CN206038536U - 一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，包括支架、恒温箱、第一余弦接收器、第一光纤、第二余弦接收器、第二光纤、第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪、第一通信模块、第二通信模块、第三通信模块、云台、控制器、第四通信模块和后台服务器；本装置还包括UPS电源，UPS电源与后台服务器连接。本装置配置了太阳能电池板，能够长期、连续的在野外进行多角度的探测，结构简单、便于安装和移动、造价低且能耗小。

Description

一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置

技术领域

本实用新型涉及遥感技术领域，特别是一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置。

背景技术

光能是陆地生命的基本能量来源，唯一能截获光能的生理过程就是植物的光合作用（Taiz&Zeiger, 2006）。植被通过光合作用将光能转化为化学能固定在植物体内。这一过程是地球生命能量循环和生物地球化学循环的开端。大气、水体和土壤环境中的营养物质通过光能驱动的绿色植物植物光合作用进入生态***，被其他生物体重复利用，最后归还于环境中，这些归还物还可再次被绿色植物吸收。这种物质的反复传递和转化，是生态***物质循环的主要形式。

日光诱导叶绿素荧光 (Sun-induced chlorophyll fluorescence, SIF)作为植被光合作用的主要的“探针”，可以用于估算植被初级生产力（GPP）。传统的GPP预测模型通常把LUE作为一个常数，这个不符合现实情况。在Grace等（2007）的研究中发现植被反射的荧光光谱与光合有效辐射（PAR）呈显著正相关，植被的荧光发射强度和植被的LUE有很强的相关性。Damm等 (2010) 研究了叶绿素荧光与LUE的关系，发现叶绿素荧光可以很好的反映植物光合作用的日变化情况，进而将叶绿素荧光应用于GPP估算模型之中，提高了GPP的预测精度。

近年来，应用太阳诱导叶绿素荧光（SIF）遥感信息监测GPP的研究迅速开展，取得了一系列成果，其原理是植被吸收的太阳辐射可以分解为三部分，即：用于光合作用消耗的能量、重新发射的荧光和热耗散。植物发射的荧光在687 nm 和760 nm附近存在两个峰值，其强度与光合速率有关 (Baker 2008)，这就形成了利用SIF估算冠层GPP的理论基础(Meroni et al. 2009)。基于地基、机载和卫星数据的研究表明，SIF与叶片尺度、植株尺度、冠层尺度和生态***尺度的GPP相关(Guanter et al. 2012; Guanter et al. 2014;Damm et al. 2015b), 但是观测的冠层SIF受生态***类型、观测几何（太阳-传感器-目标角度）、冠层结构、观测到的阴叶与阳叶比例等因子的影响 (Guanter et al. 2010;Fournier et al. 2012; Gitelson et al. 2014)，导致SIF与GPP之间关系随生态***类型、时间尺度和天空状况（晴天或多云）变化 (Damm et al. 2015a; Yang et al. 2015)。现有的观测设备仍存在以下问题：①、不能实现多角度观测，②、不能够长期连续的在野外进行多角度的探测，③、结构较为复杂且能耗大。

如何解决现有技术的不足已成为遥感技术领域亟待解决的一大难题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种用于多角度测量叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，本装置能够长期、连续的在野外实现多角度的荧光数据和多角度的光化学植被指数的探测。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，包括支架、恒温箱、第一余弦接收器、第一光纤、第二余弦接收器、第二光纤、第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪、第一通信模块、第二通信模块、第三通信模块、云台、控制器、第四通信模块和后台服务器；其中，

第一余弦接收器、第一光谱仪、第一通信模块、后台服务器依次顺序连接，第一光纤的一端与第二光谱仪连接，第二光谱仪、第二通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二余弦接收器、双通道光谱仪、第三通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二光纤的一端与双通道光谱仪连接，云台、控制器、第四通信模块、后台服务器依次顺序连接；

支架的顶部设有水平横梁，云台固定在水平横梁上，第一光纤的另一端、第二光纤的另一端均裸露，第一光纤和第二光纤均设置在云台上且使得第一光纤的裸露端、第二光纤的裸露端均能够接收到地物的反射光，第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪和控制器均设置在恒温箱内，恒温箱设置在支架上，支架设置在作物种植地域的地面上。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，还包括UPS电源，UPS电源与后台服务器连接。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，还包括太阳能电池板，太阳能电池板与UPS电源连接。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，还包括三角架，三角架设置在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架上。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，三角架为直角等腰三角形，三角架的一条直角边固定在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架的斜边上。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，第一通信模块包括第一转换器和第二转换器；第一转换器与第一光谱仪连接，第一转换器、第二转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第一转换器为USB转RJ45转换器，第二转换器为RJ45转USB转换器。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，第二通信模块包括第三转换器和第四转换器；第三转换器与第二光谱仪连接，第三转换器、第四转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第三转换器为USB转RJ45转换器，第四转换器为RJ45转USB转换器。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，第三通信模块包括第五转换器和第六转换器；第五转换器与双通道光谱仪连接，第五转换器、第六转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第五转换器为RS232转RS422转换器，第六转换器为RS232转USB转换器。

