[发明专利]一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置

说明书

技术领域

本发明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领域。

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(θ_L)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发明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.一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发明内容与本发明专利较为接近，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，这些专利的发明内容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。

本发明针对不均匀植被(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，本发明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。本发明利用无线网络方式进行数据采集与传输，使本发明的系统能够自动、长时间运行，提高了野外数据获取的效率.

发明内容

(1)发明目的

针对上述问题，本发明的目的有两个，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。