一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪制造技术

本发明专利技术涉及一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪，其特征在于，包括固定于同一支撑架上的TRAC测量模块与智能手机。本发明专利技术提出了一种基于智能手机实现对植物冠层叶面积指数TRAC测量的方法。本方法通过引入智能手机上的GPS、地理位置信息、陀螺仪数据、实时时间、实时天气及较强的计算与存储等功能，有效抑制了样线偏离、行进速度与方向的不一致、采样准直平面的倾斜、天气信息误差等引起TRAC测量的主要误差源，提高了传统TRAC测量方法的精度。该发明专利技术成本低廉，使用简单，并能较好地适应我国林业发展水平不一、资金投入不足的情况，为广大农林从业者提供一种切实可行的低成本植物冠层叶面积指数测量方案。

TRAC measuring instrument for plant canopy leaf area index based on intelligent mobile phone

The invention relates to a plant canopy leaf area index TRAC measuring instrument based on a smart phone, which is characterized in that the TRAC measuring module and the smart phone are fixed on the same support frame. The invention provides a method for measuring the canopy leaf area index TRAC of a plant canopy based on an intelligent mobile phone. This method through the introduction of intelligent mobile phone on GPS, geographic information, data, real time, gyroscope real-time weather and strong computing and storage and other functions, can effectively restrain the sample line deviation, speed and direction of the inconsistent and sampling collimating plane tilt, weather information error caused by the main error sources of TRAC measurement to improve the traditional TRAC method, the accuracy of measurement. The invention has the advantages of low cost, easy to use, and can better adapt to the development level of China's forestry is not a lack of capital investment situation, provide measurement of leaf area index a feasible low cost plant canopy for the majority of practitioners of agriculture and forestry.

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪
本专利技术涉及一种利用智能手机实现对植物冠层结构中叶面积指数进行TRAC方式的低成本观测分析的设备。
技术介绍
植被冠层是植被进行光合作用最主要的部分，通过对植被冠层结构参数的测量，可以对日光辐照截取率、光合作用效果、冠下光线时空分布等进行评估。在诸多冠层结构参数中，用于表示植被冠层单位面积上叶面积总量的叶面积指数(LeafAreaIndex，LAI)最为重要。LAI的测量方法可分为直接法与间接法。直接法冠层叶面积指数测量需要对植被进行大范围的破坏性采样，如将冠层中的树叶采下后利用叶面积仪进行逐叶扫描测面积，由此计算得到叶面积指数。这样不仅会造成对植被冠层结构的破坏，且人力物力消耗较大。而利用叶面积指数间接方法则可以避免上述问题。基于鱼眼摄像的半球图像LAI测量技术虽然具有较高的准确性与有效性，但是其测量多借助单反相机与鱼眼镜头组合进行图像采集。