一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置製造方法
2023-04-23 15:05:21
一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置製造方法
【專利摘要】一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，它由低成本數字成像子系統、數據匯聚子系統和數據接收與接收伺服器子系統三部分組成，低成本數字成像子系統通過ZigBee無線網絡與數據匯聚子系統通訊連接，數據匯聚子系統通過Internet網絡和數據接收與接收伺服器子系統通訊連接。本發明將傳統的農作物冠層結構參數測量原理與基於無線網絡的數據採集與數據傳輸技術相結合，完成了一種結構參數自動測量系統，它能夠實現長時間序列、大空間範圍的植被葉面積指數以及冠層平均葉傾角的連續自動測量，在農業與生態學【技術領域】裡具有廣闊地應用前景。
【專利說明】一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置 【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明涉及一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，它是一種基於冠層陰影 成像法獲取植被結構參數的無線傳感器網絡設備，與植被冠層結構參數的數據採集與傳輸 有關，屬於農業與生態學【技術領域】。 技術背景
[0002] 陸表植被通過截獲太陽輻射獲得光能進行光合作用，而植被冠層結構參數，如葉 面積指數（LAI)與平均葉傾角是影響太陽輻射在冠層內進行重新分配的重要因素。 因此，獲取植被結構參數信息是研究植被生長發育狀態及其蓄積生物量的一個重要途徑。
[0003] 冠層結構參數的獲取方法有直接量測法和間接量測法，其中直接法包括破壞性測 量法和手工原位量測法以及落葉法。間接測量大多基於光學原理，通過獲取植被冠層截獲 的光能量的多少來推斷冠層結構參數。而目前常用的植被冠層分析儀，即是屬於一種間接 測量方法，它們是通過測量植被冠層內的方向間隙率，根據間隙率與葉面積指數和葉傾角 分布的關係來估計這些結構參數。目前能夠對植被結構參數間接測量的冠層分析儀器有兩 種類型，一種是通過測量冠層內透過的太陽輻射量來估算冠層透過率，一種是利用成像技 術來獲取視場內的植被與背景信息，通過分類的方法統計各自的象素數來計算冠層內的方 向間隙率。專利CN101788283A."葉面積指數的測定方法〃實現了利用LAI-2000測量有效 LAI值轉換為真實LAI的方法，但並沒有實現新的測量裝置與系統；專利CN102023133A. 〃 水稻冠層多光譜混合魚眼成像系統〃發明了一種水稻冠層多光譜混合魚眼成像系統，但 是，不具備基於所採集圖像進一步進行冠層分析的功能。專利CN102538717A."葉面積 指數自動觀測系統及其方法〃及專利CN102778212A." -種利用數位相機獲取水稻冠層 葉面積指數的方法及裝置〃的
【發明內容】
與本發明專利較為接近，但是，這些專利大都是 利用的單一太陽天頂角的拍攝圖像。利用單一角度圖像僅能提取一個角度下的冠層間隙 率，無法同時估算冠層結構的兩個主要參數，即葉面積指數與平均葉傾角。雖然其中專利 CN101916438A."半球攝影法獲取水稻冠層葉面積指數和平均葉傾角的方法"利用半球 攝影法能夠同時獲取這兩個結構參數，但是，半球攝影的方法一方面增加了攝影傳感器的 成本，另一方面，由於半球投影成像的方式會造成成像區域邊緣部分的變形，也會帶來一 定的數據處理困難。專利CN101413875. 〃 一種樹木冠層分析儀的數據採集裝置〃及專利 CN101839732A. 〃一種基於無線傳感器網絡的植被結構參數測量裝置〃實現了利用布置在 冠層下部光傳感器獲取多角度太陽光斑密度的裝置，但是，這些裝置比較適合在冠層較為 均勻的情況下，對於非連續冠層，由於植被遮擋太陽入射能量的能力較弱，會造成冠層下儀 器無法探測到光斑的變化，因此，這些專利的
【發明內容】
在測量離散植被的冠層結構參數時 會帶來較大誤差。
