一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法，包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器、接收傳感器、控制器、電源電路、探桿。該裝置具有機(jī)動(dòng)靈活、快速、無損測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，可用來開展針對(duì)不同高度植被在指定高度處的葉面積體密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法，屬于遙感儀器及農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】 。
【背景技術(shù)】
[0002]植被對(duì)于人類的生存和活動(dòng)具有十分重要的意義，但是由于植被三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和多樣性，對(duì)植被結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)進(jìn)行定量評(píng)估的研究具有相當(dāng)?shù)碾y度。對(duì)植被冠層觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取，與建立數(shù)學(xué)模型的研究具有同等重要的意義。植被結(jié)構(gòu)是隨著植物的種類、生長(zhǎng)階段、分布方式的變化而變化的。在定量遙感中它大致可分為水平均勻植被(連續(xù)植被)和離散植被(不連續(xù)植被)兩種。兩者之間并無嚴(yán)格界線。草地、幼林、生長(zhǎng)茂盛的農(nóng)作物等多屬前者，而稀疏林地、果園、灌叢等多屬后者。植被結(jié)構(gòu)可通過一組特征參數(shù)來描述和表達(dá)，如葉面積指數(shù)LAI (定義為單位地表面積上方植物單葉面積的總和)、葉面積體密度FAVD(定義為某一高度上單位體積內(nèi)葉面積的總和)、空隙率(或間隙率)、葉傾角分布LAD(分為均勻型、球面型、傾斜型等)。
[0003]但目前與遙感數(shù)據(jù)相配套的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取仍不盡人意，對(duì)植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量，特別是對(duì)林木樹冠的葉面積指數(shù)(LAI)和葉傾角分布(LAD)，這些冠層反射模型中主要反演的參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量方法及其實(shí)現(xiàn)都還在探索之中。對(duì)于水平均勻植被的葉面積指數(shù)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法均基于對(duì)植株的破壞性測(cè)量，即將待測(cè)葉片全部剪下逐葉測(cè)量葉面積。常用的方法有直接測(cè)量法，標(biāo)準(zhǔn)形狀法，基于葉面形狀模型的公式計(jì)算法，基于葉面積和葉重量之間關(guān)系的稱重法，以及使用光面積計(jì)的測(cè)量法。在野外進(jìn)行的間接測(cè)量方法有:接觸頻率法，即用一根細(xì)長(zhǎng)桿從不同方向插人植被，記錄長(zhǎng)桿觸及葉或莖的高度和次數(shù)，用從不同方向插人多次的記錄結(jié)果計(jì)算植被的葉面積指數(shù)和全植被指數(shù)。近年來使用的LAI2000儀器，則利用植被下不同方向測(cè)得的電磁輻射強(qiáng)度與附近空曠處測(cè)得值的比值來計(jì)算植被的LAI。對(duì)于不連續(xù)植被，A.R.G.Lang和項(xiàng)月琴等曾在根據(jù)太陽直接輻射在冠層內(nèi)的透過率推算水平均勻冠層的葉面積指數(shù)的基礎(chǔ)上，將這一方法推廣到冠層中有較大空隙的情況。這里所用方法的原理與上述的間接測(cè)量方法相似，將太陽光線視作插人冠層的探針，通過測(cè)量空隙率推算葉面積指數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)觀測(cè)對(duì)象在指定位置、指定高度葉面積體密度的精確觀測(cè)，并且該平臺(tái)具有便攜的特點(diǎn)。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法，所述一種葉面積體密度測(cè)量裝置包括:半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器、接收傳感器、控制器、電源電路、探桿等組成。所述探桿為本系統(tǒng)的儀器主體框架，呈魚叉結(jié)構(gòu)，以方便插入被測(cè)作物冠層內(nèi)部，其中，平行的兩個(gè)直桿為儀器的光學(xué)探測(cè)部分，兩個(gè)直桿的距離為50cm或者100cm，其中一個(gè)直桿末端安裝一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光器，激光器發(fā)射的光束垂直指向安裝在另外一個(gè)直桿末端的接收傳感器。