本發(fā)明涉及一種林木葉面積指數(shù)監(jiān)測裝置及其測量方法，具體涉及一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)控裝置及其測量方法，屬于森林生態(tài)檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

林木葉面積指數(shù)LAI(Leaf Area Idex)是指單位土地面積上植被葉片單面面積的總和，是生態(tài)環(huán)境評估、森林固炭能力研究、植物生態(tài)學研究的重要指標之一，獲取林木葉面積指數(shù)具有重要意義。

林木冠層葉面積指數(shù)可以通過直接測量和間接測量的方式獲取。直接測量法多采用人工手動的方式進行測量，耗時、費力、成本高、效率低且具有破壞性，因此，在進行生態(tài)學、林學研究的過程中多采用間接測量法。間接測量法包括斜點樣方法、基于輻射的方法、孔隙度反演法等。斜點樣方法通過細長的探針以一定的角度刺入林木冠層，統(tǒng)計探針穿透葉片的次數(shù)，根據(jù)相應(yīng)計算公式計算葉面積指數(shù)；基于輻射的方法利用太陽光線穿過介質(zhì)時的削弱效果判定介質(zhì)的特性，將林木冠層看作具有一定分布規(guī)律的介質(zhì)，計算陽光的輻射透過率，利用泊松(Beer-Lambert)模型計算葉面積指數(shù)；孔隙度反演法因其操作簡單計算方便近年來備受眾多學者推崇，葉面積指數(shù)測量時，首先，通過成像設(shè)備獲取林木冠層圖像，再由冠層圖像計算冠層孔隙度，最后由孔隙度計算葉面積指數(shù)。根據(jù)各種各樣的葉面積指數(shù)測量方法出現(xiàn)了AccuPAR、TRAC、HemiView、LAI-2000、CI-110、MVI等眾多可用于測量葉面積指數(shù)的設(shè)備，但這些設(shè)備測量精度有限且成本較高，仍具有一定的完善空間。

現(xiàn)有葉面積指數(shù)測量儀器大多采取人工手動操作的方式進行實地測量，不適合對林木葉面積指數(shù)長時間的實時監(jiān)測，不具備遠程控制、自動、實時、高效的特點。在已公開的發(fā)明專利中，專利CN102538717A.“葉面積指數(shù)自動觀測系統(tǒng)及其方法”，專利CN105004327A.“一種基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)”，專利CN104359428A.“一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀及其測量裝置”，首先，以上發(fā)明專利無線傳輸模塊多采用GPRS模塊或無遠程無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸效率較3G無線模塊略遜一籌，3G無線模塊可兼容多種通信協(xié)議，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩剑黄浯?，在?shù)據(jù)處理方面，這些裝置大多不具備現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)的能力，而是將采集到的數(shù)據(jù)帶回實驗室處理或?qū)?shù)據(jù)遠程傳輸至服務(wù)器處理，而具備現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)能力的裝置不具備遠程通信的能力；最后，以上裝置在工作時多是單一的工作模式，不能根據(jù)實際需要進行不同工作模式的選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。

鑒于此，發(fā)明提供了一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置及其測量方法，實現(xiàn)實時、遠程控制、自動、高效的獲取林木葉面積指數(shù)。

方案一：本發(fā)明提出的一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置，包括器件箱和三角支架，器件箱置于三角支架上，所述器件箱內(nèi)包括測量部分、無線傳輸部分和供電部分，所述測量部分包括DSP控制板、顯示屏、水平調(diào)整舵機、垂直調(diào)整舵機和工業(yè)相機，所述DSP控制板輸出端分別連接顯示屏、水平調(diào)整舵機和垂直調(diào)整舵機，所述DSP控制板帶有SD卡插槽、按鍵和USB接口，所述工業(yè)相機通過USB接口與DSP控制板連接，所述工業(yè)相機安裝在垂直調(diào)整舵機的支架上，并隨著垂直調(diào)整舵機轉(zhuǎn)動，所述垂直調(diào)整舵機安裝在水平調(diào)整舵機的支架上，并隨著水平調(diào)整舵機轉(zhuǎn)動，所述無線傳輸部分通過數(shù)據(jù)線與DSP控制板的USB接口相連，所述供電部分為測量部分和無線傳輸部分供電。

進一步地：所述無線傳輸部分為3G無線模塊，用于通過Internet和服務(wù)器與遠程PC或移動智能設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接、遠程數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制信號的接收。

