一种基于智能终端的植被叶面积指数信息自动测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于智能终端的植被叶面积指数信息自动测量系统，它是一种基 于智能终端平台获取植被叶面积指数的便携式测量装置，与植被冠层信息采集应用有关， 属于农业与生态学技术领域。 技术背景
[0002] 陆表植被叶片是植被与大气和太阳辐射进行交互作用的主要界面，而叶面积指 数，被定义为单位面积上的植被所有叶片表面积的一半，是被用来描述植被与外界环境进 行物质能量交换的一个主要参数。因此，获取植被叶面积指数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。
[0003] 冠层叶面积指数的获取方法有直接量测法和间接量测法，直接法虽然被认为是最 为准确的一种测量手段，但是，由于需要破坏性采样以及需要花费更多的人力和时间成本， 因此，在农业生态监测中，真正具有实际应用价值的方法更多地依靠间接测量。而目前所有 的间接测量方法和设备中，可以分为两类，一种是基于手持式逐点测量。目前手持式测量 叶面积指数的方法和装置中，又可以分为成像测量和非成像测量。其中成像测量方式是利 用一种成像传感器，对植被冠层进行向上或者向下拍照，通过对照片中植被与背景（天空 或者土壤）像素分类，获取植被在整个照片中的像素个数比例，从而得到冠层覆盖度，并基 于覆盖度进一步估算叶面积指数。而非成像方式，则是获取植被冠层上部太阳下行总辐射 通量，同时测量冠层内部透过的总辐射通量，利用冠层内外辐射通量的比值，计算冠层透过 率，再进一步依据辐射传输方程估算叶面积指数。
[0004] 本
【发明内容】
按照以上分类方法，属于手持式逐点测量方法中的成像式测量方 案。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CN102778212A." -种利用数码相机获取水稻冠层叶面积指数的方法及装置"，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〃与本发明专 利内容比较接近，但是，本发明专利内容从成像传感器类型、数据处理方式上与以上发明专 利内容不同。以上专利成像传感器要么依靠专业的单反相机，要么依靠普通的数码相机，在 对这些成像传感器的控制方式上，均是采取人工直接操作成像传感器的方式，没有一种发 明是利用智能终端平台来实现数据的采集与计算。另外，由于这些成像传感器平台本身不 具备数据处理能力，它们无法实现对叶面积指数的实时计算，也就是说，它们通过外业数据 采集，然后回到实验室内进行后期数据处理，才能得到植被冠层叶面积指数。
[0005] 本发明针对已有的成像法测量叶面积指数中存在的问题，提出了基于智能设备 (如智能手机或者平板电脑）实现植被冠层成像法实时叶面积指数测量。与已有公开专利 相比较，本发明不再需要用户提供专业的成像设备，只需要目前一般智能手机平台即可，不 需要额外的内业工作，就能够实时得到植被叶面积指数。另外一点，与现有的成像方式获取 叶面积指数方案相比较，本发明能够基于智能终端的GPS传感器和陀螺姿态传感器，在获 取叶面积指数的同时，还可以获取测量位置的经炜度以及拍摄角度，这些数据可以被进一 步用来进行数据分析。这种集成式地获取多种信息的方式，是当前已有发明专利中所没有 涉及到的。由于利用的是当前比较成熟的智能设备，并基于设备的操作系统实现数据的实 时计算，具有传感器容易获取、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，使本发明提高了野外数据获取的效率.
【发明内容】
[0006] (1)发明目的
[0007] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于智能终端的植被叶面积指数信息自 动测量系统，它一是充分利用当前成熟的智能终端设备的成像与高性能计算功能，实现植 被叶面积指数实时计算；二是实现多传感器数据的集成，在测量植被叶面积指数的同时，得 到采样点的实时照片、经炜度位置以及相机姿态，实现多源信息的低成本获取。
[0008] 本发明将成熟智能终端服务技术与农林工程中植被叶面积指数测量相结合，完成 了一种植被叶面积指数信息自动测量系统，能够实现便捷、低成本、多信息一体化采集。
[0009] (2)技术方案
[0010] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0011] 本发明是一种基于智能终端的植被叶面积指数信息自动测量系统，它由硬件和软 件组成，两者彼此兼容。
[0012] 所述硬件，包括信息采集智能终端、用户操作控制平台；两者之间通过无线连接。 该信息采集智能终端是一个智能手机系统，要求配置GPS传感器、陀螺仪传感器、环境光照 传感器、成像传感器、WIFI传感器，操作系统为安卓4. 0以上。该用户操作控制平台是一 个智能手机或者平板电脑系统，与信息采集智能终端的区别是只要求具有相同的操作系统 (安卓4. 0以上）以及具有WIFI传感器即可，对于其它传感器没有要求。
