一种林木叶面积指数远程监测装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种林木叶面积指数监测装置及其测量方法，具体涉及一种林木叶面积指数远程监控装置及其测量方法，属于森林生态检测技术领域。

背景技术：

林木叶面积指数LAI(Leaf Area Idex)是指单位土地面积上植被叶片单面面积的总和，是生态环境评估、森林固炭能力研究、植物生态学研究的重要指标之一，获取林木叶面积指数具有重要意义。

林木冠层叶面积指数可以通过直接测量和间接测量的方式获取。直接测量法多采用人工手动的方式进行测量，耗时、费力、成本高、效率低且具有破坏性，因此，在进行生态学、林学研究的过程中多采用间接测量法。间接测量法包括斜点样方法、基于辐射的方法、孔隙度反演法等。斜点样方法通过细长的探针以一定的角度刺入林木冠层，统计探针穿透叶片的次数，根据相应计算公式计算叶面积指数；基于辐射的方法利用太阳光线穿过介质时的削弱效果判定介质的特性，将林木冠层看作具有一定分布规律的介质，计算阳光的辐射透过率，利用泊松(Beer-Lambert)模型计算叶面积指数；孔隙度反演法因其操作简单计算方便近年来备受众多学者推崇，叶面积指数测量时，首先，通过成像设备获取林木冠层图像，再由冠层图像计算冠层孔隙度，最后由孔隙度计算叶面积指数。根据各种各样的叶面积指数测量方法出现了AccuPAR、TRAC、HemiView、LAI-2000、CI-110、MVI等众多可用于测量叶面积指数的设备，但这些设备测量精度有限且成本较高，仍具有一定的完善空间。

现有叶面积指数测量仪器大多采取人工手动操作的方式进行实地测量，不适合对林木叶面积指数长时间的实时监测，不具备远程控制、自动、实时、高效的特点。在已公开的发明专利中，专利CN102538717A.“叶面积指数自动观测系统及其方法”，专利CN105004327A.“一种基于智能终端的植被叶面积指数信息自动测量系统”，专利CN104359428A.“一种长时间序列野外森林叶面积指数测量仪及其测量装置”，首先，以上发明专利无线传输模块多采用GPRS模块或无远程无线传输模块，数据传输效率较3G无线模块略逊一筹，3G无线模块可兼容多种通信协议，增加了数据传输的途径；其次，在数据处理方面，这些装置大多不具备现场处理数据的能力，而是将采集到的数据带回实验室处理或将数据远程传输至服务器处理，而具备现场处理数据能力的装置不具备远程通信的能力；最后，以上装置在工作时多是单一的工作模式，不能根据实际需要进行不同工作模式的选择。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，发明提供了一种林木叶面积指数远程监测装置及其测量方法，实现实时、远程控制、自动、高效的获取林木叶面积指数。

方案一：本发明提出的一种林木叶面积指数远程监测装置，包括器件箱和三角支架，器件箱置于三角支架上，所述器件箱内包括测量部分、无线传输部分和供电部分，所述测量部分包括DSP控制板、显示屏、水平调整舵机、垂直调整舵机和工业相机，所述DSP控制板输出端分别连接显示屏、水平调整舵机和垂直调整舵机，所述DSP控制板带有SD卡插槽、按键和USB接口，所述工业相机通过USB接口与DSP控制板连接，所述工业相机安装在垂直调整舵机的支架上，并随着垂直调整舵机转动，所述垂直调整舵机安装在水平调整舵机的支架上，并随着水平调整舵机转动，所述无线传输部分通过数据线与DSP控制板的USB接口相连，所述供电部分为测量部分和无线传输部分供电。

进一步地：所述无线传输部分为3G无线模块，用于通过Internet和服务器与远程PC或移动智能设备建立数据连接、远程数据传输和远程控制信号的接收。

进一步地：所述供电部分包括太阳能板、充电控制器、蓄电池、时控开关和稳压变压模块，所述太阳能板置于器件箱的外部，充电控制器、蓄电池、时控开关和稳压变压模块置于器件箱的内部，太阳能板的输出端与充电控制器的输入端连接，充电控制器的输出端与蓄电池的输入端连接，蓄电池的输出端与时控开关的输入端连接，时控开关的输出端与稳压变压模块的输入端连接，稳压变压模块的输出端为供电部分的输出端，为测量部分和无线传输部分供电。

进一步地：所述供电部分的输出端串联保险管，供电回路上设有电源开关和时控开关，保险管用于防止因电路故障损毁其他电路器件，电源开关用于控制测量部分和无线传输部分的供电，时控开关用于设定电路通断的周期，可有效节省电力，降低电路器件的损耗。

