一种基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置及方法与流程

本发明涉及一种叶面积检测方法，特别涉及一种基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置及方法。

背景技术：

叶面积指数(leafareaindex，lai)为植物冠层表面物质、能量交换的描述提供结构化的定量信息，它是指一块地上作物叶片的总面积与占地面积的比值，是估计植物冠层功能的重要参数，也是生态系统的一个重要结构参数，可以用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应。目前，lai的检测方法中间接光学模型的测量方法主要研究空隙率，即冠层内太阳辐射未被截取的概率，进而出现一系列基于空隙分析的冠层lai分析仪器。然而，由于叶子大量重叠，在叶面积指数达5～6倍的时候，单位土地面积上的叶片总面积较大导致空隙很小，利用普通冠层分析仪器检测不能分析叶片的重叠，测量值比直接测量测得的数据要小的多。

茶叶是全球最普及的日常饮品之一，遍销海内外。茶在中国具有悠久的历史，尤其中国的茶文化反映出中华民族悠久的文明和礼仪。中国茶叶所含的儿茶素、胆甾烯酮、咖啡碱、肌醇、叶酸、泛酸等多种成分，在综合作用下，有预防和抑制肥胖的功效。截至2014年，我国茶叶总产量达到195万吨，总种植面积达到274万hm2，对外贸易出口总量达30.1万吨，为我国创造了巨大的经济收入。茶树的叶子和其他果树的叶子有所区别，茶树的叶子比较茂密，叶片基本都是重叠的，因此为叶面积指数的检测带来了一定的难度。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、制作成本低的基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置，通过该装置能够快速且准确的检测出茶树的叶面积指数。

本发明的第二目的在于提供一种上述基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置实现的茶树重叠叶面积指数检测方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置，包括直射光源、光电探测器、数据采集卡以及上位机，所述光电探测器包括光电反射传感器以及光电信号调理电路；

所述光电反射传感器连接光电信号调理电路的输入端，光电信号调理电路的输出端通过数据总线连接数据采集卡，数据采集卡连接上位机；

所述直射光源的出光口设置有一个反光杯；所述光电反射传感器布置在直射光源出光口边缘，接收直射光源发出后所反射回来的光。

优选的，所述直射光源布置于十字支架下方。

优选的，所述直射光源是输出波长为808nm的近红外激光器。

优选的，所述光电探测器包括多个光电反射传感器，所述多个光电反射传感器串联后连接光电信号调理电路输入端。

优选的，所述光电反射传感器为红外硅光电池。

优选的，所述反光杯为铝灯杯，铝灯杯内部经过真空电镀处理。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于权利要求1所述的基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置实现的基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测方法，步骤如下：

步骤s1、首先进行拟合测试，获取到光电探测器输出的电压信号的电压值与茶树叶片重叠层数之间的关系，具体过程如下：寻找相应层数的茶树叶片作为测试对象，然后将反光杯放置在测试对象上方，并且移动反光杯对每一测试对象进行多次测试，每次测试时，光电探测器将茶树叶片反射回的光信号转换为电压信号，然后将电压信号经过数据采集卡采集至上位机；将寻找到的多种层数的茶树叶片测试对象经过上述测试后，由上位机拟合得到光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系；

步骤s2、上位机进行参数设置：根据步骤s1中拟合得到的光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系设置一个电压阈值；

步骤s3、当进行茶树叶的叶面积指数检测时，进行如下操作：

将反光杯分别依次放置于各测试点上方进行测试，光电探测器将茶树叶片反射回的光信号转换为电压信号，然后将电压信号经过数据采集卡采集至上位机，上位机判断光电探测器输出电压信号的电压值是否超过电压阈值；若否，则表示反光杯下方测试点不存在茶树叶片；若是，则表示反光杯下方测试点存在茶树叶片；其中，针对于存在茶树叶片的每一测试点，上位机根据反光杯放置于该测试点上方时光电探测器输出电压信号的电压值，利用光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系，计算出该测试点的茶树叶片重叠层数；