其中的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的波長(zhǎng)小于500nm，激光器前端安裝一個(gè)小角度擴(kuò)束器，擴(kuò)大激光光斑，該光斑直徑大于接收傳感器的光敏感面。接收傳感器為面形硅光探測(cè)器，探測(cè)器上方安裝半波寬為IOnm帶通濾光片，該濾光片的截止通過波長(zhǎng)與半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，僅僅通過以該波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)的窄帶光譜。濾光片的上方為漫散射片，具體為聚四氟乙烯薄片，漫散射器的上方為圓形的限制光闌。上述的光學(xué)探測(cè)部分可以有多組。所述控制器由微控制器、GPS模塊、電子氣壓計(jì)傳感器、恒流輸出控制器、人機(jī)接口、放大電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。微控制器為控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通過該微控制器的IIC接口連接電子氣壓計(jì)傳感器BMP085，通過第UARTl接口連接GPS模塊NEO-6M，通過第I管腳控制恒流輸出控制器的通斷，以控制半導(dǎo)體激光器是否發(fā)光。人機(jī)接口包括一個(gè)測(cè)量按鍵、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)顯示屏和一個(gè)RS232接口。微控制器通過第2管腳連接測(cè)量按鍵，通過第3管腳連接蜂鳴器，通過第4，5，6管腳連接顯示屏，該顯示屏為自帶字庫的智能液晶屏LCM122324。微控制器還通過其模擬輸入接口 Al同時(shí)連接放大電路，放大電路連接硅光探測(cè)器的電流輸出管腳。放大電路采用的運(yùn)放為OPA2335，運(yùn)放的輸出端OutA連接微控制器的Al管腳，運(yùn)放的輸入管腳-1nA和+InB分別連接探測(cè)器的兩個(gè)管腳。微控制器通過SPIO接口連接存儲(chǔ)電路，該存儲(chǔ)電路的存儲(chǔ)芯片為AT45DB161D0微控制器通過其第二串行口連接電平轉(zhuǎn)換芯片SP3223，再連接到RS232接口。所述電源電路由可充電鋰離子電池、充放電控制器、充電接口組成。充放電控制器連接鋰離子電池、充電接口和其他工作電路。
[0008]所述葉面積密度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方法包括，
[0009]I)選擇特定高度的測(cè)量冠層，將探桿插入冠層內(nèi)部，然后按下測(cè)量按鍵，儀器首先測(cè)量沒有激光發(fā)射時(shí)的接收值最為背景值，然后自動(dòng)控制激光發(fā)光，測(cè)量有激光情況下的傳感器數(shù)值。
[0010]2)每次按鍵按下，都會(huì)同時(shí)測(cè)量背景值a和有激光情況下的傳感器值b，利用(b-a)/A計(jì)算透過率，其中A為黑暗環(huán)境下激光發(fā)射條件下的接收傳感器的測(cè)量值，并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的保存格式為日期+時(shí)間+經(jīng)度+緯度+GPS高度值+電子氣壓計(jì)高度值+透過率。
[0011]3)保持水平高度不變的情況下，在冠層內(nèi)部移動(dòng)探桿，并進(jìn)行多次測(cè)量。
[0012]4)結(jié)合高度計(jì)給出的高度數(shù)值，測(cè)量其他高度的冠層。
[0013]5)將保存的數(shù)據(jù)通過RS232接口導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的高度值對(duì)同層的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到平均透過率，并利用遙感學(xué)中的間隙率模型計(jì)算不同層的葉面積體密度。
[0014](三)有益效果
[0015]上述技術(shù)方案所提供的一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法，其包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器、接收傳感器、控制器、電源電路、探桿。該葉面積體密度測(cè)量裝置可以對(duì)作物、樹木等不同研究對(duì)象的葉面積體密度進(jìn)行快速無損測(cè)量，可以廣泛應(yīng)用在遙感與生態(tài)研究中。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法光學(xué)探測(cè)部分結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法的控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中，1:半導(dǎo)體激光器；2:擴(kuò)束器；3:接收傳感器；4:控制器；5:電源電路；6:探桿；7:光闌；8:漫散射片；9:硅光探測(cè)器；10:微控制器；11:GPS模塊12:電子氣壓計(jì)傳感器；13:RS232接口 ；14:顯示屏；15:放大電路；16:存儲(chǔ)電路；17:按鍵；18:蜂鳴器；19:恒流輸出控制器；20:帶通濾光片。