CN110702166B - 一种用于植物冠层参数测量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种用于植物冠层参数测量的装置，包括：通过通信总线相连接的数据采集处理器和至少M个集成电路板，集成电路板为柔性结构；集成电路板上设置有N组微单元，每组微单元包括硅光电池、红外温度探头以及TOF测距探头。硅光电池用于测量植物冠层的总辐射、光合有效辐射或指定波段的光强；红外温度探头用于测量植物冠层的表面温度；TOF测距探头用于测量距离所述植物冠层的距离；数据采集处理器用于收集并处理所述集成电路板传输的数据，获取植物冠层参数。本实施例提供的装置采用柔性结构，以满足根据不同测量结构以及植物测量需求，实现可对多种作物冠层的多参数完成测量，方便快捷且精度高。

Description

一种用于植物冠层参数测量的装置
技术领域
本发明涉及农业监测技术领域，尤其涉及一种用于植物冠层参数测量的装置。
背景技术
植物冠层是植物树木等接受太阳能的主体，冠层结构的特征在一定程度上决定了作物生态系统能流的过程和强度，如何快速、高效、综合的获取到植物冠层的各项参数成为目前农业监测技术领域研究的主流方向。
一方面，不同植物冠层结构其叶面积指数(LAI)和叶倾角不同，而冠层的光合有效辐射(PAR)和LAI是评估植物健康状况和植物冠层结构的重要指标。PAR表示光能可被植物光合作用利用的利用率；LAI可用于估计冠层密度和生物量，是植物冠层结构的一项重要表征参数，与作物的光能截获及利用、产量和品质的形成等过程关系密切。另一方面，冠层温度也是监测作物水分状况的重要参数。进一步的，植物长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上。再者归一化差异植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，简称NDVI)由于能够不但反映出植被光合作用的有效辐射吸收情况，还能够反映作物群体大小、健康程度情况，是目前应用最为广泛的植被指数。
但是目前，现有的装置对于上述众多参数的测量存在以下不足：
一方面：一般采用单参数测量，即目前已有的传感器或采集设备，只能够采集单个参数，如LAI、NDVI、红外温度以及光合有效辐射中的一个或有限的几个，导致在实际应用中若需要综合多个参数时，只能购买多个设备来实现，导致冠层参数测量成本高。
另一方面：由于冠层结构以及参数测量的对象植物有小型草类、中型小麦玉米、大型树木等多种形态，目前现有技术不能够完全测量大部分作物冠层结构，应用过程中与实际需求有一定差异，导致部分参数测量准确度不高，对参数的测量有较大的限制。
发明内容
本发明实施例提供一种用于植物冠层参数测量的装置，用以解决现有技术中植物冠层测量手段单一、适用性不强、测量成本高以及检测效率低等不足。
本发明实施例提供一种用于植物冠层参数测量的装置，包括：通过通信总线相连接的数据采集处理器和至少M个集成电路板，且每个集成电路板均为柔性结构；每个集成电路板上设置有N组微单元，每组微单元包括硅光电池、红外温度探头以及TOF测距探头，N≥M≥1；其中，硅光电池用于测量植物冠层的总辐射、光合有效辐射或指定波段的光强；红外温度探头用于测量所述植物冠层的表面温度；所述TOF测距探头用于测量所述装置距离所述植物冠层的距离；数据采集处理器用于收集并处理集成电路板传输的数据，获取植物冠层参数。
进一步地，若M>1，且所述集成电路板均为条状结构，并固设于一柔性棒状安装体上，则每个所述集成电路板沿所述柔性棒状安装体的轴向方向串接排布。
进一步地，若M>1且所述集成电路板均为圆弧状结构，并固设于一柔性环状安装体上，每个所述集成电路板在所述环状安装体上串接排布。
进一步地，若M>1，所述集成电路板均固设于一柔性面状安装体的表面。
进一步地，在所述集成电路板的正反两面均设置有所述微单元。
进一步地，硅光电池用于测量植物冠层的总辐射，包括：利用所述集成电路板的正面微单元中的所述硅光电池获取所述植物冠层的向上辐射值，并利用所述集成电路板的反面微单元中的所述硅光电池获取所述植物冠层的向下辐射值；计算所述向上辐射值与所述向下辐射值的差值，获取所述植物冠层的总辐射值。
进一步地，所述植物冠层参数包括结构分布参数，其获取方法为：
根据每个所述TOF测距探头获取的距离值构建一个多点整距离图；根据所述多点整距离图获取所述植物冠层的所述结构分布参数。
