專利名稱：一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及樹木冠層測量領(lǐng)域，特別涉及樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置。
背景技術(shù)：
樹木冠層參數(shù)是林學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域中評價植物光合作用特征的主要參數(shù)， 在科學(xué)研究、生產(chǎn)實踐中具有重要意義。測量這些參數(shù)的傳感器分為兩類線 形傳感器和半球形傳感器。
線形傳感器如美國Decagon公司的Sunfleck Ceptometer、 AccuPAR PAR-80、 AccuPAR LP-80等型號植物冠層分析儀通過探桿上80個傳感器測量植物冠層中 400-700咖波段內(nèi)的光合有效輻射強度，并計算葉面積指數(shù)。英國Delta公司的 SunScan冠層分析儀通過1米長探桿上的64個傳感器測量描述冠層結(jié)構(gòu)的橢球 體葉傾角分布參數(shù)(ELADP)、太陽天頂角、冠層頂部的直接輻射與散射輻射量以 及冠層內(nèi)部的入射福射量并進一歩反推葉面積指數(shù)，這一類儀器一般用于ffl間 作物等低矮植物的測量，對于高大的喬木，線形傳感器毫無用處，而且線性傳 感器由點上的值推算面上的值的時候，會帶來很大的誤差，而且測量非常費時 費力。
半球形傳感器基于魚眼照相技術(shù)，通過數(shù)碼半球圖像分析系統(tǒng)測定。如美 國LI-COR儀器公司的LM-2000型冠層分析儀，在魚眼相機的感光部分用5個 硅光敏圓環(huán)測定不同天空開度下的太陽輻射傳輸參數(shù)，匹配的LI-1400數(shù)據(jù)采 集器和量子太陽輻射傳感器LI-190及LI-191能測定光合有效輻射(PAR)波段。美國CID公司出品的冠層分析儀CI-100是在LAI-2000的基碑上發(fā)展起來的， 以5個CCD面取代5個硅光敏圓環(huán)，因此傳感器獲取的是2 :r空間的高分辨率冠 層底視孔隙影像圖，然后利用孔隙度函數(shù)反演推算葉面積指數(shù)、透射系數(shù)、平 均葉傾角及植被冠層對入射輻射的衰減系數(shù)等參數(shù)。CI-110植物冠層圖像分析 儀的魚眼探頭或PAR探頭安裝在一個很輕的手柄的頂端，它可以獲取18(T視角 的魚眼圖像或PAR值。加拿大生產(chǎn)的冠層結(jié)構(gòu)與輻射跟蹤儀TRAC在探桿的頭部 安裝了 3個PAR傳感器，采用獨特的創(chuàng)新技術(shù)，在冠層下方沿著橫斷面測定植 物冠層吸收的光合有效輻射分量，然后將之轉(zhuǎn)換為林隙比例分布，從而計算出 葉面積指數(shù)等其它參數(shù)。
一般來說，葉空間分布、傳感器天頂角和太陽高度角是冠層分析的重要參 數(shù)。葉空間分布通過計算集聚指數(shù)得到，迸而可以減小從有效葉面積指數(shù)到實 際葉面積指數(shù)的計算誤差；傳感器天頂角指入射光線與法線的夾角(對于普通 相機來說，垂直于鏡面光線的天頂角為0° );太陽高度角指太陽光線與地面水 平線的夾角(正午時為90。)。
除了 TRAC之外的其他半球形傳感器只在地面某一個點上測量冠層結(jié)構(gòu)，它 在計算原理上假設(shè)葉片在空間的分布是隨機的，也就是說不考慮葉片的空間分 布的。TRAC這種儀器在使用的時候不是在地面某一個點上測量，而是要求沿著 某一條直線走過，從而測量透過冠層的光斑在該條線上的分布，進而統(tǒng)計葉片 的空間分布，并把該統(tǒng)計結(jié)果嵌入到計算公式中。而TRAC儀器測量的時候，其 取天頂角為57。，相當于用一個平均值來代替變化的值，但在實際觀測過程中 并不能嚴格的遵守這個條件，因此存在一定誤差。
LAI-2000等儀器用球面度為7° 、 23° 、 38° 、 58° 、 68°的5個圓環(huán)來近似變化的天頂角，在觀廻有效葉面積指數(shù)時同時觀測了5個角度的信息，對 于有效葉面積指數(shù)的觀測精度較高，但是假設(shè)葉片在空間的分布是隨機的，無 法計算出集聚指數(shù)，因此沒有考慮葉的空間分布。
對于太陽高度角上述儀器采用的校正辦法有的是用一個向上的或獨立的傳 感器測量天空的入射輻射強度，有的則要求盡量在正午時刻進行測量，也就是 說不考慮太陽高度角。