进一步地：所述器件箱的材质为防水防晒的塑胶材料，器件箱上盖设有透明半球防水罩，器件箱的底部设有防水散热罩，所述防水散热罩下端敞口，上端与器件箱连通，可以实现器件箱内的通风散热，保证电路器件工作环境。

进一步地：所述三角支架包括固定脚、支撑杆和载物台，所述固定脚通过转轴与支撑杆连接，支撑杆顶部经固定与载物台连接，所述载物台用于放置并固定器件箱和太阳能板。

方案二：本发明提出的一种林木叶面积指数远程测量方法，该方法是基于方案一所述一种林木叶面积指数远程监测装置实现的，具体步骤：

利用测量部分的DSP控制板实现整个系统的器件功能控制、图像处理和叶面积指数的计算，系统工作时由下向上拍摄林木冠层图像，获得图像为RGB彩色图像，其中R为红色分量，G为绿色分量，B为蓝色分量，需对RGB图像进行中值滤波处理，对处理后RGB图像提取B分量图像，应用蚁群聚类算法对B分量图像进行聚类分割，将聚类分割结果分为两类，分别为植被区域和天空区域，统计两类的像元的数量，由此计算孔隙度，再根据Beer-Lambert定律等理论，由叶面积指数与孔隙度的关系计算叶面积指数，并通过3G无线模块进行远程数据传输。

本发明所达到的效果为：

本发明针对现有孔隙度反演法获取叶面积指数中出现的问题，提出了一种林木叶面积指数远程监测装置及其测量方法。与已有公开发明相比较，本发明采取3G无线模块进行远程数据传输，传输速率更高并且兼容多种通信协议，支持功能更多，充分利用了飞速发展的现代通信技术，满足人们对通信能力的要求；本发明采用DSP芯片作为控制与数据处理芯片，既能实现对整个设备的控制，又能完成较复杂的图像处理过程和数学运算，可在现场完成数据处理，计算得到叶面积指数，这在其他同类发明中鲜有发生；本发明可根据需要远程设定设备的工作模式，可远程传输叶面积指数的测量结果、林木冠层图像和相关设备参数等，数据传输内容可选，可设置装置的待机工作时间周期，节省了电能，并且延长了装置的使用寿命，使装置的工作过程更加人性化。具体地：

1、通过时控开关可设置监测系统的有效待机工作时间，准备接收控制信号或数据传输，节省了电力和器件损耗。

2、远程控制与数据传输通过无线传输部分的3G无线模块实现，3G无线模块具有传输速度快支持功能多的特点，通过3G模块实现远程工业相机角度调整、拍照控制、数据传输和监测系统工作模式设定，节省人力和时间。

3、DSP控制板具有图像处理和数据运算的功能，可实现通过林木冠层图像计算LAI的功能，DSP控制板上的SD卡用于存储图像与LAI的原始数据，以备随时调用，DSP控制板上的显示屏用于显示计算得到的LAI结果，节省后期的数据处理步骤，方便高效。

附图说明

图1是本发明器件箱内部结构示意图；

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明结构框图；

图中：10-器件箱；101-充电控制器；102-蓄电池；103-时控开关；104-稳压变压模块；105-3G无线模块；106-保险管；107-电源开关；108-透明半球防水罩；109-防水散热罩；120-DSP控制板；1201-SD卡插槽；1202-按键；1203-USB接口；121-显示屏；122-水平调整舵机；123-垂直调整舵机；124-工业相机；20-三角支架；201-载物台；202-支撑杆；203-固定脚；30-太阳能板。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如附图1至图3所示本发明的实施例提供了一种林木叶面积指数远程监测装置，包括器件箱10和三角支架20，器件箱10置于三角支架20上，所述器件箱10内包括测量部分、无线传输部分和供电部分，所述测量部分包括DSP控制板120、显示屏121、水平调整舵机122、垂直调整舵机123和工业相机124，所述DSP控制板120输出端分别连接显示屏121、水平调整舵机122和垂直调整舵机123，所述DSP控制板120带有SD卡插槽1201、按键1202和USB接口1203，所述工业相机124通过USB接口1203与DSP控制板120连接，所述工业相机124安装在垂直调整舵机123的支架上，并随着垂直调整舵机123转动，所述垂直调整舵机123安装在水平调整舵机122的支架上，并随着水平调整舵机122转动，所述无线传输部分通过数据线与DSP控制板120的USB接口1203相连，所述供电部分为测量部分和无线传输部分供电。所述无线传输部分为3G无线模块105，用于通过Internet和服务器与远程PC或移动智能设备建立数据连接、远程数据传输和远程控制信号的接收。所述供电部分包括太阳能板30、充电控制器101、蓄电池102、时控开关103和稳压变压模块104，所述太阳能板30置于器件箱10的外部，充电控制器101、蓄电池102、时控开关103和稳压变压模块104置于器件箱10的内部，太阳能板30的输出端与充电控制器101的输入端连接，充电控制器101的输出端与蓄电池102的输入端连接，蓄电池102的输出端与时控开关103的输入端连接，时控开关103的输出端与稳压变压模块104的输入端连接，稳压变压模块104的输出端为供电部分的输出端，为测量部分和无线传输部分供电。所述供电部分的输出端串联保险管106，供电回路上设有电源开关107和时控开关103，保险管用于防止因电路故障损毁其他电路器件，电源开关用于控制测量部分和无线传输部分的供电，时控开关103用于设定电路通断的周期，可有效节省电力，降低电路器件的损耗。所述器件箱10的材质为防水防晒的塑胶材料，器件箱10上盖设有透明半球防水罩108，器件箱10的底部设有防水散热罩109，所述防水散热罩109下端敞口，上端与器件箱10连通，可以实现器件箱内的通风散热，保证电路器件工作环境。所述三角支架20包括固定脚203、支撑杆202和载物台201，所述固定脚203通过转轴与支撑杆202连接，支撑杆202顶部经固定与载物台201连接，所述载物台201用于放置并固定器件箱10和太阳能板30。

