一種基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)，它是一種基 于智能終端平臺獲取植被葉面積指數(shù)的便攜式測量裝置，與植被冠層信息采集應用有關， 屬于農業(yè)與生態(tài)學技術領域。 技術背景
[0002] 陸表植被葉片是植被與大氣和太陽輻射進行交互作用的主要界面，而葉面積指 數(shù)，被定義為單位面積上的植被所有葉片表面積的一半，是被用來描述植被與外界環(huán)境進 行物質能量交換的一個主要參數(shù)。因此，獲取植被葉面積指數(shù)是研究植被生長發(fā)育狀態(tài)及 其蓄積生物量的一個重要途徑。
[0003] 冠層葉面積指數(shù)的獲取方法有直接量測法和間接量測法，直接法雖然被認為是最 為準確的一種測量手段，但是，由于需要破壞性采樣以及需要花費更多的人力和時間成本， 因此，在農業(yè)生態(tài)監(jiān)測中，真正具有實際應用價值的方法更多地依靠間接測量。而目前所有 的間接測量方法和設備中，可以分為兩類，一種是基于手持式逐點測量。目前手持式測量 葉面積指數(shù)的方法和裝置中，又可以分為成像測量和非成像測量。其中成像測量方式是利 用一種成像傳感器，對植被冠層進行向上或者向下拍照，通過對照片中植被與背景（天空 或者土壤）像素分類，獲取植被在整個照片中的像素個數(shù)比例，從而得到冠層覆蓋度，并基 于覆蓋度進一步估算葉面積指數(shù)。而非成像方式，則是獲取植被冠層上部太陽下行總輻射 通量，同時測量冠層內部透過的總輻射通量，利用冠層內外輻射通量的比值，計算冠層透過 率，再進一步依據(jù)輻射傳輸方程估算葉面積指數(shù)。
[0004] 本
【發(fā)明內容】
按照以上分類方法，屬于手持式逐點測量方法中的成像式測量方 案。在已公開的發(fā)明專利中，專利CN102538717A. 〃葉面積指數(shù)自動觀測系統(tǒng)及其方法〃， 專利CN102778212A." -種利用數(shù)碼相機獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法及裝置"，專利 CN101916438A. 〃半球攝影法獲取水稻冠層葉面積指數(shù)和平均葉傾角的方法〃與本發(fā)明專 利內容比較接近，但是，本發(fā)明專利內容從成像傳感器類型、數(shù)據(jù)處理方式上與以上發(fā)明專 利內容不同。以上專利成像傳感器要么依靠專業(yè)的單反相機，要么依靠普通的數(shù)碼相機，在 對這些成像傳感器的控制方式上，均是采取人工直接操作成像傳感器的方式，沒有一種發(fā) 明是利用智能終端平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與計算。另外，由于這些成像傳感器平臺本身不 具備數(shù)據(jù)處理能力，它們無法實現(xiàn)對葉面積指數(shù)的實時計算，也就是說，它們通過外業(yè)數(shù)據(jù) 采集，然后回到實驗室內進行后期數(shù)據(jù)處理，才能得到植被冠層葉面積指數(shù)。
[0005] 本發(fā)明針對已有的成像法測量葉面積指數(shù)中存在的問題，提出了基于智能設備 (如智能手機或者平板電腦）實現(xiàn)植被冠層成像法實時葉面積指數(shù)測量。與已有公開專利 相比較，本發(fā)明不再需要用戶提供專業(yè)的成像設備，只需要目前一般智能手機平臺即可，不 需要額外的內業(yè)工作，就能夠實時得到植被葉面積指數(shù)。另外一點，與現(xiàn)有的成像方式獲取 葉面積指數(shù)方案相比較，本發(fā)明能夠基于智能終端的GPS傳感器和陀螺姿態(tài)傳感器，在獲 取葉面積指數(shù)的同時，還可以獲取測量位置的經(jīng)煒度以及拍攝角度，這些數(shù)據(jù)可以被進一 步用來進行數(shù)據(jù)分析。這種集成式地獲取多種信息的方式，是當前已有發(fā)明專利中所沒有 涉及到的。由于利用的是當前比較成熟的智能設備，并基于設備的操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實 時計算，具有傳感器容易獲取、數(shù)據(jù)容易處理且成本較低的優(yōu)點。本發(fā)明利用無線網(wǎng)絡方式 進行數(shù)據(jù)采集與傳輸，使本發(fā)明提高了野外數(shù)據(jù)獲取的效率.