当所有测试点完成测试后，计算茶树叶投影面积、茶树叶总面积和叶面积指数；其中：叶面积指数＝茶树叶总面积/茶树叶投影面积；所述茶树叶投影面积为所有测试点的光斑面积之和；所述茶树叶总面积为存在茶树叶片的所有测试点的茶树叶片面积之和；其中，测试点的茶树叶片面积＝测试点的茶树叶片重叠层数×测试点的光斑面积；测试点的光斑指的是直射光源照射到测试点产生的光斑。

优选的，所述步骤s1中拟合得到的光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系为：y＝aexp(bx)；其中a和b为拟合得到的正数，a>0，b>0。

优选的，所述步骤s3中，在进行茶树叶的叶面积指数检测时，将反光板底面分别置于各测试点上方2～4cm。

优选的，所述电压阈值为1.5v。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明检测装置包括直射光源、光电探测器、数据采集卡以及上位机，光电探测器包括光电反射传感器以及光电信号调理电路；光电反射传感器通过光电信号调理电路连接数据采集卡，数据采集卡通过数据总线连接上位机；直射光源的出光口设置有一个反光杯；光电反射传感器布置在直射光源出光口边缘，接收直射光源发出后所反射回来的光。其中该装置中，由直射光源发出的光照射到茶树叶后，有部分的光会被反射至直射光源方向，此时布置在直射光源出光口边缘的光电反射传感器可以接收茶树叶反射回的光，并且通过光电信号调理电路转换成电压信号后由数据采集卡发送至上位机，使得上位机可以获取到光电探测器输出电压信号的电压值。在进行茶树叶的叶面积检测之前，上位机可以先根据已知茶树叶重叠层数的若干个测试点拟合得到光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系，在叶面积指数检测时，将检测装置中反光杯分别置于各个测试点上方，上位机接收到光电探测器输出的电压信号后，可以根据上述拟合得到的函数获取到各个测试点的茶树叶片重叠层数，然后通过各测试点的光斑面积即可计算出各测试点的茶树叶片面积，最后上位机根据所有测试点的茶树叶片叶面积之和与所有测试点的光斑面积之和的比值获取到叶面积指数。由上述可见，本发明通过直射光源的反射光谱能量以及各测试点的光斑面积即可简单快速的检测出茶树叶的叶面积指数，具有结构简单，容易操作以及检测实时的优点。

(2)本发明检测装置中，光电探测器可以包括多个串联的光电反射传感器，其中将多个光电反射传感器串联在一起组成的光电接收靶能够接受尽可能多的反射光，进一步提高本发明叶面积指数检测的准确性。

(3)本发明检测装置中，直射光源可以设置在十字架下方，这样可以方便且平稳的对直射光源进行移动，进而能够使得反光杯可以方便以及平稳的移动到各测试点上方。

(4)本发明检测装置中，反光杯可以为光亮铝灯杯，灯杯内部经过真空电镀处理，聚光反光效果最佳，引出能有效的降低光损，提高光效。

附图说明

图1是本发明叶面积指数检测装置结构示意图。

图2是本发明叶面积指数检测装置光电反射传感器的光信号获取原理图。

图3是本发明叶面积指数检测装置中光电探测器的光电信号调理电路原理图。

图4是本发明叶面积指数检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测装置，如图1和2所示，包括直射光源4、光电探测器、数据采集卡2以及上位机1，光电探测器包括光电反射传感器5以及光电信号调理电路3；

