一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置制造方法及图纸

一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接。本发明专利技术将传统的农作物冠层结构参数测量原理与基于无线网络的数据采集与数据传输技术相结合，完成了一种结构参数自动测量系统，它能够实现长时间序列、大空间范围的植被叶面积指数以及冠层平均叶倾角的连续自动测量，在农业与生态学技术领域里具有广阔地应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置
[〇〇〇1] 本专利技术涉及一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它是一种基于冠层阴影 成像法获取植被结构参数的无线传感器网络设备，与植被冠层结构参数的数据采集与传输 有关，属于农业与生态学
。 技术背景 陆表植被通过截获太阳辐射获得光能进行光合作用，而植被冠层结构参数，如叶 面积指数（LAI)与平均叶倾角是影响太阳辐射在冠层内进行重新分配的重要因素。 因此，获取植被结构参数信息是研究植被生长发育状态及其蓄积生物量的一个重要途径。 冠层结构参数的获取方法有直接量测法和间接量测法，其中直接法包括破坏性测 量法和手工原位量测法以及落叶法。间接测量大多基于光学原理，通过获取植被冠层截获 的光能量的多少来推断冠层结构参数。而目前常用的植被冠层分析仪，即是属于一种间接 测量方法，它们是通过测量植被冠层内的方向间隙率，根据间隙率与叶面积指数和叶倾角 分布的关系来估计这些结构参数。目前能够对植被结构参数间接测量的冠层分析仪器有两 种类型，一种是通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层透过率，一种是利用成像技 术来获取视场内的植被与背景信息，通过分类的方法统计各自的象素数来计算冠层内的方 向间隙率。专利CN101788283A.叶面积指数的测定方法〃实现了利用LAI-2000测量有效 LAI值转换为真实LAI的方法，但并没有实现新的测量装置与系统；专利CN102023133A. 〃 水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统〃专利技术了一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，但 是，不具备基于所采集图像进一步进行冠层分析的功能。专利CN102538717A.叶面积 指数自动观测系统及其方法〃及专利CN102778212A. -种利用数码相机获取水稻冠层 叶面积指数的方法及装置〃的
技术实现思路
与本专利技术专利较为接近，但是，这些专利大都是 利用的单一太阳天顶角的拍摄图像。利用单一角度图像仅能提取一个角度下的冠层间隙 率，无法同时估算冠层结构的两个主要参数，即叶面积指数与平均叶倾角。虽然其中专利 CN101916438A.半球摄影法获取水稻冠层叶面积指数和平均叶倾角的方法利用半球 摄影法能够同时获取这两个结构参数，但是，半球摄影的方法一方面增加了摄影传感器的 成本，另一方面，由于半球投影成像的方式会造成成像区域边缘部分的变形，也会带来一 定的数据处理困难。专利CN101413875. 〃 一种树木冠层分析仪的数据采集装置〃及专利 CN101839732A. 〃一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置〃实现了利用布置在 冠层下部光传感器获取多角度太阳光斑密度的装置，但是，这些装置比较适合在冠层较为 均匀的情况下，对于非连续冠层，由于植被遮挡太阳入射能量的能力较弱，会造成冠层下仪 器无法探测到光斑的变化，因此，这些专利的
技术实现思路
在测量离散植被的冠层结构参数时 会带来较大误差。 综上所述，当前获取植被冠层多角度间隙率的方式大多是利用半球成像的方法， 通过对采集到的数字图像进行同心圆分割来获取不同观测天顶角下的冠层间隙率。由于半 球成像镜头成本要远远高于普通镜头，因而，用这种方法制造出的仪器，由于成本限制，很 难实现在大范围内同时布设很多测量节点，测量成本的降低途径之一就是利用普通的低成 本镜头来代替半球成像镜头。如果利用当前传统测量仪器面向大区域、长时间序列植被结 构参数获取应用的时候，仍然是通过设计一定的采样方案，选择合适的采样时间，依靠人工 到野外进行逐点测量。靠人工采样获取植被结构参数的方法从根本上制约了这类仪器难以 在大的空间尺度上进行长时间序列的连续观测。 本专利技术针对不均匀植被（封垄之前的玉米和小麦，稀疏草地等）难以获取冠层结 构参数的问题，实现了利用太阳在一天内的入射角度变化，通过拍摄不同入射条件下的冠 层照片，区分照片中冠层阴影与光照面积，提取多角度冠层阴影比，由于利用多角度观测数 据，可以达到同时计算冠层结构参数（即平均叶倾角与冠层叶面积指数）的目的。与已有 公开专利相比较，本专利技术不再需要用户提供额外的冠层叶倾角作为模型输入参数，能够做 到冠层结构参数的自动估算。由于利用的是普通低成本的数字成像传感器，具有数据容易 处理且成本较低的优点。本专利技术利用无线网络方式进行数据采集与传输，使本专利技术的系统 能够自动、长时间运行，提高了野外数据获取的效率.
