木根部吸水速率。

活立木冠层蒸腾速率为：

则所述活立木冠层蒸腾量函数Q_c为：

其中，t为实际测量时间段的蒸腾时长。

基于上述各实施例的内容，图2为根据本发明一个优选实施例的一种活立木冠层蒸腾量计算方法的流程图，如图2所示，所述步骤S1之前还包括：S00，利用活立木茎体水分传感器获取所述活立木主干各分段体积含水率，利用所述土壤水分传感器获取所述活立木根部土壤体积含水率；S01，对所述活立木主干各分段体积含水率数据和所述活立木根部土壤体积含水率数据进行滤波处理。

具体地，所述活立木主干各分段体积含水率数据和活立木根部土壤体积含水率数据为活立木种植区布置的微环境监测站测得的数据，所述微环境监测站为现有技术常用的环境检测管理系统，用于测量活立木种植过程中的一系列环境和生理数据，例如：土壤水分、空气温湿度、活立木茎体水分等环境和生理数据。通过活立木茎体水分传感器获取活立木主干各分段体积含水率，利用土壤水分传感器获取活立木根部土壤体积含水率，采集的活立木主干各分段体积含水率数据和活立木根部土壤体积含水率数据为离散信号数据，但离散信号数据存在噪声干扰，为了获得更好的数据样本，需要对数据进行滤波操作。

在上述各实施例的基础上，在所述S00之前，根据所述活立木主干高度和所述活立木茎体水分传感器的轴向感应长度确定所述活立木主干的分段数；根据所述土壤水分传感器的测量半径对该半径范围内外的土壤水分进行隔离，所述活立木根部均从所述测量半径范围内的土壤中吸收水分。

具体地，本发明实施例在活立木主干的每一分段上均安装所述活立木茎体水分传感器，用于测量每一分段的体积含水率，并且根据所述土壤水分传感器的测量半径，采用半球面的隔水层对该半径范围内外的土壤水分进行隔离，被测活立木的根部均处在半球面之内，以便后续对土壤含水量的定量分析。

在上述各实施例的基础上，所述步骤S01具体包括：在所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率中，选取若干个数据点作为滤波点；以所述各个滤波点作为中心点建立长度为M的滤波段，所述M大于1且为奇数；删除所述滤波段内的数据最大值和最小值，将所述滤波段内剩余数据的算术平均值作为滤波后的输出值。

需要说明的是，关于离散信号滤波有以下几种方法：

均值滤波法，该方法是线性滤波方法。在一个采样周期中，对信号做m次采样，并对其取算数平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。均值滤波对周期性干扰信号有良好的抑制作用，但会产生一定的延迟，该延迟与滤波需要采样的次数m成正比。m值取决于对平滑度和灵敏度的要求。m增大，平滑度增大，灵敏度减低。

中值滤波是典型的非线性滤波方法，为滤除偶然的脉冲干扰，常采用中值滤波。中值滤波将信号的连续m次采样值进行排序，取其中间值作为本采样周期内的滤波输出。m越大滤波效果越好，但延迟增大。中值滤波对缓变过程的脉冲干扰有良好的滤波效果。

维纳滤波是一种自适应的滤波器，其基本思想是以在一定约束条件下，信号输出与期望输出的差的平方最小为最优准则。维纳滤波适应面较广，无论平稳随机过程是连续的还是离散的，是标量的还是向量的，都可应用。但是不能用于噪声为非平稳的随机过程的情况，对于向量情况应用也不方便。因此，维纳滤波在实际问题中应用不多。

小波滤波在时域和频域同时具有良好的局部化特性，信号的小波系数随尺度的增大而增大，噪声的小波系数随尺度的增大而减小。因此，可以设定一阈值，利用该阈值按照一定的规则对小波系数进行阈值调整。对阈值调整后的各级小波系数进行重构，得到消噪后的信号。由于噪声信号强度的随机性，以及小波分解过程中信号与噪声的传播特性不同，每一层小波分解系数所采用的阈值应该是随小波系数的变化而变化的。因此，阈值的选取是滤波效果好坏的关键。

可以理解的是，上述几种现有的采样滤波方法都存在速度慢、受阈值选取影响较大等缺点，针对上述现有技术存在的缺点，本发明实施例提供的滤波方法为中位值平均滤波法，对于每一个滤波点，以该点为中心建立长度为M的滤波窗口，所述滤波窗口即为滤波段，所述M大于1且为奇数；去掉窗口内的最大值和最小值，求剩余M-2点的算术平均值作为滤波后输出值；判断滤波点是否是活立木主干各分段体积含水率数据或活立木根部土壤体积含水率数据最后一点，若不是最后一点，则移动到下一滤波点，重新进行上述循环，或者若是最后一点，则结束滤波，输出滤波后活立木主干各分段体积含水率数据或活立木根部土壤体积含水率数据。