光电反射传感器5通连接光电信号调理电路3的输入端，光电信号调理电路的输出端通过数据总线8连接数据采集卡2，数据采集卡2连接上位机1；

直射光源的4出光口设置有一个反光杯6；如图2所示，光电反射传感器5布置在直射光源4出光口边缘，接收直射光源发出后所反射回来的光；当反光杯6置于茶树叶片上方时，直射光源直射到茶树叶片的光会反射，茶树叶片反射后的光入射到反光杯内壁，经过反光杯内壁反射后，由布置于直射光源4出光口边缘的光电反射传感器5接收。光电反射传感器接收的光信号经过光电信号调理电路后输出相应的电压信号至数据采集卡，由数据采集卡传送至上位机。

本实施例中，如图1所示，直射光源4布置于十字支架7下方，光电反射传感器5的光电信号调理电路3布置于十字架7的上方。这样可以方便且平稳的对直射光源进行移动，进而能够使得反光杯可以方便以及平稳的移动到各测试点上方。

本实施例中，直射光源4是输出波长为808nm的近红外激光器，采用直流5v进行供电即可。

本实施例中，光电探测器包括多个光电反射传感器，多个光电反射传感器串联后连接光电信号调理电路输入端。本实施例中，如图3中所示，光电反射传感器为红外硅光电池，多个红外硅光电池串联后构成光电接收靶，然后连接光电信号调理电路输入端。本实施例中多个红外硅光电池串联后构成的光电接收靶能够接受尽可能多的反射光，进一步提高本发明叶面积指数检测的准确性。

本实施例中所采用的红外硅光电池的型号为bpw34，其感应波长范围为400nm～1100nm，中心波长为850nm，响应快速，适合应用于光电测量。

在本实施例中，如图3所示，光电信号调理电路包括前置放大电路和主放大电路；

前置放大电路包括第一运算放大器、可变电阻r1以及电位器r2；其中第一运算放大器的反相输入端作为光电信号调理电路的输入端，串联后的光电反射传感器连接第一运算放大器的反相输入端；第一运算放大器的反相输入端通过可变电阻r1连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的正相输入端接地；第一运算放大器的调零端连接电位器r2，通过电位器r2实现零位输出。红外硅光电池偏置由第一运算放大器的虚地维持在零电位上，短路电流被转换成电压。

主放大电路包括第二运算放大器、可变电阻r4和电位器r5；前置放大电路中第一运算放大器的输出端通过电阻r3连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的正相输入端接地，第二运算放大器的调零端连接电位器r2；第二运算放大器的反相输入端通过电阻r4连接第二运算放大器的输入端。本实施例中，通过主放大电路对来自前置放大电路的小信号电压进线放大，以将前置放大电路输出的信号放大到数据采集卡所需要的信号电平。

本实施例中，第一运算放大器和第二运算放大器的电源正负端所连接的电源均通过电源滤波电路接地，其中电源滤波电路由并联的无极性电容和电解电容组成。

本实施例中，反光杯为铝灯杯，铝灯杯内部经过真空电镀处理，真空电镀处理后的铝灯杯聚光反光效果最佳，能有效的降低光损，提高光效。

本实施例中，数据采集卡选用ni公司的usb-4431高速数据采集卡，该数据采集卡可以提供数字触发，包括4个24位的模拟输入通道以及1个24位的模拟输出通道，采样频率为1～102.4ks/s，具有100db的动态范围。

本实施例还公开了一种基于上述检测装置实现的基于光谱反射的茶树重叠叶面积指数检测方法，如图4中所示，步骤如下：

步骤s1、首先上位机对数据采集卡的采集通道进行选择，并且设置数据采集卡采集的频率。然后上位机进行拟合测试，获取到光电探测器输出的电压信号的电压值与茶树叶片重叠层数之间的关系，具体过程如下：寻找相应层数的茶树叶片作为测试对象，将反光杯放置在测试对象上方，并且移动反光杯对测试对象进行多次测试，每次测试时，光电探测器将茶树叶片反射回的光信号转换为电压信号，然后将电压信号经过数据采集卡采集至上位机；将寻找到的多种层数的茶树叶片测试对象分别经过上述测试后，由上位机拟合得到光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系；本实施例在拟合测试过程中，针对于各种相应层数的茶树叶片测试对象，反光杯均放置于各测试对象上方2～4cm。在本实施例中，上位机通过spss统计分析软件拟合得到光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系。