[0004] 綜上所述，當前獲取植被冠層多角度間隙率的方式大多是利用半球成像的方法， 通過對採集到的數字圖像進行同心圓分割來獲取不同觀測天頂角下的冠層間隙率。由於半 球成像鏡頭成本要遠遠高於普通鏡頭，因而，用這種方法製造出的儀器，由於成本限制，很 難實現在大範圍內同時布設很多測量節點，測量成本的降低途徑之一就是利用普通的低成 本鏡頭來代替半球成像鏡頭。如果利用當前傳統測量儀器面向大區域、長時間序列植被結 構參數獲取應用的時候，仍然是通過設計一定的採樣方案，選擇合適的採樣時間，依靠人工 到野外進行逐點測量。靠人工採樣獲取植被結構參數的方法從根本上制約了這類儀器難以 在大的空間尺度上進行長時間序列的連續觀測。
[0005] 本發明針對不均勻植被（封壟之前的玉米和小麥，稀疏草地等）難以獲取冠層結 構參數的問題，實現了利用太陽在一天內的入射角度變化，通過拍攝不同入射條件下的冠 層照片，區分照片中冠層陰影與光照面積，提取多角度冠層陰影比，由於利用多角度觀測數 據，可以達到同時計算冠層結構參數（即平均葉傾角與冠層葉面積指數）的目的。與已有 公開專利相比較，本發明不再需要用戶提供額外的冠層葉傾角作為模型輸入參數，能夠做 到冠層結構參數的自動估算。由於利用的是普通低成本的數字成像傳感器，具有數據容易 處理且成本較低的優點。本發明利用無線網絡方式進行數據採集與傳輸，使本發明的系統 能夠自動、長時間運行，提高了野外數據獲取的效率.
【發明內容】
[0006] (1)發明目的
[0007] 針對上述問題，本發明的目的有兩個，一是針對非均勻植被冠層結構參數測量的 困難，設計一種利用太陽的運動獲取多角度冠層陰影比測量系統；二是利用無線網絡實現 對測量系統的遠程控制與數據傳輸，從而提高測量效率，降低測量成本。
[0008] 本發明將傳統的農作物冠層結構參數測量原理與基於無線網絡的數據採集與數 據傳輸技術相結合，完成了一種結構參數自動測量系統，能夠實現長時間序列、大空間範圍 的植被葉面積指數以及冠層平均葉傾角的連續自動測量。
[0009] (2)技術方案
[〇〇1〇] 為實現上述目的，本發明提供一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，它實 現了一種適合非連續冠層的植被冠層結構參數自動測量系統。
[〇〇11] 本發明是一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，它由低成本數字成像子系 統、數據匯聚子系統和數據接收與接收伺服器子系統三部分組成，它們之間的連接關係如 圖1所示。低成本數字成像子系統通過ZigBee無線網絡與數據匯聚子系統通訊連接，數據 匯聚子系統通過Internet網絡和數據接收與接收伺服器子系統通訊連接。
[0012] 所述低成本數字成像子系統，包括數字攝像模塊，數據採集與控制模塊，存儲模塊 和ZigBee無線模塊。它們之間的連接關係是，數據採集與控制模塊通過Camera接口連接 數字攝像模塊進而執行採集圖像命令;miniSD卡通過SPI接口與數據採集與控制模連接 用於存儲壓縮後的圖像數據；數據採集與控制模塊通過USART及GPI0與無線模塊ZF-1022 連接，然後通過無線傳輸圖像數據。低成本數字成像子系統的各模塊連接關係與數據流程 如圖2所示。該數字攝像模塊是500萬像素攝像模塊0V5640,該數據採集與控制模塊是以 Cortex?-M4為內核的高性能處理器STM32F407ZGT6,該存儲模塊為mini SD卡，該ZigBee 無線模塊是ZF-1022。
[0013] 所述數據匯聚子系統，包括ZigBee無線模塊，數據接收與控制模塊，GPRS遠程通 訊模塊及存儲模塊。它們之間的連接關係是，ZigBee無線模塊通過無線網絡路由協議與 數據接收與控制模塊進行通訊，數據接收與控制模塊通過GPRS遠程通訊模塊及存儲模塊 與伺服器進行通訊。該ZigBee無線模塊，存儲模塊與低成本數字成像子系統中所設計的 ZigBee無線模塊與存儲模塊相同，該數據接收與控制模塊是C〇rteXTM-M3為內核的高性能 處理器STM32F103RBT6組成，GPRS遠程通訊模塊由數據傳輸子模塊以及GPRS通訊子模塊 組成。數據匯聚子系統的各模塊連接關係與數據流程如圖3所示。