進一步地：所述供電部分包括太陽能板、充電控制器、蓄電池、時控開關(guān)和穩(wěn)壓變壓模塊，所述太陽能板置于器件箱的外部，充電控制器、蓄電池、時控開關(guān)和穩(wěn)壓變壓模塊置于器件箱的內(nèi)部，太陽能板的輸出端與充電控制器的輸入端連接，充電控制器的輸出端與蓄電池的輸入端連接，蓄電池的輸出端與時控開關(guān)的輸入端連接，時控開關(guān)的輸出端與穩(wěn)壓變壓模塊的輸入端連接，穩(wěn)壓變壓模塊的輸出端為供電部分的輸出端，為測量部分和無線傳輸部分供電。

進一步地：所述供電部分的輸出端串聯(lián)保險管，供電回路上設(shè)有電源開關(guān)和時控開關(guān)，保險管用于防止因電路故障損毀其他電路器件，電源開關(guān)用于控制測量部分和無線傳輸部分的供電，時控開關(guān)用于設(shè)定電路通斷的周期，可有效節(jié)省電力，降低電路器件的損耗。

進一步地：所述器件箱的材質(zhì)為防水防曬的塑膠材料，器件箱上蓋設(shè)有透明半球防水罩，器件箱的底部設(shè)有防水散熱罩，所述防水散熱罩下端敞口，上端與器件箱連通，可以實現(xiàn)器件箱內(nèi)的通風散熱，保證電路器件工作環(huán)境。

進一步地：所述三角支架包括固定腳、支撐桿和載物臺，所述固定腳通過轉(zhuǎn)軸與支撐桿連接，支撐桿頂部經(jīng)固定與載物臺連接，所述載物臺用于放置并固定器件箱和太陽能板。

方案二：本發(fā)明提出的一種林木葉面積指數(shù)遠程測量方法，該方法是基于方案一所述一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置實現(xiàn)的，具體步驟：

利用測量部分的DSP控制板實現(xiàn)整個系統(tǒng)的器件功能控制、圖像處理和葉面積指數(shù)的計算，系統(tǒng)工作時由下向上拍攝林木冠層圖像，獲得圖像為RGB彩色圖像，其中R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍色分量，需對RGB圖像進行中值濾波處理，對處理后RGB圖像提取B分量圖像，應(yīng)用蟻群聚類算法對B分量圖像進行聚類分割，將聚類分割結(jié)果分為兩類，分別為植被區(qū)域和天空區(qū)域，統(tǒng)計兩類的像元的數(shù)量，由此計算孔隙度，再根據(jù)Beer-Lambert定律等理論，由葉面積指數(shù)與孔隙度的關(guān)系計算葉面積指數(shù)，并通過3G無線模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明所達到的效果為：

本發(fā)明針對現(xiàn)有孔隙度反演法獲取葉面積指數(shù)中出現(xiàn)的問題，提出了一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置及其測量方法。與已有公開發(fā)明相比較，本發(fā)明采取3G無線模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率更高并且兼容多種通信協(xié)議，支持功能更多，充分利用了飛速發(fā)展的現(xiàn)代通信技術(shù)，滿足人們對通信能力的要求；本發(fā)明采用DSP芯片作為控制與數(shù)據(jù)處理芯片，既能實現(xiàn)對整個設(shè)備的控制，又能完成較復雜的圖像處理過程和數(shù)學運算，可在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)處理，計算得到葉面積指數(shù)，這在其他同類發(fā)明中鮮有發(fā)生；本發(fā)明可根據(jù)需要遠程設(shè)定設(shè)備的工作模式，可遠程傳輸葉面積指數(shù)的測量結(jié)果、林木冠層圖像和相關(guān)設(shè)備參數(shù)等，數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容可選，可設(shè)置裝置的待機工作時間周期，節(jié)省了電能，并且延長了裝置的使用壽命，使裝置的工作過程更加人性化。具體地：

1、通過時控開關(guān)可設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)的有效待機工作時間，準備接收控制信號或數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了電力和器件損耗。

2、遠程控制與數(shù)據(jù)傳輸通過無線傳輸部分的3G無線模塊實現(xiàn)，3G無線模塊具有傳輸速度快支持功能多的特點，通過3G模塊實現(xiàn)遠程工業(yè)相機角度調(diào)整、拍照控制、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)工作模式設(shè)定，節(jié)省人力和時間。