本发明实施例通过使用中位值平均滤波法，滤波速度得到了明显提高，并且所取阈值简便，易于操作。

本发明提供一种活立木冠层蒸腾量计算系统，包括：计算模块，用于根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积计算所述活立木主干总体含水量、所述活立木根部土壤含水量、所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值、所述活立木根部吸水速率、所述活立木冠层蒸腾速率、所述活立木冠层蒸腾量。

基于上述实施例的内容，图3为根据本发明一个优选实施例的一种活立木冠层蒸腾量计算系统的连接关系图，如图3所示，所述系统包括：测量模块301，用于获取所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率；滤波模块302，用于对所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率进行滤波处理。计算模块303，用于根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积计算所述活立木主干总体含水量、所述活立木根部土壤含水量、所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值、所述活立木根部吸水速率、所述活立木冠层蒸腾速率、所述活立木冠层蒸腾量。具体的活立木冠层蒸腾量计算方法可参见上述实施例，本发明实施例在此不再赘述。

具体地，测量模块通过活立木茎体水分传感器、土壤水分传感器分别获取活立木主干各分段体积含水率数据、活立木根部土壤体积含水率数据，滤波模块采用中位值平均滤波法对上述获取的数据去噪，计算模块通过累加、一阶导数等方法对滤波后的数据进行运算分析，最终实现了对活立木冠层蒸腾量的有效计算，能够大规模应用在实际生产中。

本发明提供的一种活立木冠层蒸腾量计算方法及系统，通过对活立木主干各分段体积含水率和活立木根部土壤体积含水率进行实时无损检测，实现了对活立木冠层蒸腾量的有效估计，测量结果精确，并且能够在实际生产中大规模应用。

最后，本发明中的方法及系统仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种活立木冠层蒸腾量计算方法，其特征在于，包括：

S1，根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积，分别得到活立木主干总体含水量函数和活立木根部土壤含水量函数；

S2，基于所述活立木主干总体含水量函数和所述活立木根部土壤含水量函数分别对蒸腾时长的一阶导数，计算所述活立木冠层蒸腾速率；

S3，根据所述活立木冠层蒸腾速率和所述蒸腾时长，计算活立木冠层蒸腾量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1进一步包括：

根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积，得到所述活立木主干各分段含水量函数；

根据所述活立木主干各分段含水量函数与活立木主干的分段数量得到所述活立木主干总体含水量函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括：

所述活立木主干总体含水量函数对蒸腾时长求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率与活立木冠层蒸腾速率的差值；

所述活立木根部土壤含水量函数对蒸腾时长求一阶导数，得到所述活立木根部吸水速率；

根据所述活立木根部吸水速率与冠层蒸腾速率的差值以及所述活立木根部吸水速率，计算得到所述活立木冠层蒸腾速率。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：

S00，利用活立木茎体水分传感器获取所述活立木主干各分段体积含水率，利用土壤水分传感器获取所述活立木根部土壤体积含水率；

S01，对所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率进行滤波处理。

5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述活立木主干各分段的体积根据所述活立木主干各分段的半径和长度计算得到，所述活立木根部土壤体积根据所述土壤水分传感器的测量半径计算得到。

6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，在所述土壤水分传感器的测量半径范围内外进行隔离处理。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活立木主干的分段数根据所述活立木主干高度和所述活立木茎体水分传感器的轴向感应长度确定。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S01具体包括：

在所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率中，选取若干个数据点作为滤波点；

以各个所述滤波点作为中心点建立长度为M的滤波段，所述M大于1且为奇数；

删除所述滤波段内的数据最大值和最小值，将所述滤波段内剩余数据的算术平均值作为滤波后的输出值；

对各个所述滤波点依次循环执行上述步骤，直至最后一个滤波点时结束所述滤波处理。

9.一种活立木冠层蒸腾量计算系统，其特征在于，包括：

计算模块，用于根据活立木主干各分段体积含水率和活立木主干各分段体积、活立木根部土壤体积含水率和活立木根部土壤体积，分别得到活立木主干总体含水量函数和活立木根部土壤含水量函数；基于所述活立木主干总体含水量函数和所述活立木根部土壤含水量函数分别对蒸腾时长的一阶导数，计算所述活立木冠层蒸腾速率；根据所述活立木冠层蒸腾速率和所述蒸腾时长，计算活立木冠层蒸腾量。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

测量模块，用于获取所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率；

滤波模块，用于对所述活立木主干各分段体积含水率和所述活立木根部土壤体积含水率进行滤波处理。

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