專利名稱：作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光分布測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
植物冠層內(nèi)輻射分布的測(cè)定為冠層內(nèi)輻射傳輸與分布規(guī)律的研究奠定了基礎(chǔ)，是驗(yàn)證輻射模型的主要方法。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代自動(dòng)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種專門的作物冠層內(nèi)光的觀測(cè) 儀器。如=LI-COR公司出品的LI-190SA點(diǎn)式和LI-191SA線式光合有效輻射光量子測(cè)定儀；英國(guó)的Delta-T儀器公司出品的SunScan冠層分析儀；美國(guó)Decagon儀器公司的AccuPAR冠層分析儀，主體為ー個(gè)80cm的探棒上均勻分布著的80個(gè)PAR探頭，并通過ー個(gè)小型操作終端，具有對(duì)探頭編組測(cè)定的能力。在自行研制的光分布測(cè)量?jī)x器方面，Karine Chenu等人于2008年基于Turtle模型原理研制了 Turtle_6和Turtle_16測(cè)量?jī)x。這些光分布測(cè)量裝置可以進(jìn)行植物冠層的光分布測(cè)量，但方式各不相同，LI-190SA點(diǎn)式和LI-191SA線式可對(duì)指定點(diǎn)與線上的光分布進(jìn)行測(cè)量，SunScan冠層分析儀可對(duì)線上的輻射分布給出平均輻射值，AccuPAR冠層分析儀可得到探棒上的80個(gè)探頭的光強(qiáng)值，TurtIe_6和Turtle_16則可以較好地測(cè)量指定點(diǎn)的散射光分布值。但上述光分布測(cè)量裝置的主要缺陷為點(diǎn)式測(cè)量?jī)x較厚重，難以安裝到植物葉片指定位置，即使安裝上，也會(huì)導(dǎo)致植物葉片損失自然形態(tài)，給測(cè)量帶來(lái)誤差；線式測(cè)量裝置的缺點(diǎn)是測(cè)量位置難以調(diào)整，無(wú)法測(cè)量指定位置的光強(qiáng)度信息，SunScan冠層分析儀、AccuPAR冠層分析儀也具有該缺陷；Turtle_6和Turtle_16測(cè)量?jī)x可以測(cè)量作物冠層內(nèi)指定點(diǎn)的光分布信息，但其也無(wú)法依附在植物葉片上，且無(wú)法同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)度信息；另外，以上各種光分布測(cè)量裝置都無(wú)法同時(shí)測(cè)量多個(gè)任意指定點(diǎn)的光強(qiáng)度信息。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何便于調(diào)整測(cè)量位置、并且不會(huì)使植物葉片損失自然形態(tài)，以提高光分布測(cè)量的精度。( ニ )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了ー種作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置，所述裝置包括承載單元、接收單元、以及至少ー個(gè)光傳感器，所述承載単元包括支撐部分和與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分，所述至少一個(gè)光傳感器分別設(shè)于所述承載部分上、且依次串聯(lián)連接，所述至少一個(gè)光傳感器中的一個(gè)光傳感器與所述接收單元連接。優(yōu)選地，所述裝置還包括支架和天空傳感器，所述支架的頂端位于所述待測(cè)作物的冠層頂部，所述天空傳感器設(shè)于所述支架的頂端，所述天空傳感器與所述至少一個(gè)光傳感器中的一個(gè)光傳感器連接。
優(yōu)選地，所述光傳感器上設(shè)有濾光片。優(yōu)選地,所述承載單元為金屬條。本發(fā)明還公開了ー種基于所述的作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置的測(cè)量方法，所述方法包括以下步驟SI :利用承載單元上的支撐部分將所述承載單元進(jìn)行固定，使所述承載単元上與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分與待測(cè)作物葉片相接觸；S2 :將至少ー個(gè)光傳感器根據(jù)需要分別設(shè)于所述承載部分上的測(cè)量處；S3 :將天空傳感器設(shè)于支架的頂端；S4 :所述接收單元每經(jīng)過預(yù)設(shè)間隔時(shí)間進(jìn)行一次信號(hào)采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)作物葉 片的冠層內(nèi)光分布測(cè)量。優(yōu)選地，步驟SI之前還包括以下步驟SO :選取待測(cè)作物葉片，根據(jù)所述待測(cè)作物葉片的形態(tài)加工承載單元，以實(shí)現(xiàn)承載単元上的承載部分與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同。優(yōu)選地，步驟S2中的光傳感器上設(shè)有濾光片；步驟S4中進(jìn)行信號(hào)采集后，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行還原。(三)有益效果本發(fā)明通過承載単元上與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分來(lái)放置光傳感器，便于調(diào)整測(cè)量位置、并且不會(huì)使植物葉片損失自然形態(tài)，提高了光分布測(cè)量的精度。