【發(fā)明內容】

[0006] (1)發(fā)明目的
[0007] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自 動測量系統(tǒng)，它一是充分利用當前成熟的智能終端設備的成像與高性能計算功能，實現(xiàn)植 被葉面積指數(shù)實時計算；二是實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的集成，在測量植被葉面積指數(shù)的同時，得 到采樣點的實時照片、經(jīng)煒度位置以及相機姿態(tài)，實現(xiàn)多源信息的低成本獲取。
[0008] 本發(fā)明將成熟智能終端服務技術與農林工程中植被葉面積指數(shù)測量相結合，完成 了一種植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)便捷、低成本、多信息一體化采集。
[0009] (2)技術方案
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0011] 本發(fā)明是一種基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)，它由硬件和軟 件組成，兩者彼此兼容。
[0012] 所述硬件，包括信息采集智能終端、用戶操作控制平臺；兩者之間通過無線連接。 該信息采集智能終端是一個智能手機系統(tǒng)，要求配置GPS傳感器、陀螺儀傳感器、環(huán)境光照 傳感器、成像傳感器、WIFI傳感器，操作系統(tǒng)為安卓4. 0以上。該用戶操作控制平臺是一 個智能手機或者平板電腦系統(tǒng)，與信息采集智能終端的區(qū)別是只要求具有相同的操作系統(tǒng) (安卓4. 0以上）以及具有WIFI傳感器即可，對于其它傳感器沒有要求。
[0013] 所述軟件，包括信息采集軟件模塊、無線傳輸控制模塊以及實時計算存儲模塊。其 間關系是：信息采集模塊將采集的圖像信息以及位置和姿態(tài)信息通過無線傳輸控制模塊傳 輸?shù)綄崟r計算存儲模塊，并在實時計算存儲模塊完成數(shù)據(jù)計算和存儲。三個軟件模塊分別 部署在以上兩種硬件系統(tǒng)內。其中信息采集軟件模塊內嵌在信息采集智能終端中；無線傳 輸控制模塊分別部署在信息采集智能終端與用戶操作控制平臺內，負責建立信息采集終端 與用戶操作控制平臺連接；實時計算存儲模塊內嵌在用戶操作控制平臺智能終端系統(tǒng)內。 它們之間的連接關系如圖1所示。
[0014] 該信息采集軟件模塊由四個子模塊組成：初始化子模塊、成像傳感器調用模塊、 GPS傳感器調用模塊、陀螺傳感器調用模塊。它們之間的調用關系是：在初始化子模塊中檢 查成像傳感器、GPS傳感器、陀螺傳感器是否存在，根據(jù)檢查情況，記錄每個傳感器的狀態(tài)， 即是否存在。如果成像傳感器不存在，則無法進入后續(xù)流程，否則，系統(tǒng)根據(jù)初始化檢查的 記錄結果，對存在的傳感器進行調用。如果成像傳感器存在，則進入成像傳感器調用模塊， 如果調用成功，在信息采集智能終端屏幕上預覽實時成像結果。如果GPS傳感器存在，則進 入GPS傳感器調用模塊，從GPS傳感器中獲取當前位置的經(jīng)煒度，同時顯示在信息采集智能 終端屏幕上，如果GPS存在但調用不成功，在屏幕上顯示系統(tǒng)默認的經(jīng)煒度數(shù)值。如果陀螺 傳感器存在，則進入陀螺傳感器調用模塊，如果調用成功，則在信息采集智能終端屏幕上顯 示終端的姿態(tài)信息，包括俯仰角和翻滾角。信息采集軟件模塊內部子模塊調用關系流程圖 如圖2所示。