作为本实用新型所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置进一步优化方案，所述第四通信模块包括第七转换器和第八转换器；第七转换器与控制器连接，第七转换器、第八转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第七转换器为RS232转RS422转换器，第八转换器为RS232转USB转换器。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本装置能够实现多角度的荧光数据和多角度的光化学植被指数的观测；

（2）本装置中配置的太阳能电池板在有光的时候存储电能，从而能够长期、连续的在野外进行多角度的探测；

（3）本装置的结构简单、便于安装和移动、造价低且能耗小。

附图说明

图1是本装置的一种实施例的结构示意图。

图2是一种实施例的工作示意图。

图中的附图标记解释为：1-第一余弦接收器，2-第二余弦接收器，3-第一光纤，4-第二光纤，5-第一光纤的裸露端，6-第二光纤的裸露端，7-地物，8-太阳的入射光，9-地物的反射光。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本装置的一种实施例结构示意图，一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，包括支架、恒温箱、第一余弦接收器1、第一光纤3、第二余弦接收器2、第二光纤4、第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪、第一通信模块、第二通信模块、第三通信模块、云台、控制器、第四通信模块和后台服务器；其中，

第一余弦接收器、第一光谱仪、第一通信模块、后台服务器依次顺序连接，第一光纤的一端与第二光谱仪连接，第二光谱仪、第二通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二余弦接收器、双通道光谱仪、第三通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二光纤的一端与双通道光谱仪连接，云台、控制器、第四通信模块、后台服务器依次顺序连接；

支架的顶部设有水平横梁，云台固定在水平横梁上，第一光纤的另一端、第二光纤的另一端均裸露，裸露端作为裸光纤探头，第一光纤和第二光纤均设置在云台上且使得第一光纤的裸露端5、第二光纤的裸露端6均能够接收到地物7的反射光9，第一光纤的裸露端、第二光纤的裸露端均绑在一起设置在云台上，第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪和控制器均设置在恒温箱内, 利用恒温箱保证恒温箱内的工作环境的温度不变，探测结果更加准确。恒温箱设置在支架上，支架设置在作物种植地域的地面上。第一余弦接收器和第二余弦接收器设置在同一高度为最优。

本实用新型中还包括UPS电源，UPS电源与后台服务器连接，为其提供稳定、不间断的电力。

本装置中还包括太阳能电池板，太阳能电池板与UPS电源连接，太阳能在有光的时候存储电能。

本装置中还可以包括三角架，三角架设置在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架上；三角架可为直角等腰三角形，三角架的一条直角边固定在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架的斜边上，增大了光纤探头观测地物的观测角度范围。

本实用新型中的第一通信模块包括第一转换器和第二转换器；第一转换器与第一光谱仪连接，第一转换器、第二转换器、后台服务器依次顺序连接；第一转换器为USB转RJ45转换器，第二转换器为RJ45转USB转换器。第二通信模块包括第三转换器和第四转换器；第三转换器与第二光谱仪连接，第三转换器、第四转换器、后台服务器依次顺序连接。第三转换器为USB转RJ45转换器，第四转换器为RJ45转USB转换器。第三通信模块包括第五转换器和第六转换器；第五转换器与双通道光谱仪连接，第五转换器、第六转换器、后台服务器依次顺序连接。第五转换器为RS232转RS422转换器，第六转换器为RS232转USB转换器。所述第四通信模块包括第七转换器和第八转换器；第七转换器与控制器连接，第七转换器、第八转换器、后台服务器依次顺序连接。第七转换器为RS232转RS422转换器，第八转换器为RS232转USB转换器。本实用新型中后台服务器可以就设置在作物种植地域的地面上，通信模块采用有线通信方式，这种传输方式受干扰较小，可靠性，保密性强，高速。