进一步地，所述植物冠层参数还包括所述植物冠层的LAI值，其获取方法为：
根据所述多点整距离图，获取所述植物冠层的整体角度分布，以获取叶倾角分布参数；
根据测量区域的经纬度及时间，获取天顶角；
利用公式
Figure BDA0002221738450000031
获取所述植物冠层的LAI值；
其中k为消光系数，
Figure BDA0002221738450000032
Qd为向上辐射值；Qu为向下辐射值；x为叶倾角分布参数；θ为天顶角。
进一步地，所述植物冠层参数包括NDVI指数，其获取方法为：
获取所述植物冠层的向上辐射值、向下辐射值、向上光合有效辐射有效值以及向下光合辐射有效值；
利用公式
Figure BDA0002221738450000033
获取所述NDVI指数；
其中，Ru为向上辐射值；Rd为向下辐射值；Pu为向上光合有效辐射值；Pd为向下光合辐射有效值。
进一步地，所述植物冠层参数包括设定位置的太阳辐射透过率，其获取方法为：
获取所述植物冠层顶部的光辐射值，并获取所述设定位置的光辐射值；
利用公式：
Figure BDA0002221738450000034
获取所述设定位置的太阳辐射透过率；
其中，g为设定位置的太阳辐射透过率；Rh为设定位置的光辐射值；Ro为植物冠层顶部的光辐射值。
本发明实施例提供的植物冠层参数测量的装置，能够根据不同作物以及测量的对象参数需求灵活的改变测量结构、尺寸外形、参数指标，实现对冠层多个参数进行同时测量，有效的提高了植物冠层参数测量的效率和适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于植物冠层参数测量的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种用于植物冠层参数测量的装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种用于植物冠层参数测量的装置的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种用于植物冠层参数测量的装置的剖面示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种用于植物冠层参数测量的装置的剖面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对于现阶段农业、林业、植物学以及生产产业等研究领域对作物冠层多参数测量需求，如图1所示，本发明实施例提供一种用于植物冠层参数测量的装置，包括但不限于以下构成：通过通信总线相连接的数据采集处理器1和至少M个集成电路板2，且集成电路板2为柔性结构；每个集成电路板2上设置有N组微单元6，每组微单元包括硅光电池3、红外温度探头4以及TOF测距探头5，N≥M≥1；硅光电池3用于测量植物冠层的总辐射、光合有效辐射或指定波段的光强；红外温度探头4用于测量植物冠层的表面温度；TOF测距探头5用于测量装置距离植物冠层的距离；数据采集处理器1用于收集并处理集成电路板2传输的数据，获取所植物冠层参数。
在本实施例中由焊接在电路板上的多个硅光电池3、多个红外温度探头4以及多个TOF测距探头5构建成一个集成电路板2。各元件的具体排布方式可以是：每个硅光电池3、红外温度探头4以及TOF测距探头5为一组，先构建成一组单独的微单元6，然后在每个集成电路板2上按一定的预设图案集合N组上述微单元6。
具体地，如图2所示，由于每个硅光电池3适用于将光能转化成的电能，因此其输出量是一个模拟量信号，在本实施例中还可以在集成电路板2上设置一个A/D转换单元，用于将每个硅光电池3输出的模拟量信号通过该A/D转换单元转化为数字量信号。进一步地，在每个集成电路板上可以设置8组微单元6，此时A/D转换单元可以为8通道A/D转换器。A/D转换单元的输出端、红外温度探头4的数字量输出端与TOF测距探头5的数字量输出端通过通信总线中继器连接到通信总线中，并传输至数据采集处理器。当集成电路板上设置有8组微单元6时，该通信总线中继器可以是由12通道中继芯片构成的装置。进一步地，该通信中线可以是I2C总线。
另外，在本实施例中提供的用于植物冠层参数测量的装置，可以在该装置上设置M个集成电路板2，每个集成电路2上的硅光电池3、红外温度探头4以及TOF测距探头5的测量方向设置为不同。每个集成电路板2均与通信总线相串联。
