CN109724915B - 一种作物冠层结构分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业信息化技术领域，提供一种作物冠层结构分析装置及方法，可以在常规条件下，利用冠层外部采集装置和冠层内部采集装置分别测得的光合有效辐射数据和半球图像数据进行融合，实现对目标作物冠层结构的精确测量，包括冠层孔隙度、叶面积指数以及冠层内部指定位置的直射、散射和总的光合有效辐射数据，相对于传统的冠层结构测量在测量精度和效率上均有提升；通过在冠层外部采集装置中设置自动遮挡装置，使得冠层外部的光环境，尤其是直射光和散射光的定量化，可以更准确的测量。将测量部分的辅助信息，通过添加语音控制和记录功能，使得在冠层结构测量时更为简单便捷。

Description

一种作物冠层结构分析装置及方法

技术领域

本发明涉及农业信息化技术领域，更具体地，涉及一种作物冠层结构分析装置及方法。

背景技术

作物冠层是履行光合作用和物质生产职能的组织体系，其形态结构对光截获能力、冠层光合效率以及作物产量均具有重要影响。同时，冠层结构也体现了作物品种的遗传特性及其对环境的适应程度，在遗传和环境因素的影响下，作物冠层形态结构具有时空变异性，到目前为止，作物群体形态特征一直是人类认识、分析和评价作物的最基本方式。

目前主流的作物冠层分析装置包括以下几种：(1)SunScan冠层分析仪：提供了关于影响田间作物生长的限制因素的有价值的信息，如叶面积指数(LAI)、光合有效辐射(PAR)等。SunScan冠层分析***不需要等待特殊的天气条件进行使用，可以在大多数光照条件下进行测量工作(最好在午时测量)。(2)AccuPAR冠层分析仪：与SunScan类似，AccuPAR植物冠层分析仪可以同时测量PAR和LAI。(3)HemiView冠层分析仪：通过处理影像数据文件来获取与冠层结构有关的，例如LAI、光照间隙(孔隙度)及间隙分布状况。

通过分析辐射数据的相关信息，HemiView能够测算出冠层截获的PAR以及冠层下方的辐射水平。SunScan和AccuPAR两款冠层分析仪比较相似，通过光量子计精确测量不同位置的光合有效辐射，结合模型反演LAI，但测量的PAR无法定量化直射和散射辐射，也无法得到冠隙分数等群体结构参数；HemiView是采用半球图像分析的方式测量冠层结构参数和PAR，但由于计算PAR是利用球面图像结合外部参数估算得到，精度无法满足精确测量的要求，也依赖于人工操作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种作物冠层结构分析装置及方法，以解决现有的分析装置无法同时实现冠层结构中的孔隙度、叶面积指数以及光合有效辐***确测量的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种作物冠层结构分析装置，包括：冠层外部采集装置、冠层内部采集装置以及数据处理装置；

所述冠层外部采集装置包括：自动遮挡装置、第一光合有效辐射传感器以及第一数据采集模块，所述自动遮挡装置根据入射光线的方向自适应遮挡所述第一光合有效辐射传感器，所述第一光合有效辐射传感器与所述第一数据采集模块电连接；

所述冠层内部采集装置包括：半球图像传感器、第二数据采集模块和多个第二光合有效辐射传感器，所述半球图像传感器以及多个第二光合有效辐射传感器均与所述第二数据采集模块电连接；

所述数据处理装置、第一数据采集模块以及第二数据采集模块之间相互通信连接，所述数据处理装置用于获取由所述第一数据采集模块和第二数据采集模块采集的数据。

优选地，所述冠层外部采集装置还包括：第一无线传输模块、底座以及罩设于所述底座上的透光半球，所述第一数据采集模块位于所述底座内部，所述第一光合有效辐射传感器位于所述透光半球的球心位置，所述自动遮挡装置根据入射光线的方向绕所述透光半球的球心转动并对所述第一光合有效辐射传感器进行遮挡，所述第一无线传输模块与所述第一数据采集模块电连接。