而且，半球形傳感器測量的是儀器安置點處鏡頭的視野范圍內(nèi)的信息，但 是這個視野的開闊度因鏡頭而不同，另外，相機鏡頭的非線性幾何畸變，像平 面和CCD平面不重合引起的線性幾何畸變等因素也帶來誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述不足，設(shè)計一種能同時考慮冠層的葉空間分布、 天頂角和太陽高度角，而且避免了光學(xué)非線性幾何畸變造成的成像誤差的樹木 冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括如下技術(shù)方案 一種樹木冠層分析儀 的數(shù)據(jù)采集裝置，包括濾光片、與濾光片密封連接的傳感裝置，分別與傳感裝 置連接的存儲裝置和采集控制單元，其特征在于所述傳感裝置是由設(shè)于同一 平面上的若干光電傳感單元組成的陣列。
所述傳感裝置為長1.2-1.8米，寬0.6 1.0米的平面。
所述光電傳感單元為硅光敏電池或電荷耦合元件。
所述光電傳感單元為邊長l~2cm的正方形單元。 所述存儲裝置為閃盤數(shù)據(jù)存儲器。
所述采集控制單元包括用于控制傳感裝置和存儲裝置的中央控制單元，與中央控制單元連接有數(shù)字鍵盤和液晶顯示屏幕。
還包括與采集控制單元連接的數(shù)據(jù)信號傳輸端口 。
所述濾光片的濾光波長范圍為400~700nm。
還包括氣泡水準器和活動支架，所述氣泡水準器設(shè)于傳感裝置上，所述活 動支架設(shè)于傳感裝置下端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在平面長時間對樹木冠層結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行測量， 能同時考慮到冠層的葉空間分布、天頂角和太陽高度角，減少誤差；另外由于 采用平面型光電傳感器，減少了光學(xué)成像誤差；傳感裝置連接有存儲裝置，也 實現(xiàn)了能較長時間下的數(shù)據(jù)測量。


附圖l為本發(fā)明的組裝結(jié)構(gòu)附圖2為本發(fā)明采集控制的模塊連接圖。
具體實施例方式
本發(fā)明工作原理如下(1)以長時間的測量代替TRAC儀器沿著地面一條直 線測量的問題。因為太陽從升起到落山，光線透過了太陽移動方向上一個條帶 上的冠層并把光斑投影到測量平板上，也就是說，借助太陽的移動代替了儀器 的移動。在整個測量過程中，平板上檢測的光斑代表了條帶上不同位置的葉片 空隙的投影，從而可以推算葉片的空間分布。(2)以典型的球型樹冠為例，太 陽從不同的角度照射并穿過樹冠到達平板儀器，相當于記錄了不同天頂角情況 下的太陽輻射。目前的常用儀器是以魚眼鏡頭在瞬時獲得不同天頂角條件下的 太陽輻射傳輸特性，而本發(fā)明是通過長時間的測量，以太陽本身的圓周移動獲 得不同天頂角的輻射傳輸特性。至于太陽在全天的入射輻射強度的變化，在天氣晴朗的情況下，準確的歸一化推算公一式?！?br> 以下通過實施例并參照附圖1，附圖2對本發(fā)明的組裝結(jié)構(gòu)和模塊連接原理 做進一歩的說明 一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，包括濾光片l、與濾光
片1密封連接的傳感裝置2，所述傳感裝置2與采集控制單元3連接，與傳感裝 置2連接有存儲裝置4;所述傳感裝置2為硅光敏電池或電荷耦合器件(CCD) 組成的平板矩形陣列；所述存儲裝置4為閃盤數(shù)據(jù)存儲器；所述采集控制單元3 包括控制傳感裝置2采集和存儲裝置4存儲的中央控制單元31，與中央控制單 元31連接的數(shù)字鍵盤32和液晶顯示屏幕33;為了增強拓展性，本數(shù)據(jù)采集裝 置還包括與采集控制單元3連接的數(shù)據(jù)信號傳輸端口，該數(shù)據(jù)信號傳輸端口可 以通過有線方式與電腦連接或者通過紅外線或藍牙技術(shù)與電腦連接；為了減少 干擾，所述濾光片l的濾光波長范圍為400 700nm;為了保證平板傳感器能水 平放置，還包括氣泡水準器5和活動支架6，所述氣泡水準器5設(shè)于傳感裝置2 上，所述活動支架設(shè)于傳感裝置2下端。
具體對本實施例而言，該樹木冠層分析儀數(shù)據(jù)采集裝置劃分為2個區(qū)域， 一個是功能菜單區(qū)域1.5米長，0.15米寬； 一個是光電感應(yīng)區(qū)域，1.4米長，1 米寬，被劃分為邊長為lcm的14000個正方形網(wǎng)格，集成了 14000個硅光敏電 池，或直接以集成化的CCD單元代替，與目前通用的數(shù)碼相機的感光與光電轉(zhuǎn) 換部分不同的是，本發(fā)明CCD陣列的每一個CCD單元大得多，從而造價也更 低得多。