进一步地，由于硅光电池3根据型号的不同，可用于测量总辐射、光合有效辐射或指定波段的光强，因此可以根据实际测量需要，在同一个集成电路板2上设置不同型号的硅光电池3，或者在不同的集成电路板2上设置不同型号的硅光电池3。
需要指出的是，在本发明实施例提供的用于植物冠层参数测量的装置，其使用的每个集成电路板2均为柔性材料制成，以致制成的装置也是柔性的，在一定的范围内，可以根据实际需要施加外力，使其形变成不同的外形，以满足不同形式、不同作物、不同规模的测量需求，使其相较于目前常规的参数测量装置的适用性更强。
综上所述，本发明实施例提供的用于植物冠层参数测量的装置，提供的能够根据不同作物以及测量的对象参数需求灵活的改变测量结构、尺寸外形、参数指标，实现对冠层多个参数进行同时测量，有效的提高了植物冠层参数测量的效率和适用性。
基于上述实施例的内容，如图3所示，作为一种可选实施例，若M>1，且集成电路板2均为条状结构，并固设于一柔性棒状安装体21上，则每个集成电路板2沿柔性棒状安装体21的轴向方向串接排布。
具体地，在本实施例中集成电路板2的个数可以是两个或两个以上，每个集成电路板2之间为I2C总线串接模式。
进一步地，可以在每个集成电路板2上预设位置设置电路板接插口23，且相应的在柔性棒状安装体21上同时设置有与该电路板接插口23相对应的固定接插口25，所有的固定接插口25通过I2C总线串接。以通过电路板接插口23和固定接插口25的连接实现每个集成电路板2之间为I2C总线串接模式。
进一步地，在每个集成电路板2上设置有固定孔22，相应的在柔性棒状安装体21上同时设置有与该固定孔22相对应的安装孔24，两者相配合以实现将每个集成电路板2固设在柔性棒状安装体21上。同时在柔性棒状安装体21上安装配套手柄2方便测量安装。另外，还包括由于将该柔性棒状安装体21与数据采集处理器向连接的电缆26。
基于上述实施例的内容，如图4所示，作为一种可选实施例，若M>1且集成电路板2均为圆弧状结构，并固设于一柔性环状安装体31上，每个集成电路板2在环状安装体31上串接排布。
具体地，在本实施例中多个集成电路板2均为圆弧状结构，也是柔性的材质制成，并可以实现一定角度的弯曲。其中，环状安装体可以是圆环状的或者椭圆环状的，对此本发明实施例不作具体的限定。
进一步地，在本发明实施例提供的集成电路板2以及柔性环状安装体31上，对应设置有固定孔和安装孔、电路板接插口和固定接插口，其相互之间的作用与在上述实施例中的作用相同，在此不再一一赘述。
基于上述实施例的内容，如图5所述，作为一种可选实施例，若M>1，集成电路板2均固设于一柔性面状安装体31的表面。
具体地，在本实施例中多个集成电路板2均布设于柔性面状安装体31的表面，需要指出的，在本实施例中不对集成电路板2的具体形状作出限定，可以是上述实施例中记载的棒状或任意形状；也不对柔性面状安装体31的形状作出限定。
进一步地，在本发明实施例提供的用于植物冠层参数测量的装置，在每个集成电路板2的正反两面均设置有微单元6。通过在集成电路板2的正反两面均设置微单元6，能够同时获取两个不同方向测量值，不但有效的降低了测量的劳动量，而且，由于获取的两个不同方向的测量值是同一位置的，便于比较处理，能有效的提高测量的精度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中硅光电池3用于测量植物冠层的总辐射，包括但不限于以下方式：利用集成电路板2的正面微单元6中的硅光电池3获取植物冠层的向上辐射值，并利用集成电路板2的反面微单元6中的硅光电池3获取植物冠层的向下辐射值；计算向上辐射值与向下辐射值的差值，获取植物冠层的总辐射值。
具体地，在本实施例中获取植物冠层的总辐射所使用的装置，可以是上述实施例中的由棒状、环状或者面状安装体构成的参数测量装置中的一种，其中在每个集成电路板2的正反两面均设置有多个微单元6，优选的，吗，每两个微单元6在正反两面对称安装。这样使获取到的取植物冠层的总辐射更接近于真实值。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，植物冠层参数包括结构分布参数，其获取方法为：
根据每个所述TOF测距探头5获取的距离值构建一个多点整距离图；根据获取的多点整距离图进一步获取植物冠层的所述结构分布参数。