优选地，所述自动遮挡装置包括：支撑杆和遮挡片，所述遮挡片位于所述支撑杆的一端，所述第一光合有效辐射传感器的中心位置设有转动机构，所述支撑杆的另一端与所述转动机构连接。

优选地，所述透光半球由多个相等的多边形拼接而成。

优选地，所述冠层内部采集装置还包括水平测量杆，所述多个第二光合有效辐射传感器均匀分布在所述水平测量杆上，所述半球图像传感器位于所述水平测量杆中部，所述第二数据采集模块卡设在所述水平测量杆上。

优选地，所述第二数据采集模块内置有录音模块和第二无线传输模块，所述录音模块用于记录测量数据。

优选地，每个所述光合有效辐射传感器外部套设有透光保护罩。

根据本发明的第二方面，提供一种利用第一方面所述的作物冠层结构分析装置分析作物冠层结构的方法，包括：

利用所述冠层外部采集装置获取目标作物外部的光合有效辐射数据，所述目标作物外部的光合有效辐射数据包括：总的光合有效辐射、散射光合有效辐射以及直射光合有效辐射；利用所述冠层内部采集装置获取目标作物内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据；其中i表示目标作物内部不同的测量位置；

基于所述目标作物冠层结构内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据，采用多曝光图像融合法，得到所述测量位置i的冠层孔隙度。

优选地，所述分析作物冠层结构的方法还包括：获取所述冠层内部采集装置贴近地面位置的冠层孔隙度数据，利用叶面积指数和冠层孔隙度的关系公式，得到目标作物的叶面积指数。

优选地，所述分析作物冠层结构的方法还包括：

根据所述目标作物冠层结构外部的光合有效辐射数据、目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据和冠层孔隙度，计算得到测量位置i的散射光合有效辐射以及直射光合有效辐射；其中，所述目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据为所有第二光合有效辐射传感器的测量值的平均值。

(三)有益效果

本发明提供的作物冠层结构分析装置及方法，可以在常规条件下，利用冠层外部采集装置和冠层内部采集装置分别测得的光合有效辐射数据和半球图像数据进行融合，实现对目标作物冠层结构的精确测量，包括冠层孔隙度、叶面积指数以及冠层内部指定位置的直射、散射和总的光合有效辐射数据，相对于传统的冠层结构测量在测量精度和效率上均有提升。

此外，通过在冠层外部采集装置中设置自动遮挡装置，使得冠层外部的光环境，尤其是直射光和散射光的定量化，可以更准确的测量。将测量部分的辅助信息，通过添加语音控制和记录功能，使得在冠层结构测量时更为简单便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中作物冠层结构分析装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中冠层外部采集装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中冠层内部采集装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中透光半球的结构示意图；

图中：1、冠层外部采集装置；2、冠层内部采集装置；101-第一光合有效辐射传感器；102-第一数据采集模块；103-第一无线传输模块；104-底座；105-透光半球；106-支撑杆；107-遮挡片；201-半球图像传感器；202-第二数据采集模块；203-第二光合有效辐射传感器；204-水平测量杆；205-水平气泡装置；206-手柄。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1至图4所示，本发明实施例提供一种作物冠层结构分析装置，所述装置主要包括两部分：冠层外部采集装置1和冠层内部采集装置2，冠层外部采集装置1用于测量目标作物外部的光合有效辐射数据，冠层内部采集装置2用于量目标作物内部的半球图像数据和光合有效辐射数据。

具体地，冠层外部采集装置1包括：自动遮挡装置、第一光合有效辐射传感器101、第一数据采集模块102、第一无线传输模块103、底座104以及罩设于底座104上的透光半球105，透光半球105为透明材料制成的半球覆盖模型。透光半球105被等分位N个(N>36)多边形，每个多边形有透明和遮挡两种状态。