[0014] 所述數據接收與處理伺服器子系統是由網絡資料庫伺服器以及應用軟體兩部分 組成，其中，該網絡資料庫伺服器為一具有固定IP位址的聯網計算機，應用軟體部分包括 數據接收模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊。它們之間的關係是：該數據接收模塊通過 Internet網絡的http協議接收GPRS通訊子模塊傳輸來的數據，該數據處理模塊負責將接 收到的影像進行處理得到冠層結構參數，它包括圖像分類子模塊、陰影比計算子模塊、結構 參數估算子模塊，該數據存儲模塊負責將計算結果存儲到網絡伺服器的存儲系統。以上應 用軟體系統運行於網絡資料庫伺服器之上，它們之間通過數據存儲接口進行數據通訊。所 述數據處理與接收伺服器子系統的數據流程如圖4所示。
[0015] 優點及功效：
[0016] 本發明一種用於植被冠層結構參數自動測量裝置，其優點是：
[0017] 1利用太陽的運行軌跡，自動獲取植被冠層多角度間隙率，減少了數據處理的複雜 度。
[0018] 2利用低成本窄視場普通數字攝像模塊獲取植被結構參數，降低了野外實驗成本。
[0019] 3自動獲取同時測量冠層葉面積指數與平均葉傾角，減少了實驗人員對冠層分布 類型的假設，提高了設備的易用性。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1非連續植被冠層結構參數自動測量系統組成與連接關係圖
[0021] 圖2低成本數字成像子系統的模塊連接關係與數據流程圖
[0022] 圖3數據匯聚子系統的模塊連接關係與數據流程圖
[0023] 圖4數據處理與接收伺服器子系統的數據流程圖
[0024] 圖5系統野外部署圖
[0025] 圖中符號說明如下：
[0026] 1-天線，2-攝像頭，3-太陽能電池，4-匯聚箱 【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本
【發明內容】
進一步詳細說明。
[0028] 見圖1 一圖4,本發明是一種用於獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，它是由 低成本數字成像子系統、數據匯聚子系統和數據接收與接收伺服器子系統三部分組成，它 們之間的連接關係如圖1所示。低成本數字成像子系統通過ZigBee無線網絡與數據匯聚 子系統通訊連接，數據匯聚子系統通過Internet網絡和數據接收與接收伺服器子系統通 訊連接。
[0029] 本發明為一種用於測量植被冠層結構參數的自動裝置，其具體野外實施部署方式 如圖5所示，它由天線1，攝像頭2,太陽能電池3和匯聚箱4構成。如圖5所示，在野外部 署的時候，選擇一塊植被條件相對稀疏的試驗區，例如，起身之後到封壟之前的冬小麥，出 苗以後到抽雄之前的玉米作物生長區。這樣，在實驗區部署多個低成本數字成像子系統，我 們稱之為測量節點，在研究區周邊距離測量節點200-500米範圍之內，部署一個數據匯聚 子系統，我們稱之為匯聚節點，匯聚節點與一到多個測量節點之間通過ZigBee網絡進行通 訊。匯聚節點將收集到的測量圖片，通過GPRS模塊傳輸到遠程資料庫伺服器。
[0030] 在具體實施的時候，每個低成本數字成像子系統配備一個太陽能供電系統，該供 電系統包括一個10W的太陽能板，一個12V輸出電壓的蓄電池以及一個太陽能控制器模塊。 低成本數字成像子系統的成像模式設置為自動調焦，自動曝光模式，鏡頭最低處距離植被 最高處的距離為1. 0-1. 5米之間，鏡頭垂直向下觀測，為了防水防塵，成像模塊被封裝在一 個具備IP65防水等級的密封外殼內，鏡頭處用水晶玻璃密封。低成本數字成像子系統的信 號傳輸通過一個標準的2. 4G頻率天線傳輸到匯聚節點。
[0031] 一個數據匯聚子系統被封裝在一個具有IP65防水等級的密封箱內，通過與低成 本數字成像子系統相同配置的太陽能供電系統供電。同樣，也通過一個標準的2. 4G頻率天 線接收測量節點傳輸過來的圖像。