本实施方式提出的一种林木叶面积指数远程测量方法，该方法是基于所述一种林木叶面积指数远程监测装置实现的，具体步骤：

利用测量部分的DSP控制板120实现整个系统的器件功能控制、图像处理和叶面积指数的计算，系统工作时由下向上拍摄林木冠层图像，获得图像为RGB彩色图像，其中R为红色分量，G为绿色分量，B为蓝色分量，需对RGB图像进行中值滤波处理，所述中值滤波处理的步骤为：

1.提取RGB图形的三个分量，选取适当模版，分别对R、G、B三分量进行中值滤波处理；

2.将滤波后的R、G、B三分量合成RGB彩色图像。

根据中值滤波处理后的RGB图像，提取B分量图像，应用蚁群聚类算法对B分量图像进行聚类分割，

所述蚁群聚类算法步骤如下：

1.初始化参数，包括分类个数k、种群大小m、分类原则阈值p₀、信息素矩阵τ_ij；

2.根据产生的均匀分布的数组与分类原则阈值p₀进行比较，确定分类原则并根据信息素矩阵τ_ij的数据进行分类；

3.对包含N个元素的每个蚂蚁的解，计算类中心V_j、权重矩阵μ_ij、目标函数F(μ,V)，其中：类中心V_j为类内均值，

4.对所有蚂蚁的解进行局部寻优，提高解的质量；

5.根据目标函数值确定L个最优解，L<m，更新信息素矩阵：

其中，

6.根据迭代次数和目标函数判断是否满足结束条件，否则，执行步骤2。

将聚类分割结果分为两类，分别为植被区域和天空区域，统计两类的像元的数量，应用公式计算孔隙度，式中T表示孔隙度，N₀表示天空区域像元个数，N₁表示植被部分像元个数，可以根据Beer-Lambert定律，叶面积指数与孔隙度的关系为：式中LAI为叶面积指数，T(θ)为天顶角为θ时的孔隙度，G(θ,α)为天顶角为θ、叶倾角为α的投影函数，当θ＝57.5°时，G(θ,α)＝0.5且与叶倾角α无关，因此叶面积指数公式表示为：计算天顶角为57.5°位置的叶面积指数，通过3G无线模块进行远程数据传输。

叶面积指数测量工作步骤如下：

1.装置安放。选择合适的监测地点，监测地点附近须有直射阳光以便使用太阳能板30给蓄电池102供电；将固定脚203埋于地下，使装置固定在地面上以防风雨的侵袭。

2.角度调整。应用DSP控制板120上的按键1202调整工业相机124的角度使其水平向上；调整太阳能板30的倾斜角度和方向使其充分的获取太阳能。

3.参数设置。设置时控开关103的通断周期以实现供电部分合理的对系统供电；设置工业相机124的技术参数保证获取图像的质量。

4.功能测试。将监测装置上电，测试工业相机124、DSP控制板120、3G无线模块105、供电部分是否正常，若功能正常则使用手机登录Web服务器测试装置是否能够收发数据，若一切正常则表示功能测试成功。

5.获取图像。使用电脑或手机登录Web服务器，将信息采集终端图像通过3G无线模块传输到用户操作控制平台上。

6.计算结果。进入操作界面单击“开始计算”，查看装置的叶面积指数测量结果，选择装置的工作模式，即发送数据内容可在原始冠层图像和叶面积指数测量结果中任意选择；可通过Web服务器界面上的控制按钮控制工业相机124的角度，使其满足实验要求。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。