第一光合有效辐射传感器101与第一数据采集模块102电连接，第一数据采集模块102用于采集第一光合有效辐射传感器101测量的光合有效辐射数据。第一数据采集模块102位于底座104的内部，第一光合有效辐射传感器101水平位于透光半球105的球心位置，该球心位置也正好位于底座104的上表面中心。第一无线传输模块103与第一数据采集模块102电连接，用于将第一数据采集模块102采集的数据无线传输至数据处理装置，同时也方便与202实现无线通信连接。

其中，自动遮挡装置根据入射光线的方向绕透光半球105的球心转动并对第一光合有效辐射传感器101进行遮挡。当第一数据采集模块102接收到数据处理装置发送的测量外部光环境的指令时，第一光合有效辐射传感器101首先测量总的光合有效辐射PAR_Total，自动遮挡装置然后将光线入射方向处的3～4个多边形进行遮挡，此时第一光合有效辐射传感器101只测量外部光环境中的散射光合有效辐射PAR_Diffuse，总的光合有效辐射PAR_Total与散射光合有效辐射PAR_Diffuse的差值即为直射光合有效辐射PAR_Direct，同时也能自动测量光线的入射角θ。具体地，自动遮挡装置包括：支撑杆106和遮挡片107，遮挡片107位于支撑杆106的一端，用于遮挡入射光线；第一光合有效辐射传感器101的中心位置设有转动机构，支撑杆106的另一端固定在转动机构上。转动机构可以根据光线的入射角带动支撑杆106转动以实现光线遮挡。

在上述实施例中，冠层内部采集装置2包括：半球图像传感器201、第二数据采集模块202和多个第二光合有效辐射传感器203，半球图像传感器201以及多个第二光合有效辐射传感器203均与第二数据采集模块202电连接，可通过第二数据采集模块202上的按钮记录数据，并对数据进行分组存储、信息记录等。其中，第二光合有效辐射传感器203用于测量目标作物内的光合有效辐射，半球图像传感器用于获取测量位置的半球图像，每次通过曝光至少获取3幅以上的图像。

在上述实施例的基础上，冠层内部采集装置2还包括：水平测量杆204，水平测量杆204为多种传感器和控制器的载体，杆长1米左右，并且长度可根据需要调节。水平测量杆204的手持端还设有水平气泡装置205，水平气泡装置205用于水平测量杆204的水平校准。此外，在水平测量杆204的手持端还设有手柄206，方便单手操作。多个第二光合有效辐射传感器203均匀分布在水平测量杆204上，每个光合有效辐射传感器203的外部套设有透光保护罩，用于田间测量时的防水和滤光，各传感器同一校准。半球图像传感器201位于水平测量杆204的中部，第二数据采集模块202通过卡槽卡设在水平测量杆204的手持端。第二数据采集模块202内置于手柄206内部，通过数据线与半球图像传感器201以及多个第二数据采集模块202电连接。

此外，第二数据采集模块202内部还设有录音模块，录音模块用于记录测量数据，用户按住语音记录按钮后，可记录测量信息，如测量的高度、测量作物的品种、密度等，并与测量数据同步保存。第二数据采集模块202内部还设有第二无线传输模块，可通过第二无线传输模块实现第二数据采集模块202控制远端的第一数据采集模块102，也可通过该模块实现数据处理装置与第二数据采集模块202的信号传输。此外，第二数据采集模块202中还有存储卡，可以记录包括鱼眼图像以及光合有效辐射数据等。

在上述实施例的基础上，数据处理装置位于远程的控制端，通过人工操作实现冠层外部采集装置1和冠层内部采集装置2的数据采集。数据处理装置、第一数据采集模块102以及第二数据采集模块202相互之间通过各自的无线传输模块实现通信连接，数据处理装置与第一数据采集模块102以及第二数据采集模块202的间距均不超过300米，以保证无线通讯的效果。数据处理装置向第一数据采集模块102发送测量冠层外部光合有效辐射的指令，数据处理装置向第二数据采集模块202发送测量冠层内部光合有效辐射以及获取半球图像的指令。