步骤s2、上位机进行参数设置：根据步骤s1中拟合得到的光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系设置一个电压阈值，通过该电压阈值判定反光杯下茶树叶片重叠层数是否为0，即判定反光杯下是否有茶树叶片；在本实施例中电压阈值为1.5v。

步骤s3、当进行茶树叶的叶面积指数检测时，进行如下操作：

将反光杯分别依次放置于各测试点上方进行测试，光电探测器将茶树叶片反射回的光信号转换为电压信号，然后将电压信号经过数据采集卡采集至上位机，上位机判断光电探测器输出电压信号的电压值是否超过电压阈值；若否，则表示反光杯下方测试点不存在茶树叶片；若是，则表示反光杯下方测试点存在茶树叶片；其中，针对于存在茶树叶片的每一测试点，上位机根据反光杯放置于该测试点上方时光电探测器输出电压信号的电压值，利用光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系，计算出该测试点的茶树叶片重叠层数；

当所有测试点完成测试后，计算茶树叶投影面积、茶树叶总面积和叶面积指数；其中：叶面积指数＝茶树叶总面积/茶树叶投影面积；所述茶树叶投影面积为所有测试点的光斑面积之和；所述茶树叶总面积为存在茶树叶片的所有测试点的茶树叶片面积之和；其中，测试点的茶树叶片面积＝测试点的茶树叶片重叠层数×测试点的光斑面积；测试点的光斑指的是直射光源照射到测试点对应茶树叶的光斑。

本实施例步骤s3中，将反光杯依次置于各测试点上方，获取到茶树叶的叶面积指数的具体操作过程可以如下：

步骤s31、在反光杯放置于一测试点上方后，即反光杯置于相应的茶树叶片上方后，光电探测器将茶树叶片反射回的光信号转换为电压信号，然后将电压信号经过数据采集卡采集至上位机，上位机判断光电探测器输出电压信号的电压值是否超过电压阈值；

若否，则表示反光杯下方测试点不存在茶树叶片，直接进入步骤s32；

若是，则表示反光杯下方测试点存在茶树叶片，此时根据光电探测器输出电压信号的电压值，利用光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系，计算出测试点的茶树叶片重叠层数，然后根据测试点的茶树叶片重叠层数计算出测试点的茶树叶片面积；计算完成后进入步骤s32；其中，测试点的茶树叶片面积＝测试点的茶树叶片重叠层数×测试点的光斑面积；其中测试点的光斑指的是直射光源照射到测试点产生的光斑；

步骤s32：判断当前测试点是否为最后一个测试点；即判断当前测试点的总数是否达到测试点个数阈值，其中测试点个数阈值可以在步骤s2中进行设置，本实施例中测试点个数阈值为50～100个。

若否，则将反光杯移动至下一测试点上方，然后返回到步骤s31；

若是，则计算茶树叶投影面积、茶树叶总面积和叶面积指数，所述茶树叶投影面积为所有测试点的光斑面积之和，所述茶树叶总面积为步骤s31中所计算出的所有的测试点的茶树叶片面积之和，得到：叶面积指数＝茶树叶总面积/茶树叶投影面积。

本实施例上述方法中，将反光杯置于测试点上方指的是将反光板底面分别置于各测试点上方2～4cm。

在本实施例上述方法中，上位机通过运行labview软件实现相应操作。

上述步骤s1中，拟合得到的光电探测器输出的电压信号的电压值y和茶树叶片重叠层数x之间的函数关系为：y＝aexp(bx)；其中a和b为拟合得到的正数，a>0，b>0。在本实施例中，拟合得到a＝0.0003，b＝2.703，即y＝0.0003exp(2.703x)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。