圖I是按照本發(fā)明ー種實(shí)施例的作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是濾光片對(duì)不同強(qiáng)度的光強(qiáng)濾光的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。本實(shí)施方式的裝置包括與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載單元、接收單元、以及至少ー個(gè)光傳感器，所述至少一個(gè)光傳感器分別設(shè)于所述承載単元上、且分別與所述接收單元連接。為避免出現(xiàn)光傳感器超程情況出現(xiàn)，優(yōu)選地，所述光傳感器上設(shè)有濾光片。為防止承載單元的面積過大，從而對(duì)待測(cè)作物葉片進(jìn)行遮擋，本實(shí)施方式中，所述承載單元優(yōu)選為金屬條。本發(fā)明還公開了ー種基于所述的作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置的測(cè)量方法，所述方法包括以下步驟SI :將與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載單元進(jìn)行固定，使所述承載単元與待測(cè)作物葉片相接觸；S2 :將至少ー個(gè)光傳感器根據(jù)需要分別設(shè)于所述承載単元上的測(cè)量處；S3 :將所述至少ー個(gè)光傳感器分別與所述接收単元進(jìn)行連接；S4 :所述接收單元每經(jīng)過預(yù)設(shè)間隔時(shí)間進(jìn)行一次信號(hào)采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)作物葉片的冠層內(nèi)光分布測(cè)量。優(yōu)選地，步驟SI之前還包括以下步驟SO :選取待測(cè)作物葉片，根據(jù)所述待測(cè)作物葉片的形態(tài)加工承載單元，以實(shí)現(xiàn)承載單元與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同。優(yōu)選地，步驟S2中的光傳感器上設(shè)有濾光片；步驟S4中進(jìn)行信號(hào)采集后，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行還原。實(shí)施例參照?qǐng)D1，本實(shí)施例中，光傳感器由于要放置于植物葉片表面，因此，在保證測(cè)量精度的同吋，降低傳感器重量也是重點(diǎn)，因此，傳感器采用ISL29004光傳感器，該傳感器質(zhì)量較小，且能保證獲取數(shù)據(jù)具有較高的精度，但在大田中測(cè)量光分布時(shí)，容易出現(xiàn)光強(qiáng)超量程 的情況，因此，在傳感器上加濾光片，由于加了濾光片，因此，需要對(duì)不同強(qiáng)度的光強(qiáng)進(jìn)行濾光系數(shù)的確定，從而進(jìn)行采集信號(hào)的還原，以保證系統(tǒng)輸出正確的光強(qiáng)值。經(jīng)測(cè)量，單個(gè)傳感器加濾光片重量為11. 90g。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，每條線路只容許8個(gè)傳感器，每個(gè)線路配有一個(gè)筆記本(即接收單元)記錄數(shù)據(jù)，傳感器間采用質(zhì)量較小的數(shù)據(jù)線連接，數(shù)據(jù)線配有15cm、20cm和30cm三個(gè)長(zhǎng)度的，數(shù)據(jù)線重量為6. 09g(15cm長(zhǎng)的數(shù)據(jù)線)以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行選擇，其中，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為I2C總線協(xié)議；在對(duì)待測(cè)作物葉片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，包括如下步驟根據(jù)所待測(cè)作物葉片設(shè)計(jì)輕搭架形態(tài)與搭架固定方式首先確定預(yù)進(jìn)行光分布測(cè)量的作物葉片主要形態(tài)，以玉米為例，選定預(yù)測(cè)量其上光分布的玉米葉片，用數(shù)字化儀測(cè)量其葉脈形態(tài)，選擇一定長(zhǎng)度的鋁條(即金屬條，其重量為O. 3g/cm)將其加工成葉脈曲線形態(tài)，鋁條的前端有IOcm空余，后端有80cm左右(具體根據(jù)所待測(cè)作物葉片的葉尖距離地面的距離決定)的空余。鋁條前端插入所待測(cè)作物葉片的葉鞘與莖桿之間的空隙并用繩子綁定加固，后端插入土地中，如此固定的鋁條與葉片形態(tài)一致，其上面可以放置光傳感器，如可在鋁條上均勻放置多個(gè)光傳感器。根據(jù)具體作物生長(zhǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)測(cè)量環(huán)境線路一端需延長(zhǎng)ー個(gè)天空傳感器至所述待測(cè)作物葉片的冠層頂部，以測(cè)量冠層外部的光強(qiáng)，外部的傳感器要保持水平。每條線路的另一端延長(zhǎng)至冠層外部通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換ロ連接到筆記本，由于實(shí)驗(yàn)需對(duì)冠層光分布進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，筆記本需放置于箱子內(nèi)以防止太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射導(dǎo)致溫度過高，箱子需距測(cè)量群體有一定距離以減少箱子對(duì)冠層光分布的影響。