具体地，在测量冠层结构分布时，可以使用由上述实施例中的柔性面状安装体31构成的参数测量装置，并将该柔性面状安装体31上的TOF测距探头5朝向被测植物冠层，由此可以计算获取到冠层各个部分距离该柔性面状安装体地31的实际距离。由于该柔性面状安装体31上设置有多个TOF测距探头5，因此可以通过各个TOF测距探头5接收的数据，建立该植物冠层的多点整距离图，通过该多点整距离图则可以获取到该植物冠层的结构分布参数。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，植物冠层参数还可以包括植物冠层的LAI值，该LAI值获取方法为：
根据上述多点整距离图，获取植物冠层的整体角度分布，以获取叶倾角分布参数；
根据测量区域的经纬度及时间，获取天顶角；
利用公式
Figure BDA0002221738450000081
获取植物冠层的LAI值；
其中k为消光系数，
Figure BDA0002221738450000082
Qd为向上辐射值；Qu为向下辐射值；x为叶倾角分布参数；θ为天顶角。
具体地，通过上一实施例记载的内容，获取到待测植物冠层的多点整距离图，该多点整距离图中每个点表示测量装置到冠层的距离，根据各距离值的不同，可以计算获取到待测冠层的整体角度分布，并可以进一步地确定叶倾角分布参数x。
进一步地，通过获取待测植物冠层所在位置的经纬度以及测量时的时间，可以计算出该待测植物冠层所在位置的天顶角θ，在本实施例中对于如何获取该天顶角θ的方法不作具体地限定。
进一步地，其中向上辐射值Qd和向下辐射值Qu可以通过上述任一实施例中提供的参数测量中的硅光电池3获取。
具体地，可以通过在集成电路板2尚设置不同型号的硅光电池3，其中一类硅光电池用于测量全辐射值，另一类硅光电池用于测量有效辐射值。所有的测量全辐射值的硅光电池以及所有的用于测量有效辐射值的硅光电池，均两两对应的设置在集成电路板的正反两面，这样可以通过依次测量获取到向上辐射值Ru、向下辐射值Rd、向上光合有效辐射值Pu和向下光合辐射有效值Pd。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，植物冠层参数还包括NDVI指数，其获取方法为：
获取待测植物冠层的向上辐射值、向下辐射值、向上光合有效辐射有效值以及向下光合辐射有效值；
利用公式
Figure BDA0002221738450000091
获取所述NDVI指数；
其中，Ru为向上辐射值；Rd为向下辐射值；Pu为向上光合有效辐射值；Pd为向下光合辐射有效值，并进一步地，利用上述NDVI指数计算公式进行计算，获取待测植物冠层的NDVI指数。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，植物冠层参数包括设定位置的太阳辐射透过率，其获取方法为：
获取植物冠层顶部的光辐射值，并获取设定位置的光辐射值；
利用公式：
Figure BDA0002221738450000092
获取设定位置的太阳辐射透过率；
其中，g为设定位置的太阳辐射透过率；Rh为设定位置的光辐射值；Ro为植物冠层顶部的光辐射值。
其中，光辐射值Rh与待测植物冠层的测量高度有关，通过获取不同测量位置的光辐射值Rh，并结合该位置的植物冠层顶部的光辐射值，可以获取到该待测植物冠层不同高度位置的太阳辐射透过率。
本发明实施例提供的植物冠层参数测量的装置，能够根据不同作物以及测量的对象参数需求灵活的改变测量结构、尺寸外形、参数指标，实现对冠层多个参数进行同时测量，有效的提高了植物冠层参数测量的效率和适用性。
图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：收集并处理所述集成电路板传输的数据，获取所述植物冠层参数
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：接收智能电视发送的电视节目的节目信息和实时心率信息，所述节目信息包括：收集并处理所述集成电路板传输的数据，获取所述植物冠层参数
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，包括：通过通信总线相连接的数据采集处理器和至少M个集成电路板，所述集成电路板为柔性结构；