上述实施例中的作物冠层结构分析装置在使用时，需要将冠层外部采集装置1置于目标作物外部的空旷位置，可在冠层外部采集装置1底部装设三角架，以便于放置。冠层内部采集装置2的水平测量杆204水平置于目标作物内部，分别对目标作物冠层外部的光环境和冠层内部结构数据进行测量，以实现目标作物的光层结构分析。

具体对目标作物的冠层结构分析主要包括测量位置的冠层孔隙度GF_i、叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)以及光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)，具体的分析测量步骤如下：

(1)冠层孔隙度GF_i的测量：

首先，利用冠层外部采集装置获取目标作物外部的光合有效辐射数据，其中，目标作物外部的光合有效辐射数据包括：总的光合有效辐射PAR_Total、散射光合有效辐射PAR_Diffuse以及直射光合有效辐射PAR_Direct，这些数据通过冠层外部采集装置中的自动遮挡装置配合第一光合有效辐射传感器来实现。此外，自动遮挡装置还能够获取入射光线的天顶角θ。利用冠层内部采集装置获取目标作物内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据；其中i表示目标作物内部不同的测量位置。

然后，基于目标作物冠层结构内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据，采用多曝光图像融合法，得到测量位置i的冠层孔隙度GF_i。其中，多曝光图像融合法主要包括：多曝光图像融合、二值化以及计算二值化后图像中白色像素的比例，具体如下：

1)多曝光图像融合：拍摄图像时当前位置i的光合有效辐射强度数据为E_i时，摄像机的曝光时间为Δt，图像上该点的亮度值为：F(I_iv)＝lnE_i+lnΔt_v，其中，i∈[1,n]，v∈[1,m]。

将上式离散化得到

当D取极小值时计算得到相机的响应函数F(I_iv)，进而由下式中像素灰度值和图像曝光时间计算各像素点的光照辐射强度，完成多曝光图像序列的融合：

2)二值化：利用多曝光图像融合后的图像作为输入，通过设置阈值将该图像二值化，得到只有黑白像素的二值图像。

3)二值化后图像中白色像素比例：统计当前二值图像中的白色像素总数/图像所有像素总数，即得到测量位置i的冠层孔隙度GF_i。

(2)叶面积指数(LAI)的测量：

获取冠层内部采集装置贴近地面位置的冠层孔隙度数据，利用叶面积指数和冠层孔隙度的关系公式，得到目标作物的叶面积指数LAI。所述关系公式具体为：LAI＝-lnT(θ)cos(θ)/G(θ,α)，其中，T(θ)为天顶角θ下的冠层孔隙度，G(θ,α)为投影函数。在视角天顶角为57°时，G(θ,α)为常数值0.5。因此，本实施例中的叶面积指数LAI是在天顶角为57°时测量的数据，LAI＝-lnT(57°)cos(57°)/0.5，T(57°)是从半球图像中获取的天顶角为57°视角的冠层孔隙度。

(3)光合有效辐射(PAR)的测量：

根据目标作物冠层结构外部的光合有效辐射数据、目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据PARⁱ _T和冠层孔隙度GF_i，计算得到测量位置i的散射光合有效辐射PARⁱ _Dif以及直射光合有效辐射PARⁱ _Dir。其中，目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据PARⁱ _T为所有第二光合有效辐射传感器的测量值的平均值，PARⁱ _T即为目标作物冠层结构内部总的光合有效辐射。

散射光合有效辐射PARⁱ _Dif以及直射光合有效辐射PARⁱ _Dir的具体计算公式如下：PARⁱ _Dif＝PAR_Diffuse×GF_i；PARⁱ _Dir＝PARⁱ _T-PARⁱ _Dif。通过上述公式，即可计算出测量位置精确的散射光合有效辐射和直射光合有效辐射

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种作物冠层结构分析装置，其特征在于，包括：冠层外部采集装置、冠层内部采集装置以及数据处理装置；