[0013] 所述软件，包括信息采集软件模块、无线传输控制模块以及实时计算存储模块。其 间关系是：信息采集模块将采集的图像信息以及位置和姿态信息通过无线传输控制模块传 输到实时计算存储模块，并在实时计算存储模块完成数据计算和存储。三个软件模块分别 部署在以上两种硬件系统内。其中信息采集软件模块内嵌在信息采集智能终端中；无线传 输控制模块分别部署在信息采集智能终端与用户操作控制平台内，负责建立信息采集终端 与用户操作控制平台连接；实时计算存储模块内嵌在用户操作控制平台智能终端系统内。 它们之间的连接关系如图1所示。
[0014] 该信息采集软件模块由四个子模块组成：初始化子模块、成像传感器调用模块、 GPS传感器调用模块、陀螺传感器调用模块。它们之间的调用关系是：在初始化子模块中检 查成像传感器、GPS传感器、陀螺传感器是否存在，根据检查情况，记录每个传感器的状态， 即是否存在。如果成像传感器不存在，则无法进入后续流程，否则，系统根据初始化检查的 记录结果，对存在的传感器进行调用。如果成像传感器存在，则进入成像传感器调用模块， 如果调用成功，在信息采集智能终端屏幕上预览实时成像结果。如果GPS传感器存在，则进 入GPS传感器调用模块，从GPS传感器中获取当前位置的经炜度，同时显示在信息采集智能 终端屏幕上，如果GPS存在但调用不成功，在屏幕上显示系统默认的经炜度数值。如果陀螺 传感器存在，则进入陀螺传感器调用模块，如果调用成功，则在信息采集智能终端屏幕上显 示终端的姿态信息，包括俯仰角和翻滚角。信息采集软件模块内部子模块调用关系流程图 如图2所示。
[0015] 该无线传输控制模块由两个子模块组成：其一是部署在信息采集智能终端内的网 络扫描与连接子模块，其二是部署在用户操作控制平台内的网络服务与图像监控子模块。 两个子模块之间通过WIFI网络连接。其中部署在信息采集智能终端内的网络扫描与连接 子模块的数据流程是：判断信息采集终端是否打开WIFI传感器，如果没有打开，则提示用 户打开WIFI传感器，然后等待用户打开。如果已经打开，则扫描附近的WIFI热点，根据用 户选择，连接来自用户操作控制平台的热点，如果连接成功，则在信息采集智能终端屏幕上 显示当前终端IP地址，等待用户操作控制平台终端发送数据请求。其中部署用户操作控制 平台内的网络服务与图像监控子模块的工作流程是：等待用户开启用户操作控制工作台的 WLAN热点，然后，用户设置当前信息采集智能终端的网络IP地址，由用户操作控制平台向 信息采集智能终端发出数据连接请求，一旦连接请求成功，两个终端之间建立持续的网络 连接。最终实现在用户操作控制平台上可以显示信息采集智能终端屏幕的所有内容，从而 保证在用户操作控制平台上对信息采集智能终端进行网络监控。
[0016] 该实时计算存储模块部署在用户操作控制平台内，负责接收无线传输控制模块传 来的图像并对图像进行自动处理，并负责把处理结果保存在用户操作控制平台终端的存储 器上。实时计算存储模块由两个子模块组成：一是图像分类计算子模块，二是数据存储子模 块。它们之间的数据连接关系是：图像分类子模块完成分类和计算之后，将计算结果以及图 像获取时的经炜度和姿态信息发送给数据存储子模块，数据存储子模块将以上数据存储在 存储器上，至此完成植被叶面积指数的测量和存储过程。
[0017] 其中图像分类计算子模块的工作过程是：将无线传输控制模块传来的原始彩色图 像（RGB)分别提取红绿蓝三个波段数据，分别是R(Red)，G(Green)，B(Blue);根据拍摄方 向，选择对应的分类特征：如果向上拍摄，构建分类特征：
[0018] C=B (1)
[0019] 如果向下拍摄，构建：
[0020] C= (2G-R-B) / (2G+R+B) (2)
[0021] 对于确定的分类特征C，采用Otsu算法进行明暗像元的分类，分类的结果将整幅 图像分为植被像素和背景像素；最后统计背景像素占全部像素的比例，该计算值即为在当 前观测方向冠层间隙率（P);根据间隙率模型估算叶面积指数，即
[0022] LAI= _21n(p)cos( 9 ) (3)
[0023] 其中0为拍摄图像时候得到的信息采集智能终端的天顶角。
[0024] 其中数据存储子模块的工作过程是：获取从无线传输控制模块传递过来的原始图 像、经炜度与高程数值、倾角数值、成像时间，获取图像分类计算子模块的输出的分类后图 像、间隙率P，叶面积指数。根据用户设置工作路径，将以上数据存储在工作路径内。
[0025] 优点及功效：
[0026] 本发明基于智能终端的植被叶面积指数信息自动测量系统，其优点是：
[0027] 1利用当前主流智能终端平台，实现对植被冠层叶面积指数计算，降低了野外实验 成本。