3、DSP控制板具有圖像處理和數(shù)據(jù)運算的功能，可實現(xiàn)通過林木冠層圖像計算LAI的功能，DSP控制板上的SD卡用于存儲圖像與LAI的原始數(shù)據(jù)，以備隨時調(diào)用，DSP控制板上的顯示屏用于顯示計算得到的LAI結(jié)果，節(jié)省后期的數(shù)據(jù)處理步驟，方便高效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明器件箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；

圖中：10-器件箱；101-充電控制器；102-蓄電池；103-時控開關(guān)；104-穩(wěn)壓變壓模塊；105-3G無線模塊；106-保險管；107-電源開關(guān)；108-透明半球防水罩；109-防水散熱罩；120-DSP控制板；1201-SD卡插槽；1202-按鍵；1203-USB接口；121-顯示屏；122-水平調(diào)整舵機；123-垂直調(diào)整舵機；124-工業(yè)相機；20-三角支架；201-載物臺；202-支撐桿；203-固定腳；30-太陽能板。

具體實施方式

在下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示范性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本發(fā)明公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細節(jié)。

如附圖1至圖3所示本發(fā)明的實施例提供了一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置，包括器件箱10和三角支架20，器件箱10置于三角支架20上，所述器件箱10內(nèi)包括測量部分、無線傳輸部分和供電部分，所述測量部分包括DSP控制板120、顯示屏121、水平調(diào)整舵機122、垂直調(diào)整舵機123和工業(yè)相機124，所述DSP控制板120輸出端分別連接顯示屏121、水平調(diào)整舵機122和垂直調(diào)整舵機123，所述DSP控制板120帶有SD卡插槽1201、按鍵1202和USB接口1203，所述工業(yè)相機124通過USB接口1203與DSP控制板120連接，所述工業(yè)相機124安裝在垂直調(diào)整舵機123的支架上，并隨著垂直調(diào)整舵機123轉(zhuǎn)動，所述垂直調(diào)整舵機123安裝在水平調(diào)整舵機122的支架上，并隨著水平調(diào)整舵機122轉(zhuǎn)動，所述無線傳輸部分通過數(shù)據(jù)線與DSP控制板120的USB接口1203相連，所述供電部分為測量部分和無線傳輸部分供電。所述無線傳輸部分為3G無線模塊105，用于通過Internet和服務(wù)器與遠程PC或移動智能設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接、遠程數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制信號的接收。所述供電部分包括太陽能板30、充電控制器101、蓄電池102、時控開關(guān)103和穩(wěn)壓變壓模塊104，所述太陽能板30置于器件箱10的外部，充電控制器101、蓄電池102、時控開關(guān)103和穩(wěn)壓變壓模塊104置于器件箱10的內(nèi)部，太陽能板30的輸出端與充電控制器101的輸入端連接，充電控制器101的輸出端與蓄電池102的輸入端連接，蓄電池102的輸出端與時控開關(guān)103的輸入端連接，時控開關(guān)103的輸出端與穩(wěn)壓變壓模塊104的輸入端連接，穩(wěn)壓變壓模塊104的輸出端為供電部分的輸出端，為測量部分和無線傳輸部分供電。所述供電部分的輸出端串聯(lián)保險管106，供電回路上設(shè)有電源開關(guān)107和時控開關(guān)103，保險管用于防止因電路故障損毀其他電路器件，電源開關(guān)用于控制測量部分和無線傳輸部分的供電，時控開關(guān)103用于設(shè)定電路通斷的周期，可有效節(jié)省電力，降低電路器件的損耗。所述器件箱10的材質(zhì)為防水防曬的塑膠材料，器件箱10上蓋設(shè)有透明半球防水罩108，器件箱10的底部設(shè)有防水散熱罩109，所述防水散熱罩109下端敞口，上端與器件箱10連通，可以實現(xiàn)器件箱內(nèi)的通風散熱，保證電路器件工作環(huán)境。所述三角支架20包括固定腳203、支撐桿202和載物臺201，所述固定腳203通過轉(zhuǎn)軸與支撐桿202連接，支撐桿202頂部經(jīng)固定與載物臺201連接，所述載物臺201用于放置并固定器件箱10和太陽能板30。