[0032] 在數據接收與處理伺服器端，用戶可以給匯聚節點發布控制命令，設置照相系統 的拍照間隔以及照片解析度等參數。根據一天之內從早上到晚上太陽天頂角變化情況，一 般可以設置15-30分鐘的採樣頻率，採樣時間可以從早上10:00到下午16 :00,這樣一天之 內獲得的是一個時間序列的圖片系列。一旦接收到匯聚節點傳輸來的照片，伺服器啟動數 據處理程序。
[0033] 數據處理程序對接收到的一天內多個照片，根據拍攝時間信息，進行圖片順序處 理流程。數據處理方法如下：
[0034] (1)顏色空間變化：將原始圖像的RGB空間轉換為HSV空間。
[0035] (2)自動閾值提取：採用大津法（Ostu)計算圖像閾值。
[0036] (3)光照土壤分類：採用計算的閾值，將圖像二值化，低於閾值的像素歸為是樹冠 陰影。
[0037] (4)冠層陰影比計算：按照公式⑴計算冠層陰影比：
[0038] S = Ps/P (1)
[0039] 其中Ps為陰影部分像素個數，P為圖像總像素個數。
[0040] (5)構建多角度數據集
[0041] 對每個時間i上的圖像都可以提取一個陰影比&，則在一天之內，將會獲取多個間 隙率數據，S^S^Ss，……，Si(i = 1:N，N為圖像個數）。根據系統部署地點的經緯度以及成 像時間，可以得到每幅照片成像時候的太陽高度角，HI……，Hi(i = 1:N，N為相片個 數）。這樣形成一個觀測數據集，D =餌，SJ。
[0042] (6)植被結構參數計算 [〇〇43] 按照陰影比公式
[0044] S = k( Θ，h)* (1-exp (-LAI)) (2)
[0045] 按照如下公式求解冠層結構參數，
[0046] Lj = (ΚΤΚ+ λ H) KTS (3)
[0047] 公式⑶中，Q是在將葉傾角分成若干等份區間i上的葉面積指數。
[0048] K為冠層的投影函數，是一個與太陽高度角與葉傾角有關的一個三角函數，如下所 示：
[0049]
【權利要求】
1. 一種獲取植被冠層結構參數的自動測量裝置，其特徵在於：它由低成本數字成像子 系統、數據匯聚子系統和數據接收與接收伺服器子系統三部分組成，低成本數字成像子系 統通過ZigBee無線網絡與數據匯聚子系統通訊連接，數據匯聚子系統通過Internet網絡 和數據接收與接收伺服器子系統通訊連接； 所述低成本數字成像子系統，包括數字攝像模塊，數據採集與控制模塊，存儲模塊和 ZigBee無線模塊；數據採集與控制模塊通過Camera接口連接數字攝像模塊進而執行採集 圖像命令；miniSD卡通過SPI接口與數據採集與控制模連接用於存儲壓縮後的圖像數據； 數據採集與控制模塊通過USART及GPIO與ZigBee無線模塊連接，然後通過無線傳輸圖像 數據； 所述數據匯聚子系統，包括ZigBee無線模塊，數據接收與控制模塊，GPRS遠程通訊模 塊及存儲模塊；ZigBee無線模塊通過無線網絡路由協議與數據接收與控制模塊進行通訊， 數據接收與控制模塊通過GPRS遠程通訊模塊及存儲模塊與伺服器進行通訊；該ZigBee無 線模塊，存儲模塊與低成本數字成像子系統中所設計的ZigBee無線模塊與存儲模塊相同， 該數據接收與控制模塊是Cort ex?-M3為內核的高性能處理器STM32F103RBT6組成，GPRS 遠程通訊模塊由數據傳輸子模塊以及GPRS通訊子模塊組成； 所述數據接收與處理伺服器子系統是由網絡資料庫伺服器以及應用軟體兩部分組成， 其中，該網絡資料庫伺服器為一具有固定IP位址的聯網計算機，應用軟體部分包括數據接 收模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊；該數據接收模塊通過Internet網絡的http協議接 收GPRS通訊子模塊傳輸來的數據，該數據處理模塊負責將接收到的影像進行處理得到冠 層結構參數，它包括圖像分類子模塊、陰影比計算子模塊、結構參數估算子模塊；該數據存 儲模塊負責將計算結果存儲到網絡伺服器的存儲系統，以上應用軟體系統運行於網絡數據 庫伺服器之上，它們之間通過數據存儲接口進行數據通訊。
【文檔編號】G01B11/26GK104089590SQ201410252049
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】屈永華, 付立哲, 焦思紅 申請人:北京師範大學