这使其设备成本较高，且需要较为苛刻的水平准直信息与采集时间，不利于长时间手持移动操作。而LAI-2000、AccuPAR等手持式设备虽然增强了设备的便携性，但是其测量结果只能反映局部冠层特性。若要其测量较大面积林区的叶面积指数，必须要经过多点多次测量，工作量较大。而TRAC(tracingradiationandarchitectureofcanopies，TRAC)方式在使用中经由对使用者行进路线上的日光辐照透过冠层形成的照射间隙进行统计分析运算，获得叶面积指数。该方法结构简单、成本低廉，尤其适合评估较大范围内叶面积指数的平均分布情况。但是该方法在使用中也存在一定问题。由于使用者手持TRAC设备时的行进速度和方向往往受障碍物等影响难以保持一致，此外在户外环境下所选取的样线存在方向偏离，由此造成了对照射间隙尺寸的统计误差，这一误差进而影响了TRAC的统计计算结果。此外市场上常见叶面积指数测量设备在完成数据采集后，还需将数据导入计算机进行相应的分析，数据的空间位置信息也须辅助设备提供，这也为叶面积指数的现场分析带来了不便。我国农业与林业等行业近年来得到了较大的发展。对叶面积指数的评估可以有效地掌控植物的生长过程，进而优化其生长参数，从而提高其经济效益。但是传统的叶面积指数测量设备价格昂贵，使用复杂。而我国的农业与林业经营模式又多以个体经营为主。农林业从业者难以承担设备成本，从业者较低的信息技术水平也使得很难对其加以有效应用，从而限制了传统叶面积指数测量设备在我国农林业生产中的使用。近年来智能手机得到了快速发展。智能手机不仅具有较强的运算能力与存储能力，而且其上集成的GPS、陀螺仪等传感器也为其在特定应用中的使用提供了相应的支撑能力。如能够在智能手机上添加外置的测量模块，则有望实现基于智能手机的测量系统。TRAC方式具有算法简单、测量适用范围大等优点，其测量误差主要来自于由行进速度和方向不一致性。而如果利用智能手机中的GPS轨迹数据对照射间隙数据进行修正，有望提高测量精度。其GPS数据与实时时间也可便于确定行进样线，而手机中的陀螺仪也有助于提醒使用者TRAC光学探头的方位角度信息，从而方便使用者保持光学探头垂直。借助于智能手机上的近距离通信功能(如蓝牙BTBLE)，可实现TRAC测量模块与移动智能设备之间的通信，使系统体积及结构得到优化。智能手机的运算能力与存储能力也有助于进行TRAC算法的计算及测量结果的存储。通过结合智能手机与TRAC测量方式，有望实现满足测量效率高、易于携带、结构简单、成本低廉、可靠性高、可拓展性强等条件的TRAC测量系统。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：将TRAC植物冠层叶面积指数测量方式与智能手机相结合，从而抑制由于TRAC行进速度及方向的不一致性为TRAC测量结果带来的误差。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供了一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪，其特征在于，包括固定于同一支撑架上的TRAC测量模块与智能手机，其中：支撑架，供使用者手持；TRAC测量模块，包括导光光纤束、光电转换部分、微控制器、无线传输部分及供电部分，其中：多根TIR型光子晶体光纤根据具体导光长度进行两端烧结成型，并将其烧结端打磨成与其纤芯走向垂直的平面，形成导光光纤束，两束导光光纤束分别固定在支撑架的两端，由两束导光光纤束分别收集由冠层直接透射下来的日光辐照与由地面反射回的日光辐照；导光光纤束与光电转换部分相连，由光电转换部分将由导光光纤束传来的日光辐照采样信号转换为电信号；微控制器，用于对光电转换部分输出的电信号进行采样，获得测量数据；无线传输部分，用于将微控制器获取的测量数据发往智能手机；智能手机，用于读取实时天气信息，仅当天气信息为晴朗气象条件，使用者开始进行测量，在开始测量前，使用者通过智能手机设定：采样的起始位置与结束位置以及根据智能手机的陀螺仪提供的水平准直信息设定准直参考平面，并且智能手机通过GPS所提供的地理位置计算出日光辐照入射方向，依据日光辐照入射方向为使用者指出初始样线方向；在测量过程中，使用者依据该初始样线方向行进，由智能手机接收TRAC测量模块的测量数据，每一次完成测量数据的接收后读取GPS数据，将其作为位置参考信息与测量数据一起进行存储，同时，智能手机依据陀螺仪判断系统平面与准直参考平面之间的偏离度是否超过预先设定好的阈值，若超过则产生告警；在完成测量后，由智能手机对数据进行TRAC处理并计算出叶面积指数。优选地，所述微控制器的采样速率为每秒8次；所述智能手机通过蓝牙每秒8次接收所述TRAC测量模块的测量数据。优选地，所述无线传输部分采用蓝牙模块。优选地，所述支撑架采用T型支架，T型支架的短边与地面垂直，从而一端指向地面、另一端指向天空。