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0021]結(jié)合圖1和圖2，為本實(shí)施例的一種葉面積體密度測(cè)量裝置與方法的結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)探測(cè)部分結(jié)構(gòu)示意圖，葉面積體密度測(cè)量裝置，包括:半導(dǎo)體激光器1、擴(kuò)束器2、接收傳感器3、控制器4、電源電路5、探桿6。所述探桿6為本系統(tǒng)的儀器主體框架，呈魚叉結(jié)構(gòu)，以方便插入被測(cè)作物冠層內(nèi)部，其中，平行的兩個(gè)直桿為儀器的光學(xué)探測(cè)部分，兩個(gè)直桿的距離為50cm或者100cm，其中一個(gè)直桿末端安裝一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光器1，激光器發(fā)射的光束垂直指向安裝在另外一個(gè)直桿末端的接收傳感器3。其中的半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的波長(zhǎng)小于500nm,激光器前端安裝一個(gè)小角度擴(kuò)束器2,擴(kuò)大激光光斑,該光斑直徑大于接收傳感器3的光敏感面。接收傳感器3為面形硅光探測(cè)器9，探測(cè)器上方安裝半波寬為IOnm帶通濾光片20，該濾光片的截止通過波長(zhǎng)與半導(dǎo)體激光器I的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，僅僅通過以該波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)的窄帶光譜。濾光片的上方為漫散射片8，具體為聚四氟乙烯薄片，漫散射器8的上方為圓形的限制光闌7。上述的光學(xué)探測(cè)部分可以有多組。
[0022]如圖3所示，所述控制器由微控制器10、GPS模塊11、電子氣壓計(jì)傳感器12、恒流輸出控制器19、人機(jī)接口、放大電路15、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路16組成。微控制器10為控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通過該微控制器10的IIC接口連接電子氣壓計(jì)傳感器BMP085，通過第UARTl接口連接GPS模塊NE0-6M，通過第I管腳控制恒流輸出控制器的通斷，以控制半導(dǎo)體激光器I是否發(fā)光。人機(jī)接口包括一個(gè)測(cè)量按鍵17、一個(gè)蜂鳴器18、一個(gè)顯示屏14和一個(gè)RS232接口 13。微控制器10通過第2管腳連接測(cè)量按鍵，通過第3管腳連接蜂鳴器18，通過第4，5，6管腳連接顯示屏14，該顯示屏為自帶字庫的智能液晶屏LCM122324。微控制器10還通過其模擬輸入接口 Al同時(shí)連接放大電路15，放大電路15連接硅光探測(cè)器9的電流輸出管腳。放大電路15采用的運(yùn)放為0PA2335，運(yùn)放的輸出端OutA連接微控制器10的Al管腳，運(yùn)放的輸入管腳-1nA和+InB分別連接硅光探測(cè)器9的兩個(gè)管腳。微控制器10通過SPIO接口連接存儲(chǔ)電路16，該存儲(chǔ)電路的存儲(chǔ)芯片為AT45DB161D。微控制器10通過其第二串行口連接電平轉(zhuǎn)換芯片SP3223，再連接到RS232接口 13。所述電源電路5由可充電鋰離子電池、充放電控制器、充電接口組成。充放電控制器連接鋰離子電池、充電接口和其他工作電路。
[0023]所述葉面積密度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方法包括，
[0024]I)選擇特定高度的測(cè)量冠層，將探桿插入冠層內(nèi)部，然后按下測(cè)量按鍵，儀器首先測(cè)量沒有激光發(fā)射時(shí)的接收值最為背景值，然后自動(dòng)控制激光發(fā)光，測(cè)量有激光情況下的傳感器數(shù)值。
[0025]2)每次按鍵按下，都會(huì)同時(shí)測(cè)量背景值a和有激光情況下的傳感器值b，利用(b-a)/A計(jì)算透過率，其中A為黑暗環(huán)境下激光發(fā)射條件下的接收傳感器的測(cè)量值，并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的保存格式為日期+時(shí)間+經(jīng)度+緯度+GPS高度值+電子氣壓計(jì)高度值+透過率。
[0026]3)保持水平高度不變的情況下，在冠層內(nèi)部移動(dòng)探桿，并進(jìn)行多次測(cè)量。
[0027]4)結(jié)合高度計(jì)給出的高度數(shù)值，測(cè)量其他高度的冠層。
