一种新型的叶面积指数仪及其叶面积指数测量方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的叶面积指数仪及其叶面积指数测量方法，其中，所述叶面积指数仪包括鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器、图像分析模块和供电模块；所述鱼眼镜头和摄像模组分别与数据采集器连接，所述数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯连接，所述供电模块为太阳能电池板，并与电池组连接。通过数据采集器控制鱼眼镜头和摄像模组，定时自动获取植物冠层的半球数字图像，再将图像通过GPRS网络发送到图像分析模块，本地端可以通过图像分析模块获取半球数字图像，利用相应的软件对图像进行分析，最终推算叶面积指数值。

【技术实现步骤摘要】
一种新型的叶面积指数仪及其叶面积指数测量方法
本专利技术涉及叶面积指数观测
，尤其涉及一种新型的叶面积指数仪及其叶面积指数测量方法。
技术介绍
植被是地球系统的关键组成部分，叶片是植被进行光合、呼吸、蒸腾等等生理过程的主要承载体。叶面积指数(LeafAreaIndex，LAI)是表征叶片疏密程度和描述植被生长状态以及冠层结构的重要地表植被参数，通常被定义为单位土地表面积上的总叶表面积的一半。通过连续监测叶面积指数，可以快速衡量生态系统生产力和模拟群落生态过程演变，被广泛应用于生态系统研究。目前，LAI测量方法主要分为直接法和间接法。直接法主要有凋落物收集法和破坏性取样法，均是通过比叶面积(SpecificLeafArea,SLA)来估算LAI。然而，直接法耗时耗力且难以重复，不能有效观察叶面积的时间动态变化特征。间接法往往采用基于辐射或图像的光学仪器自下而上测定LAI，如LAI-2200(LiCorInc,Lincoln,Nebraska,USA)、TRAC(TracingRadiationandArchitectureofCanopies)等冠层分析仪，以及数码相机+鱼眼镜头的半球摄影法(DigitalHemispheralPhotography，DHP)，以HemiView为代表。间接法的这几类测量仪器均由国外研究人员研发，价格比较昂贵。同时，实施以上的测量方法，均要求观测人员到现场进行实地操作，无法进行自动连续的观测，因而需花费更多的人力成本和时间。事实上，在陆地生态系统中，特别是森林生态系统，具有复杂的结构和功能以及环境效应滞后等特点，采用短期调查或实验研究，难以确切地揭示其生物与生物之间、生物与环境之间的复杂关系，这就要求对同一观测点位开展长时间定位动态观测，连续采集数据，进而分析生态系统动态变化规律以及环境之间的相互作用和反馈机制。目前，市场上的LAI测量光学仪器均为便携式，虽操作简便，却不适合作为长期固定监测仪器使用，难以排除不同使用者因测量时间、高度、角度、方向以及测量点位的不一致等因素而导致的测量误差，不能很好地实现准确的定位观测，降低了观测数据的可比性。现有基于图像的光学测量仪器，往往是应用半球摄影法，通过鱼眼镜头和数码相机获取冠层图像，基于比尔定律以及冠层空隙率与冠层结构相关原理在软件实现对冠层图像的分析工作，进而推算叶面积指数值，但在实际测量中也存在较多的限制。以HemiView为例，除以上所述不足之外，还存在相机电池容量有限问题，长时间测量需频繁更换电池，不能适用于大面积的固定样地监测。综上所述，由于叶面积指数是研究陆地生态系统能量交换的关键参数，我国农林科学、遥感科学等方面的研究人员对测量仪器的需求较大，但现阶段仪器存在费用昂贵、难以长时间定位监测、无法实时传输数据、电池容量有限、费时费力且无法保证测量精度等不足，因此自行研发一套造价成本低、定时和定位观测的自动化叶面积指数测量仪器，对于打破外国垄断、满足国内市场需求及科学研究具有重大的意义。本专利技术将在图像测量的技术方案的基础上，进一步弥补以上的不足之处。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种新型的叶面积指数仪及其叶面积指数测量方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种新型的叶面积指数仪，包括鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器、图像分析模块和供电模块；所述鱼眼镜头和摄像模组分别与数据采集器连接，所述数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯连接，所述供电模块为太阳能电池板，并与电池组连接。进一步地，所述电池组分别与鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器连接。进一步地，所述电池组配置有电源管理模块。进一步地，所述叶面积指数仪还包括GPRS通讯模块，以使数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯模块传送半球数字图像，并存储于图像分析模块。进一步地，所述叶面积指数仪还包括相互配合连接的铝合金外壳和镜头防护罩，所述鱼眼镜头、GPRS通讯模块、电源管理模块、电池组、数据采集器均设置在铝合金外壳内。进一步地，所述镜头防护罩上端设有水平仪。进一步地，所述铝合金外壳下端设有可拆卸不锈钢支架，所述太阳能电池板固定在不锈钢支架上。