[0015] 該無線傳輸控制模塊由兩個子模塊組成：其一是部署在信息采集智能終端內的網(wǎng) 絡掃描與連接子模塊，其二是部署在用戶操作控制平臺內的網(wǎng)絡服務與圖像監(jiān)控子模塊。 兩個子模塊之間通過WIFI網(wǎng)絡連接。其中部署在信息采集智能終端內的網(wǎng)絡掃描與連接 子模塊的數(shù)據(jù)流程是：判斷信息采集終端是否打開WIFI傳感器，如果沒有打開，則提示用 戶打開WIFI傳感器，然后等待用戶打開。如果已經(jīng)打開，則掃描附近的WIFI熱點，根據(jù)用 戶選擇，連接來自用戶操作控制平臺的熱點，如果連接成功，則在信息采集智能終端屏幕上 顯示當前終端IP地址，等待用戶操作控制平臺終端發(fā)送數(shù)據(jù)請求。其中部署用戶操作控制 平臺內的網(wǎng)絡服務與圖像監(jiān)控子模塊的工作流程是：等待用戶開啟用戶操作控制工作臺的 WLAN熱點，然后，用戶設置當前信息采集智能終端的網(wǎng)絡IP地址，由用戶操作控制平臺向 信息采集智能終端發(fā)出數(shù)據(jù)連接請求，一旦連接請求成功，兩個終端之間建立持續(xù)的網(wǎng)絡 連接。最終實現(xiàn)在用戶操作控制平臺上可以顯示信息采集智能終端屏幕的所有內容，從而 保證在用戶操作控制平臺上對信息采集智能終端進行網(wǎng)絡監(jiān)控。
[0016] 該實時計算存儲模塊部署在用戶操作控制平臺內，負責接收無線傳輸控制模塊傳 來的圖像并對圖像進行自動處理，并負責把處理結果保存在用戶操作控制平臺終端的存儲 器上。實時計算存儲模塊由兩個子模塊組成：一是圖像分類計算子模塊，二是數(shù)據(jù)存儲子模 塊。它們之間的數(shù)據(jù)連接關系是：圖像分類子模塊完成分類和計算之后，將計算結果以及圖 像獲取時的經(jīng)煒度和姿態(tài)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲子模塊，數(shù)據(jù)存儲子模塊將以上數(shù)據(jù)存儲在 存儲器上，至此完成植被葉面積指數(shù)的測量和存儲過程。
[0017] 其中圖像分類計算子模塊的工作過程是：將無線傳輸控制模塊傳來的原始彩色圖 像（RGB)分別提取紅綠藍三個波段數(shù)據(jù)，分別是R(Red)，G(Green)，B(Blue);根據(jù)拍攝方 向，選擇對應的分類特征：如果向上拍攝，構建分類特征：
[0018] C=B (1)
[0019] 如果向下拍攝，構建：
[0020] C= (2G-R-B) / (2G+R+B) (2)
[0021] 對于確定的分類特征C，采用Otsu算法進行明暗像元的分類，分類的結果將整幅 圖像分為植被像素和背景像素；最后統(tǒng)計背景像素占全部像素的比例，該計算值即為在當 前觀測方向冠層間隙率（P);根據(jù)間隙率模型估算葉面積指數(shù)，即
[0022] LAI= _21n(p)cos( 9 ) (3)
[0023] 其中0為拍攝圖像時候得到的信息采集智能終端的天頂角。
[0024] 其中數(shù)據(jù)存儲子模塊的工作過程是：獲取從無線傳輸控制模塊傳遞過來的原始圖 像、經(jīng)煒度與高程數(shù)值、傾角數(shù)值、成像時間，獲取圖像分類計算子模塊的輸出的分類后圖 像、間隙率P，葉面積指數(shù)。根據(jù)用戶設置工作路徑，將以上數(shù)據(jù)存儲在工作路徑內。
[0025] 優(yōu)點及功效：
[0026] 本發(fā)明基于智能終端的植被葉面積指數(shù)信息自動測量系統(tǒng)，其優(yōu)點是：
[0027] 1利用當前主流智能終端平臺，實現(xiàn)對植被冠層葉面積指數(shù)計算，降低了野外實驗 成本。