所述集成电路板上设置有N组微单元，每组所述微单元包括硅光电池、红外温度探头以及TOF测距探头，N≥M≥1；
所述硅光电池用于测量植物冠层的总辐射、光合有效辐射或指定波段的光强；所述红外温度探头用于测量所述植物冠层的表面温度；所述TOF测距探头用于测量所述装置距离所述植物冠层的距离；
所述数据采集处理器用于收集并处理所述集成电路板传输的数据，获取所述植物冠层参数；
所述植物冠层参数包括结构分布参数，其获取方法为：根据每个所述TOF测距探头获取的距离值构建一个多点整距离图；根据所述多点整距离图获取所述植物冠层的所述结构分布参数；
所述植物冠层参数还包括所述植物冠层的LAI值，其获取方法为：
根据所述多点整距离图，获取所述植物冠层的整体角度分布，以获取叶倾角分布参数；
根据测量区域的经纬度及时间，获取天顶角；
利用公式
Figure FDA0003207195900000011
获取所述植物冠层的LAI值；
其中，k为消光系数，
Figure FDA0003207195900000012
Qu为向上辐射值；Qd为向下辐射值；x为叶倾角分布参数；θ为天顶角；
其中，向上辐射值Qu和向下辐射值Qd是利用所述硅光电池获取的；通过在所述集成电路板上设置不同型号的硅光电池；其中一类硅光电池用于测量全辐射值，另一类硅光电池用于测量有效辐射值，所有的用于测量全辐射值的硅光电池以及所有的用于测量有效辐射值的硅光电池，均两两对应的设置在所述集成电路板的正反两面；
则设置在所述集成电路板的正面的一类用于测量全辐射值的硅光电池所采集的数据为向上辐射值Qu；设置在所述集成电路板的反面的一类用于测量全辐射值的硅光电池所采集的数据为向下辐射值Qd。
2.根据权利要求1所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，若M>1，所述集成电路板均为条状结构，并固设于一柔性棒状安装体上，则每个所述集成电路板沿所述柔性棒状安装体的轴向方向串接排布。
3.根据权利要求1所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，若M>1，所述集成电路板均为圆弧状结构，并固设于一柔性环状安装体上，每个所述集成电路板在所述环状安装体上串接排布。
4.根据权利要求1所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，若M>1，所述集成电路板均固设于一柔性面状安装体的表面。
5.根据权利要求2、3或4任一所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，在所述集成电路板的正反两面均设置有所述微单元。
6.根据权利要求5所述的用于植物冠层参数测量的装置，所述硅光电池用于测量植物冠层的总辐射，包括：
利用所述集成电路板的正面微单元中的所述硅光电池获取所述植物冠层的向上辐射值，并利用所述集成电路板的反面微单元中的所述硅光电池获取所述植物冠层的向下辐射值；计算所述向上辐射值与所述向下辐射值的差值，获取所述植物冠层的总辐射值。
7.根据权利要求5所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，所述植物冠层参数包括NDVI指数，其获取方法为：
获取所述植物冠层的向上辐射值、向下辐射值、向上光合有效辐射值以及向下光合有效辐射值；
利用公式
Figure FDA0003207195900000021
获取所述NDVI指数；
其中，Pu为向上光合有效辐射值；Pd为向下光合辐射有效值；
其中，设置在所述集成电路板的正面的另一类用于测量有效辐射值的硅光电池所采集的数据为向上光合有效辐射值Pu；设置在所述集成电路板的反面的另一类用于测量有效辐射值的硅光电池所采集的数据为向下光合有效辐射值Pd。
8.根据权利要求6所述的用于植物冠层参数测量的装置，其特征在于，所述植物冠层参数包括设定位置的太阳辐射透过率，其获取方法为：
获取所述植物冠层顶部的光辐射值，并获取所述设定位置的光辐射值；
利用公式：
Figure FDA0003207195900000031
获取所述设定位置的太阳辐射透过率；
其中，g为设定位置的太阳辐射透过率；Rh为设定位置的光辐射值；Ro为植物冠层顶部的光辐射值。
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