进一步地，所述不锈钢支架包括立杆，太阳能电池板与立杆配合处开设的U形槽；所述不锈钢支架上设有拧紧立杆固定件，且其通过螺栓固定在立杆上，所述太阳能电池板的背面设有连接件，连接件与拧紧立杆固定件通过螺栓铰接，所述连接件上开设有弧形导槽，所述拧紧立杆固定件设有螺栓，螺栓穿过弧形导槽，以使连接件沿铰接点在一定角度中转动，从而调节太阳能电池板的角度。太阳能电池板、蓄电池、智能控制器组成的智能太阳能供电系统，广泛用于日常监控、气象监测、生态监测、太阳能路灯等其它需要太阳能供电等实际用途中。一种基于上述新型的叶面积指数仪的叶面积指数测量方法，包括如下步骤：S1：通过数据采集器控制鱼眼镜头和摄像模组，定时自动获取植物冠层的半球数字图像；S2：数据采集器将所述图像通过GPRS网络发送到图像分析模块；S3：图像分析模块基于冠层辐射传输理论对冠层图像进行分析，计算太阳辐射透过系数、冠层孔隙大小、间隙率参数等，进而推算有效叶面积指数。进一步地，所述步骤S3具体包括：基于国际通用的比尔定律(Lambert-Beer定律)从冠层图像中提取冠层孔隙度，然后依据叶面积指数反演模型来计算叶面积指数；其基本原理为通过获取的冠层影像，提取冠层的孔隙度，进而利用孔隙度、叶面积指数和冠层结构的数学模型来计算叶面积指数；设仪器从图像中提取出来的冠层孔隙度为P(θ)，则有：P(θ)表示某天顶角下的冠层孔隙度，G(θ)为某天顶角下的投影函数，它表示视角为θ下的单位叶片的投影面积，LAI为叶面积指数。进一步地，在所述步骤S2中，所述手机或电脑端与图像分析模块连接，用户可在手机或电脑端登录账户实时查看各个监测站点的数据，也可将数据下载至客户端，快速实现数据统计分析。该模块具有技术先进、数据容量大、人机界面友好、可靠性高的优点，被广泛用于气象、农业、海洋、环境、机场、港口、工农业及交通等领域。进一步地，利用MVVM架构将页面与数据进行分离，采用动态绑定的形式进行绑定。View层通过反射机制，利用数据ID与ViewModel层对应的数据进行绑定，当ViewModel数据更新时，通知View进行数据显示更新渲染。进一步地，通过控件模块化处理，可以抽象一类通用模块，如数字显示模块，文本枚举模块，二维三维图像显示模块，视频显示模块等，并通过界面布局，快速定义前端页面样式布局，通过编译生成前端界面的Html和Javascript代码。前端动态构建模块采用Vue工具技术与HighChart图表显示模块进行构建，以下进行详细介绍说明。本专利技术具有如下有益效果：(1)造价成本低。通过设计标准化模块，简化相应结构，实现对仪器的快速生产和组装，降低相应的制造费用。(2)定位连续观测。仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：包括鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器、图像分析模块和供电模块；所述鱼眼镜头和摄像模组分别与数据采集器连接，所述数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯连接，所述供电模块为太阳能电池板，并与电池组连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：包括鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器、图像分析模块和供电模块；所述鱼眼镜头和摄像模组分别与数据采集器连接，所述数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯连接，所述供电模块为太阳能电池板，并与电池组连接。


2.根据权利要求1所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述供电模块中太阳能电池板与电池组连接，所述电池组分别与鱼眼镜头、摄像模组、数据采集器连接。


3.根据权利要求2所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述电池组配置有电源管理模块。


4.根据权利要求3所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述叶面积指数仪还包括GPRS通讯模块，以使数据采集器与图像分析模块通过GPRS通讯模块传送半球数字图像。


5.根据权利要求4所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述叶面积指数仪还包括相互配合连接的铝合金外壳和镜头防护罩，所述鱼眼镜头、GPRS通讯模块、电源管理模块、电池组、数据采集器均设置在铝合金外壳内。


6.根据权利要求5所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述镜头防护罩上端设有水平仪。


7.根据权利要求6所述的一种新型的叶面积指数仪，其特征在于：所述铝合金外壳下端设有可拆卸...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏宏新，谢贤胜，祝晓光，刘东方，
申请(专利权)人：南宁师范大学，北京天航华创科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广西;45