[发明专利]一种基于无线传感器网络的植被结构参数测量装置

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，它与植被冠层结构参数的数据采集有关，属于农业与生态学以及无线传感器网络技术领域。

(二)技术背景

植被冠层结构参数是研究植被生长发育状态的一个重要指标，也是制约陆地-大气作用过程模型的一个重要关联参数。因此，精确地获取植被结构参数是推动陆面模式建模与模型验证的迫切需求。

本发明中所述植被结构参数是指植被冠层叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)与叶倾角概率密度函数。

植被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以及落叶法。直接测量结果精度高，可以作为间接测量方法精度比较的比对参考。但是测量过程费时耗力并且对测量样地会造成一定破坏，难以用于大面积长时间序列的数值获取。

对植被结构参数的间接测量仪器中，是通过测量植被冠层方向间隙率，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。这些仪器的区别在于获取间隙率的方法不同。目前能够对植被结构参数间接测量的商业化仪器有两种类型，第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，如英国的SunScan和澳大利亚的Demon。其中SunScan是通过在冠层底部部署多达64个光传感器来一次性获取对冠层结构信息的多层次信息，而Demon则是通过驱动(手持移动或马达驱动)传感器在冠层下部沿着一定的方向或轨道移动来达到一次获取多角度信息的目的。另外一种是利用半球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像素数来计算冠层内的方向间隙率，如美国的LAI2000和专利“透光分层疏透度测定方法及摄影装置”(专利号01128255.X)以及“一种用于测定透光分层疏透度的装置”(专利号01250965.5)，为了获取植被冠层多角度图像，它们采用了宽视场角的鱼眼镜头来获取冠层结构信息。

以上测量仪器的共同特点是通过在冠层底部一次测量获取多角度冠层辐射分布信息的形式来实现对冠层结构参数的测量。在长时间序列以及大空间范围内进行数据采集的时候，由于需要在较大的实验场地上部署多个测量仪器，且需要人员到现场多次测量，因此，以上所属仪器和方法需要耗费巨大数据采集成本，包括人力成本和仪器购置成本。

发明专利“一种树木冠层分析仪的数据采集装置”(公开号：CN101413875A)通过在长1.2-1.8m，宽0.6-1.0m的平面上部署多达14000个硅光敏电池或点耦合元件来获取树木林下的太阳辐射分布，通过在一天中太阳的移动以及太阳辐射的变化来间接估算树木的冠层结构参数。该专利所述装置其使用条件受限于在林地环境下，并且要求林地下有较大的间隙才能够放置该设备。而在低矮植被或连续分布植被，如农作物、草地环境下则无法使用。

(三)发明内容

1、目的：针对以上设备与技术存在的问题，本发明的目的是一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，该装置具有体积小、成本低、数据自动获取与无线传输的特点，能够实现无人值守情况下的长时间、大范围、多植被类型冠层结构参数的自动测量与传输。

2、技术方案：为实现上述优点，本发明采取如下技术方案：

一种基于无线传感器网络的植被冠层结构参数测量装置，包括：

由分布在研究区的冠层上与冠层下的测量节点和路由节点组成的无线传感器网络；

由汇聚节点与控制终端和远程服务器连接形成的数据处理与节点控制系统。

无线传感器网络跟数据处理与节点控制系统之间的位置连接关系是：无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装串口模块，与控制终端上的数据处理与节点控制系统通过RS232串口线近距离的连接；无线传感器网络通过在其汇聚节点上加装GPRS模块，与放置于实验室的远程服务器上的数据处理与节点控制系统通过GPRS无线通信远距离的连接。

其中，所述测量节点是由用于测量冠层上下太阳透过辐射的光传感器、用于临时数据存储的数据存储单元、用于提供采集时间的实时时钟、用于进行无线通信组网和节点控制运算的核心芯片以及供电单元组成。它们之间的位置连接关系是：光存储器，实时时钟通过I²C与核心芯片连接，数据存储单元通过SPI与核心芯片连接，所有单元都与供电单元连接。所有元器件分布在10×4.5cm²的节点电路板上。