优选地，所述光电转换部分选用模场面积较大、且与导光光纤束匹配的光电传感器，该光电传感器的光谱响应范围包含光合作用波长范围。优选地，所述供电部分采用锂电池结合LDO方式。优选地，所述LDO部分具有较高的转换效率及较宽的温度工作范围，以便适应户外移动的使用环境。本专利技术提出了一种基于智能手机实现对植物冠层叶面积指数TRAC测量的方法。本方法通过引入智能手机上的GPS、地理位置信息、陀螺仪数据、实时时间、实时天气及较强的计算与存储等功能，有效抑制了样线偏离、行进速度与方向的不一致、采样准直平面的倾斜、天气信息误差等引起TRAC测量的主要误差源，提高了传统TRAC测量方法的精度。此外在匹配手机的TRAC模块设计中，采用光子晶体光纤结合光电传感器的方式实现对光照间隙边缘更为锐利的采集，并采用无线传输方式使采样数据与传输更为便捷，并由此降低了系统重量，提高了使用者的使用体验。该专利技术成本低廉，使用简单，并能较好地适应我国林业发展水平不一、资金投入不足的情况，为广大农林从业者提供一种切实可行的低成本植物冠层叶面积指数测量方案。附图说明图1为一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪系统结构图；图2为实施例中TRAC测量模块部分的结构图；图3为实施例中智能手机的功能结构图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。本专利技术提供的一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪由TRAC测量模块与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪，其特征在于，包括固定于同一支撑架上的TRAC测量模块与智能手机，其中：支撑架，供使用者手持；TRAC测量模块，包括导光光纤束、光电转换部分、微控制器、无线传输部分及供电部分，其中：多根TIR型光子晶体光纤根据具体导光长度进行两端烧结成型，并将其烧结端打磨成与其纤芯走向垂直的平面，形成导光光纤束，两束导光光纤束分别固定在支撑架的两端，由两束导光光纤束分别收集由冠层直接透射下来的日光辐照与由地面反射回的日光辐照；导光光纤束与光电转换部分相连，由光电转换部分将由导光光纤束传来的日光辐照采样信号转换为电信号；微控制器，用于对光电转换部分输出的电信号进行采样，获得测量数据；无线传输部分，用于将微控制器获取的测量数据发往智能手机；智能手机，用于读取实时天气信息，仅当天气信息为晴朗气象条件，使用者开始进行测量，在开始测量前，使用者通过智能手机设定：采样的起始位置与结束位置以及根据智能手机的陀螺仪提供的水平准直信息设定准直参考平面，并且智能手机通过GPS所提供的地理位置计算出日光辐照入射方向，依据日光辐照入射方向为使用者指出初始样线方向；在测量过程中，使用者依据该初始样线方向行进，由智能手机接收TRAC测量模块的测量数据，每一次完成测量数据的接收后读取GPS数据，将其作为位置参考信息与测量数据一起进行存储，同时，智能手机依据陀螺仪判断系统平面与准直参考平面之间的偏离度是否超过预先设定好的阈值，若超过则产生告警；在完成测量后，由智能手机对数据进行TRAC处理并计算出叶面积指数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪，其特征在于，包括固定于同一支撑架上的TRAC测量模块与智能手机，其中：支撑架，供使用者手持；TRAC测量模块，包括导光光纤束、光电转换部分、微控制器、无线传输部分及供电部分，其中：多根TIR型光子晶体光纤根据具体导光长度进行两端烧结成型，并将其烧结端打磨成与其纤芯走向垂直的平面，形成导光光纤束，两束导光光纤束分别固定在支撑架的两端，由两束导光光纤束分别收集由冠层直接透射下来的日光辐照与由地面反射回的日光辐照；导光光纤束与光电转换部分相连，由光电转换部分将由导光光纤束传来的日光辐照采样信号转换为电信号；微控制器，用于对光电转换部分输出的电信号进行采样，获得测量数据；无线传输部分，用于将微控制器获取的测量数据发往智能手机；智能手机，用于读取实时天气信息，仅当天气信息为晴朗气象条件，使用者开始进行测量，在开始测量前，使用者通过智能手机设定：采样的起始位置与结束位置以及根据智能手机的陀螺仪提供的水平准直信息设定准直参考平面，并且智能手机通过GPS所提供的地理位置计算出日光辐照入射方向，依据日光辐照入射方向为使用者指出初始样线方向；在测量过程中，使用者依据该初始样线方向行进，由智能手机接收TRAC测量模块的测量数据，每一次完成测量数据的接收后读取GPS数据，将其作为位置参考信息与测量数...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩芳，万雪芬，
申请(专利权)人：东华大学，华北科技学院，
类型：发明
国别省市：上海,31