本實施方式提出的一種林木葉面積指數(shù)遠程測量方法，該方法是基于所述一種林木葉面積指數(shù)遠程監(jiān)測裝置實現(xiàn)的，具體步驟：

利用測量部分的DSP控制板120實現(xiàn)整個系統(tǒng)的器件功能控制、圖像處理和葉面積指數(shù)的計算，系統(tǒng)工作時由下向上拍攝林木冠層圖像，獲得圖像為RGB彩色圖像，其中R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍色分量，需對RGB圖像進行中值濾波處理，所述中值濾波處理的步驟為：

1.提取RGB圖形的三個分量，選取適當模版，分別對R、G、B三分量進行中值濾波處理；

2.將濾波后的R、G、B三分量合成RGB彩色圖像。

根據(jù)中值濾波處理后的RGB圖像，提取B分量圖像，應(yīng)用蟻群聚類算法對B分量圖像進行聚類分割，

所述蟻群聚類算法步驟如下：

1.初始化參數(shù)，包括分類個數(shù)k、種群大小m、分類原則閾值p₀、信息素矩陣τ_ij；

2.根據(jù)產(chǎn)生的均勻分布的數(shù)組與分類原則閾值p₀進行比較，確定分類原則并根據(jù)信息素矩陣τ_ij的數(shù)據(jù)進行分類；

3.對包含N個元素的每個螞蟻的解，計算類中心V_j、權(quán)重矩陣μ_ij、目標函數(shù)F(μ,V)，其中：類中心V_j為類內(nèi)均值，

4.對所有螞蟻的解進行局部尋優(yōu)，提高解的質(zhì)量；

5.根據(jù)目標函數(shù)值確定L個最優(yōu)解，L<m，更新信息素矩陣：

其中，

6.根據(jù)迭代次數(shù)和目標函數(shù)判斷是否滿足結(jié)束條件，否則，執(zhí)行步驟2。

將聚類分割結(jié)果分為兩類，分別為植被區(qū)域和天空區(qū)域，統(tǒng)計兩類的像元的數(shù)量，應(yīng)用公式計算孔隙度，式中T表示孔隙度，N₀表示天空區(qū)域像元個數(shù)，N₁表示植被部分像元個數(shù)，可以根據(jù)Beer-Lambert定律，葉面積指數(shù)與孔隙度的關(guān)系為：式中LAI為葉面積指數(shù)，T(θ)為天頂角為θ時的孔隙度，G(θ,α)為天頂角為θ、葉傾角為α的投影函數(shù)，當θ＝57.5°時，G(θ,α)＝0.5且與葉傾角α無關(guān)，因此葉面積指數(shù)公式表示為：計算天頂角為57.5°位置的葉面積指數(shù)，通過3G無線模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。

葉面積指數(shù)測量工作步驟如下：

1.裝置安放。選擇合適的監(jiān)測地點，監(jiān)測地點附近須有直射陽光以便使用太陽能板30給蓄電池102供電；將固定腳203埋于地下，使裝置固定在地面上以防風雨的侵襲。

2.角度調(diào)整。應(yīng)用DSP控制板120上的按鍵1202調(diào)整工業(yè)相機124的角度使其水平向上；調(diào)整太陽能板30的傾斜角度和方向使其充分的獲取太陽能。

3.參數(shù)設(shè)置。設(shè)置時控開關(guān)103的通斷周期以實現(xiàn)供電部分合理的對系統(tǒng)供電；設(shè)置工業(yè)相機124的技術(shù)參數(shù)保證獲取圖像的質(zhì)量。

4.功能測試。將監(jiān)測裝置上電，測試工業(yè)相機124、DSP控制板120、3G無線模塊105、供電部分是否正常，若功能正常則使用手機登錄Web服務(wù)器測試裝置是否能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，若一切正常則表示功能測試成功。

5.獲取圖像。使用電腦或手機登錄Web服務(wù)器，將信息采集終端圖像通過3G無線模塊傳輸?shù)接脩舨僮骺刂破脚_上。

6.計算結(jié)果。進入操作界面單擊“開始計算”，查看裝置的葉面積指數(shù)測量結(jié)果，選擇裝置的工作模式，即發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容可在原始冠層圖像和葉面積指數(shù)測量結(jié)果中任意選擇；可通過Web服務(wù)器界面上的控制按鈕控制工業(yè)相機124的角度，使其滿足實驗要求。

雖然本發(fā)明所揭示的實施方式如上，但其內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案而采用的實施方式，并非用于限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭示的核心技術(shù)方案的前提下，可以在實施的形式和細節(jié)上做任何修改與變化，但本發(fā)明所限定的保護范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書限定的范圍為準。