[0028]5)將保存的數(shù)據(jù)通過RS232接口導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的高度值對(duì)同層的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到平均透過率，并利用遙感學(xué)中的間隙率模型計(jì)算不同層的葉面積體密度。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種葉面積體密度測(cè)量裝置，包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束器、控制器、電源電路，其特征在于該裝置還包括接收傳感器、探桿；所述探桿為本系統(tǒng)的儀器主體框架，呈魚叉結(jié)構(gòu)，平行的兩個(gè)直桿為儀器的光學(xué)探測(cè)部分，兩個(gè)直桿的距離為50cm或者100cm，其中一個(gè)直桿末端安裝一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光器，激光器發(fā)射的光束垂直指向安裝在另外一個(gè)直桿末端的接收傳感器；所述的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的波長(zhǎng)小于500nm，激光器前端安裝一個(gè)小角度擴(kuò)束器，擴(kuò)大激光光斑，該光斑大于接收傳感器的光敏感面；所述接收傳感器為面形硅光探測(cè)器，探測(cè)器上方安裝半波寬為IOnm帶通濾光片，該濾光片的截止通過波長(zhǎng)與半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，僅僅通過以該波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)的窄帶光譜；濾光片的上方為聚四氟乙烯薄片型的漫散射片，漫散射片的上方為圓形的限制光闌；所述控制器由微控制器、GPS模塊、電子氣壓計(jì)傳感器、恒流輸出控制器、人機(jī)接口、放大電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成；微控制器為控制核心，使用的是16位微控制器MSP430F1611，通過該微控制器的IIC接口連接電子氣壓計(jì)傳感器BMP085，通過第UARTl接口連接GPS模塊NEO-6M，通過第I管腳控制恒流輸出控制器的通斷，以控制半導(dǎo)體激光器是否發(fā)光；人機(jī)接口包括測(cè)量按鍵、蜂鳴器、顯示屏和RS232接口 ；微控制器通過第2管腳連接測(cè)量按鍵，通過第3管腳連接蜂鳴器，通過第4,5, 6管腳連接顯示屏，該顯示屏為自帶字庫的智能液晶屏LCM122324 ;微控制器還通過其模擬輸入接口 Al同時(shí)連接放大電路，放大電路連接硅光探測(cè)器的電流輸出管腳；放大電路采用的運(yùn)放為OPA2335，運(yùn)放的輸出端OutA連接微控制器的Al管腳，運(yùn)放的輸入管腳-1nA和+InB分別連接探測(cè)器的兩個(gè)管腳；微控制器通過SPIO接口連接存儲(chǔ)電路，該存儲(chǔ)電路的存儲(chǔ)芯片為AT45DB161D ;微控制器通過其第二串行口連接電平轉(zhuǎn)換芯片SP3223，再連接到RS232 接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉面積體密度測(cè)量裝置，其特征在于，所述電源電路由可充電鋰離子電池、充放電控制器、充電接口組成；充放電控制器連接鋰離子電池、充電接口和其他工作電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉面積體密度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括下面的步驟: S1:選擇特定高度的測(cè)量冠層，將探桿插入冠層內(nèi)部，然后按下測(cè)量按鍵，儀器首先測(cè)量沒有激光發(fā)射時(shí)的接收值最為背景值，然后自動(dòng)控制激光發(fā)光，測(cè)量有激光情況下的傳感器數(shù)值； 52:每次按鍵按下，都會(huì)同時(shí)測(cè)量背景值a和有激光情況下的傳感器值b，利用(b-a)/A計(jì)算透過率，其中A為黑暗環(huán)境下激光發(fā)射條件下的接收傳感器的測(cè)量值，并自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的保存格式為日期+時(shí)間+經(jīng)度+緯度+GPS高度值+電子氣壓計(jì)高度值+透過率； 53:保持水平高度不變的情況下，在冠層內(nèi)部移動(dòng)探桿，并進(jìn)行多次測(cè)量； 54:結(jié)合高度計(jì)給出的高度數(shù)值，測(cè)量其他高度的冠層； 55:將保存的數(shù)據(jù)通過RS232接口導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的高度值對(duì)同層的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到平均透過率，并利用遙感學(xué)中的間隙率模型計(jì)算不同層的葉面積體密度。
【文檔編號(hào)】G01B11/28GK103528920SQ201310499198
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】高帥, 孫剛, 牛錚, 王力, 黃文江, 鄔明權(quán), 黃妮, 占玉林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所