在菜單區(qū)域，提供的數(shù)字鍵盤和液晶顯示屏幕輸入有關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)存儲采 用4G的FLASH存儲器。每個光電池產(chǎn)生的電信號強度被分為0-255個數(shù)量級 別，用8位存儲器來存儲，每次數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)量約IOOKB，以每3分鐘采集一次教據(jù)為最大密度計算，早晨8點到下午6點一天共10個小時的數(shù)據(jù)量是 20MB 。
其工作原理為開始工作時，首先選擇待測位置，通過調(diào)整可伸縮支架和 氣泡水準器平穩(wěn)地安放好帆板，輸入地方時，經(jīng)諱度、主要樹種等環(huán)境描述參 數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率(默認每5分鐘采集一次)，然后開始測量。 一段時間后 按停止鍵結(jié)束測量，回收儀器。接著把存儲器上的數(shù)據(jù)讀入到計算機中，使用 軟件計算出有關(guān)參數(shù)，完成一次工作。通過測量全天時段內(nèi)全角度的冠層太陽 輻射狀況，可推算出植物冠層的葉面積指數(shù)、葉片平均傾斜角度、散射輻射透 過率、直接輻射透過率、消光系數(shù)和葉片的方位分布等參數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，包括濾光片(1)、與濾光片(1)密封連接的傳感裝置(2)，分別與傳感裝置(2)連接的存儲裝置(4)和采集控制單元(3)，其特征在于所述傳感裝置(2)是由設(shè)于同一平面上的若干光電傳感單元組成的陣列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述傳感裝置(2)為長1.2~1.8米，寬0.6-1.0米的平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于 所述光電傳感單元為硅光敏電池或電荷耦合元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于 所述光電傳感單元為邊長l~2cm的正方形單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4所述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于 所述存儲裝置(4)為閃盤數(shù)據(jù)存儲器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述采集控制單元 (3)包括用于控制傳感裝置(2)和存儲裝置(4)的中央控制單元(31)，與中央控制單元(31)連接有數(shù)字鍵盤(32)和液晶顯示屏幕(33)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于還 包括與采集控制單元(3)連接的數(shù)據(jù)信號傳輸端口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所 述濾光片(1)的濾光波長范圍為400 700nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8述的樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于還 包括氣泡水準器(5)和活動支架(6)，所述氣泡水準器(5)設(shè)于傳感裝置(2)上，所述活動支架設(shè)于傳感裝置(2)下端。
全文摘要
一種樹木冠層分析儀的數(shù)據(jù)采集裝置，包括濾光片、與濾光片密封連接的傳感裝置，所述傳感裝置與采集控制單元連接，與傳感裝置連接有存儲裝置；所述傳感裝置是由設(shè)于同一平面上的若干光電傳感單元組成的陣列。本發(fā)明在平面上對樹木冠層結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行測量，工作時放置在樹木或森林的冠層底下，通過測量一段時間內(nèi)透過冠層的太陽光照強弱、光斑結(jié)構(gòu)的變化過程來推算冠層的葉面積指數(shù)、孔隙度、消光系數(shù)以及這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的各向異性特征，由于能同時考慮冠層的葉空間分布、傳感器天頂角和太陽高度角，因此減少誤差；另外由于采用光電傳感器，減少了光學(xué)成像誤差；而且傳感裝置連接有存儲裝置，也實現(xiàn)了能較長時間下的數(shù)據(jù)測量。
文檔編號G01N33/00GK101413875SQ200810219399
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者夏北成, 林廣發(fā) 申請人:中山大學(xué)