技术实现思路
(1)专利技术目的 针对上述问题，本专利技术的目的有两个，一是针对非均匀植被冠层结构参数测量的 困难，设计一种利用太阳的运动获取多角度冠层阴影比测量系统；二是利用无线网络实现 对测量系统的远程控制与数据传输，从而提高测量效率，降低测量成本。 本专利技术将传统的农作物冠层结构参数测量原理与基于无线网络的数据采集与数 据传输技术相结合，完成了一种结构参数自动测量系统，能够实现长时间序列、大空间范围 的植被叶面积指数以及冠层平均叶倾角的连续自动测量。 (2)技术方案[〇〇1〇] 为实现上述目的，本专利技术提供一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它实 现了一种适合非连续冠层的植被冠层结构参数自动测量系统。[〇〇11] 本专利技术是一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，它由低成本数字成像子系 统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，它们之间的连接关系如 图1所示。低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据 汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接。 所述低成本数字成像子系统，包括数字摄像模块，数据采集与控制模块，存储模块 和ZigBee无线模块。它们之间的连接关系是，数据采集与控制模块通过Camera接口连接 数字摄像模块进而执行采集图像命令;miniSD卡通过SPI接口与数据采集与控制模连接 用于存储压缩后的图像数据；数据采集与控制模块通过USART及GPI0与无线模块ZF-1022 连接，然后通过无线传输图像数据。低成本数字成像子系统的各模块连接关系与数据流程 如图2所示。该数字摄像模块是500万像素摄像模块0V5640,该数据采集与控制模块是以 Cortex?-M4为内核的高性能处理器STM32F407ZGT6,该存储模块为mini SD卡，该ZigBee 无线模块是ZF-1022。 所述数据汇聚子系统，包括ZigBee无线模块，数据接收与控制模块，GPRS远程通 讯模块及存储模块。它们之间的连接关系是，ZigBee无线模块通过无线网络路由协议与 数据接收与控制模块进行通讯，数据接收与控制模块通过GPRS远程通讯模块及存储模块 与服务器进行通讯。该ZigBee无线模块，存储模块与低成本数字成像子系统中所设计的 ZigBee无线模块与存储模块相同，该数据接收与控制模块是C〇rteXTM-M3为内核的高性能 处理器STM32F103RBT6组成，GPRS远程通讯模块由数据传输子模块以及GPRS通讯子模块 组成。数据汇聚子系统的各模块连接关系与数据流程如图3所示。 所述数据接收与处理服务器子系统是由网络数据库服务器以及应用软件两部分 组成，其中，该网络数据库服务器为一具有固定IP地址的联网计算机，应用软件部分包括 数据接收模块、数据处理模块、数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，其特征在于：它由低成本数字成像子系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，低成本数字成像子系统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络和数据接收与接收服务器子系统通讯连接；所述低成本数字成像子系统，包括数字摄像模块，数据采集与控制模块，存储模块和ZigBee无线模块；数据采集与控制模块通过Camera接口连接数字摄像模块进而执行采集图像命令；miniSD卡通过SPI接口与数据采集与控制模连接用于存储压缩后的图像数据；数据采集与控制模块通过USART及GPIO与ZigBee无线模块连接，然后通过无线传输图像数据；所述数据汇聚子系统，包括ZigBee无线模块，数据接收与控制模块，GPRS远程通讯模块及存储模块；ZigBee无线模块通过无线网络路由协议与数据接收与控制模块进行通讯，数据接收与控制模块通过GPRS远程通讯模块及存储模块与服务器进行通讯；该ZigBee无线模块，存储模块与低成本数字成像子系统中所设计的ZigBee无线模块与存储模块相同，该数据接收与控制模块是CortexTM‑M3为内核的高性能处理器STM32F103RBT6组成，GPRS远程通讯模块由数据传输子模块以及GPRS通讯子模块组成；所述数据接收与处理服务器子系统是由网络数据库服务器以及应用软件两部分组成，其中，该网络数据库服务器为一具有固定IP地址的联网计算机，应用软件部分包括数据接收模块、数据处理模块、数据存储模块；该数据接收模块通过Internet网络的http协议接收GPRS通讯子模块传输来的数据，该数据处理模块负责将接收到的影像进行处理得到冠层结构参数，它包括图像分类子模块、阴影比计算子模块、结构参数估算子模块；该数据存储模块负责将计算结果存储到网络服务器的存储系统，以上应用软件系统运行于网络数据库服务器之上，它们之间通过数据存储接口进行数据通讯。...

【技术特征摘要】
1. 一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置，其特征在于：它由低成本数字成像子 系统、数据汇聚子系统和数据接收与接收服务器子系统三部分组成，低成本数字成像子系 统通过ZigBee无线网络与数据汇聚子系统通讯连接，数据汇聚子系统通过Internet网络 和数据接收与接收服务器子系统通讯连接； 所述低成本数字成像子系统，包括数字摄像模块，数据采集与控制模块，存储模块和 ZigBee无线模块；数据采集与控制模块通过Camera接口连接数字摄像模块进而执行采集 图像命令；miniSD卡通过SPI接口与数据采集与控制模连接用于存储压缩后的图像数据； 数据采集与控制模块通过USART及GPIO与ZigBee无线模块连接，然后通过无线传输图像 数据； 所述数据汇聚子系统，包括ZigBee无线模块，数据接收与控制模块，GPRS远程通讯模 块及存储模块；ZigBee无线模块通过无线网络路由协议与数据接收与控制模块进行通讯， 数据接收与控制模块通过GPRS远...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈永华，付立哲，焦思红，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11