參照?qǐng)D2，光強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的還原光傳感器所接收到的光強(qiáng)為經(jīng)濾光片過濾后的光強(qiáng)，為得到測(cè)量位置的實(shí)際光強(qiáng)，需對(duì)測(cè)量光強(qiáng)進(jìn)行還原。實(shí)驗(yàn)表明，濾光片對(duì)不同強(qiáng)度的光強(qiáng)濾光為線性變化，因此確定還原公式為L(zhǎng) = 6600. OXVa，其中Va為傳感器實(shí)際測(cè)量值，L為實(shí)際測(cè)量光強(qiáng)(單位為勒克斯)。該測(cè)量裝置上的傳感器每3秒記錄并存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)，因此，該測(cè)量裝置可對(duì)作物冠層指定位置的光強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。所測(cè)量數(shù)據(jù)可用于作物冠層模擬方法的驗(yàn)證，也可用于分析作物指定器官光強(qiáng)的連續(xù)變化。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍 應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.ー種作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置，其特征在于，所述裝置包括承載單元、接收單元、以及至少ー個(gè)光傳感器，所述承載単元包括支撐部分和與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分，所述至少一個(gè)光傳感器分別設(shè)于所述承載部分上、且依次串聯(lián)連接，所述至少ー個(gè)光傳感器中的一個(gè)光傳感器與所述接收單元連接。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括支架和天空傳感器，所述支架的頂端位于所述待測(cè)作物的冠層頂部，所述天空傳感器設(shè)于所述支架的頂端，所述天空傳感器與所述至少一個(gè)光傳感器中的一個(gè)光傳感器連接。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述光傳感器上設(shè)有濾光片。
4.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，所述承載單元為金屬條。
5.ー種基于權(quán)利要求I 3中任一項(xiàng)所述的作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 Si:利用承載單元上的支撐部分將所述承載單元進(jìn)行固定，使所述承載単元上與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分與待測(cè)作物葉片相接觸； 52:將至少ー個(gè)光傳感器根據(jù)需要分別設(shè)于所述承載部分上的測(cè)量處； 53:將天空傳感器設(shè)于支架的頂端； 54:所述接收單元每經(jīng)過預(yù)設(shè)間隔時(shí)間進(jìn)行一次信號(hào)采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)作物葉片的冠層內(nèi)光分布測(cè)量。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟SI之前還包括以下步驟 SO :選取待測(cè)作物葉片，根據(jù)所述待測(cè)作物葉片的形態(tài)加工承載單元，以實(shí)現(xiàn)承載單元上的承載部分與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S2中的光傳感器上設(shè)有濾光片； 步驟S4中進(jìn)行信號(hào)采集后，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行還原。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種作物冠層內(nèi)光分布測(cè)量裝置及方法，涉及光分布測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，所述裝置包括承載單元、接收單元、以及至少一個(gè)光傳感器，所述承載單元包括支撐部分和與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分，所述至少一個(gè)光傳感器分別設(shè)于所述承載部分上、且依次串聯(lián)連接，所述至少一個(gè)光傳感器中的一個(gè)光傳感器與所述接收單元連接。本發(fā)明通過承載單元上與待測(cè)作物葉片形態(tài)相同的承載部分來(lái)放置光傳感器，便于調(diào)整測(cè)量位置、并且不會(huì)使植物葉片損失自然形態(tài)，提高了光分布測(cè)量的精度。
文檔編號(hào)G01J1/00GK102680084SQ20121012513
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者溫維亮, 王傳宇, 王成, 郭新宇, 高權(quán) 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心