太阳光照射在地物上，地物所产生的反射光照射至第一光纤的裸露端、第二光纤的裸露端，第一余弦接收器用于接收太阳的入射光将其传输至第一光谱仪，第一光谱仪用于输出太阳的入射光光谱并经第一转换器、第二转换器传输至后台服务器，第一光纤用于将地物所产生的反射光传输至第二光谱仪，第二光谱仪用于输出反射光光谱经第三转换器、第四转换器传输至后台服务器进行存储；第一光谱仪、第二光谱仪均采用海洋光学OceanOptics HR4000光谱仪(波段范围679-779nm,FWHM 0.065nm)，后台服务器可根据同时刻太阳的入射光光谱、反射光光谱可得出叶绿素荧光值；

第二余弦接收器用于将接收的太阳入射光输出至双通道光谱仪，第二光纤用于将地物所产生的反射光传输至双通道光谱仪，双通道光谱仪用于将输出的太阳入射光光谱、反射光光谱经第五转换器、第六转换器至后台服务器进行存储；后台服务器也可根据接收的数据得出光化学植被指数。

后台服务器可用来输出转动指令经第四通讯模块传输至控制器，控制器根据转动指令驱动云台转动到一定的角度，使得可对植被冠层进行多角度（观测天顶角为32度,42度,52度,62度），每固定一个天顶角，水平方位角每隔一定度数进行旋转。固定32°顶角，水分方位角每隔72°度旋转一次，固定42°天顶角，水平方位角每隔30°旋转一次。固定52°天定角，每隔30°旋转一次，固定62°度天顶角，每隔60°旋转一次。 半个小时完成32°,42° 52°,62° 这四个天顶角，360°多个水平方位角的旋转。高光谱（包括植被反射光谱和太阳入射光谱）的长期连续观测。每天观测14小时，早晨5:30开始观测，晚上8:30结束观测,从日出十分开始至日落时分为止，每30分钟保存一个数据，将观测的数据存储在后台服务器中。叶绿素荧光主要由阳叶贡献，通过多角度测量叶绿素荧光也可以来将阳叶的荧光区分开来。目前现有装置很难将阴叶和阳叶的荧光区分，本装置也可以通过获取连续多角度植被冠层叶绿素荧光和光化学植被指数，根据这些数据可以进一步的根据多角度数据理由几何光学模型快速分离出阳叶的荧光和阴叶的荧光，以及阳叶的光化学植被指数和阴叶的光化学植被指数。

显然，本实用新型的上述实例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，包括支架、恒温箱、第一余弦接收器、第一光纤、第二余弦接收器、第二光纤、第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪、第一通信模块、第二通信模块、第三通信模块、云台、控制器、第四通信模块和后台服务器；其中，

第一余弦接收器、第一光谱仪、第一通信模块、后台服务器依次顺序连接，第一光纤的一端与第二光谱仪连接，第二光谱仪、第二通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二余弦接收器、双通道光谱仪、第三通信模块、后台服务器依次顺序连接，第二光纤的一端与双通道光谱仪连接，云台、控制器、第四通信模块、后台服务器依次顺序连接；

支架的顶部设有水平横梁，云台固定在水平横梁上，第一光纤的另一端、第二光纤的另一端均裸露，第一光纤和第二光纤均设置在云台上且使得第一光纤的裸露端、第二光纤的裸露端均能够接收到地物的反射光，第一光谱仪、第二光谱仪、双通道光谱仪和控制器均设置在恒温箱内，恒温箱设置在支架上，支架设置在作物种植地域的地面上。

2.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，还包括UPS电源，UPS电源与后台服务器连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，还包括太阳能电池板，太阳能电池板与UPS电源连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，还包括三角架，三角架设置在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架上。

5.根据权利要求4所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，三角架为直角等腰三角形，三角架的一条直角边固定在云台上，第一光纤和第二光纤均设置在三角架的斜边上。

6.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，第一通信模块包括第一转换器和第二转换器；第一转换器与第一光谱仪连接，第一转换器、第二转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第一转换器为USB转RJ45转换器，第二转换器为RJ45转USB转换器。

7.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，第二通信模块包括第三转换器和第四转换器；第三转换器与第二光谱仪连接，第三转换器、第四转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第三转换器为USB转RJ45转换器，第四转换器为RJ45转USB转换器。

8.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，第三通信模块包括第五转换器和第六转换器；第五转换器与双通道光谱仪连接，第五转换器、第六转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第五转换器为RS232转RS422转换器，第六转换器为RS232转USB转换器。

9.根据权利要求1所述的一种用于多角度探测叶绿素荧光和光化学植被指数的装置，其特征在于，所述第四通信模块包括第七转换器和第八转换器；第七转换器与控制器连接，第七转换器、第八转换器、后台服务器依次顺序连接；所述第七转换器为RS232转RS422转换器，第八转换器为RS232转USB转换器。