所述冠层外部采集装置包括：自动遮挡装置、第一光合有效辐射传感器以及第一数据采集模块，所述自动遮挡装置根据入射光线的方向自适应遮挡所述第一光合有效辐射传感器，所述第一光合有效辐射传感器与所述第一数据采集模块电连接；

所述冠层内部采集装置包括：半球图像传感器、第二数据采集模块和多个第二光合有效辐射传感器，所述半球图像传感器以及多个第二光合有效辐射传感器均与所述第二数据采集模块电连接；

所述数据处理装置、第一数据采集模块以及第二数据采集模块之间相互通信连接，所述数据处理装置用于获取由所述第一数据采集模块和第二数据采集模块采集的数据，所述冠层外部采集装置还包括：第一无线传输模块、底座以及罩设于所述底座上的透光半球，所述第一数据采集模块位于所述底座内部，所述第一光合有效辐射传感器位于所述透光半球的球心位置，所述自动遮挡装置根据入射光线的方向绕所述透光半球的球心转动并对所述第一光合有效辐射传感器进行遮挡，所述第一无线传输模块与所述第一数据采集模块电连接。

2.根据权利要求1所述的作物冠层结构分析装置，其特征在于，所述自动遮挡装置包括：支撑杆和遮挡片，所述遮挡片位于所述支撑杆的一端，所述第一光合有效辐射传感器的中心位置设有转动机构，所述支撑杆的另一端与所述转动机构连接。

3.根据权利要求2所述的作物冠层结构分析装置，其特征在于，所述透光半球由多个相等的多边形拼接而成。

4.根据权利要求1所述的作物冠层结构分析装置，其特征在于，所述冠层内部采集装置还包括水平测量杆，所述多个第二光合有效辐射传感器均匀分布在所述水平测量杆上，所述半球图像传感器位于所述水平测量杆中部，所述第二数据采集模块卡设在所述水平测量杆上。

5.根据权利要求4所述的作物冠层结构分析装置，其特征在于，所述第二数据采集模块内置有录音模块和第二无线传输模块，所述录音模块用于记录测量数据。

6.根据权利要求4所述的作物冠层结构分析装置，其特征在于，每个所述第二光合有效辐射传感器外部套设有透光保护罩。

7.一种基于权利要求1至6中任一所述作物冠层结构分析装置的作物冠层结构分析方法，其特征在于，包括：

利用所述冠层外部采集装置获取目标作物外部的光合有效辐射数据，所述目标作物外部的光合有效辐射数据包括：总的光合有效辐射、散射光合有效辐射以及直射光合有效辐射；所述自动遮挡装置配合所述第一光合有效辐射传感器获取所述总的光合有效辐射、所述散射光合有效辐射以及所述直射光合有效辐射，利用所述冠层内部采集装置获取目标作物内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据；其中i表示目标作物内部不同的测量位置；所述半球图像传感器用于获取测量位置i的半球图像，所述第二光合有效辐射传感器用于获取测量位置i的光合有效辐射数据；

基于所述目标作物冠层结构内部测量位置i的半球图像数据和光合有效辐射数据，采用多曝光图像融合法，得到所述测量位置i的冠层孔隙度；

其中，所述多曝光图像融合法包括：多曝光图像融合、二值化多曝光图像融合后的图像以及计算二值化后图像中白色像素的比例。

8.根据权利要求7所述的作物冠层结构分析方法，其特征在于，还包括：获取所述冠层内部采集装置贴近地面位置的冠层孔隙度数据，利用叶面积指数和冠层孔隙度的关系公式，得到目标作物的叶面积指数。

9.根据权利要求7所述的作物冠层结构分析方法，其特征在于，还包括：根据所述目标作物冠层结构外部的光合有效辐射数据、目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据和冠层孔隙度，计算得到测量位置i的散射光合有效辐射以及直射光合有效辐射；其中，所述目标作物冠层结构内部的光合有效辐射数据为所有第二光合有效辐射传感器的测量值的平均值。

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