[发明专利]一种叶面积指数快速自动测定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及生态数据测定技术，特别涉及一种叶面积指数快速自动测定装置及方法。

背景技术

叶面积指数LAI(Leaf Area Index)是指一块地上作物叶片的总面积与占地面积的比值，是生态系统的一个重要结构参数，用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应。目前，LAI的检测方法中间接光学模型的测量方法主要研究空隙率，即冠层内太阳辐射未被截取的概率，进而出现一系列基于空隙分析的冠层LAI分析仪器。然而，由于叶子大量重叠，在叶面积指数达5～6倍的时候，单位土地面积上的叶片总面积较大导致空隙很小，利用普通冠层分析仪器检测不能分析叶片的重叠，测量值比直接测量测得的数据要小的多。

在公告号为CN 102243069 A的中国专利申请公开了一种能够准确测定叶片重叠情况下的叶面积指数的测定方法和装置。该发明利用近红外光谱技术寻找检测分辨叶片重叠数目的方法，将叶片置于激光器和光电变送器之间，光电变送器将采集到的激光信号转变成电压信号，电压信号通过数据采集卡传送到计算机上，通过进行相关的正交试验和标定试验而获取电压值和重叠叶片层数的关系式。该发明需要使用者手持装有激光器和光电变送器的U型架对叶子进行逐点测试，测试速度比较慢，同时不能排除人为因素的影响，对测试准确性有一定影响，而且需耗费较多的人力和时间；另外，如果对比较高大的作物进行测试时，操作很不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构合理，操作方便，能够快速、自动测定叶子重叠情况下的叶面积指数的快速自动测定装置。

本发明的另一个目的在于利用上述装置实现一种叶子重叠情况下的叶面积指数快速自动测定方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种叶面积指数快速自动测定装置，包括激光器、光电传感器、信号处理器、数据采集卡和计算机，激光器与光电传感器通过激光信号连接；光电传感器通过电线与信号处理器连接；本装置还包括行走机构、电机驱动器、电机控制电路板，所述行走机构包括五台步进电机，五台步进电机通过电机驱动器与所述电机控制电路板连接；所述电机控制电路板通过数据采集卡与计算机连接。

优选的，所述行走机构还包括三根丝杆导轨、齿轮组、U型架，其中三台步进电机和三根丝杆导轨分别对应配合连接组成三维定位机构，可使U型架在空间X轴、Y轴、Z轴方向任意移动，其中X轴方向表示前、后方向，Y轴方向表示左、右方向，Z轴方向表示上、下方向；第四台步进电机和U型架配合连接后安装在Z轴方向的丝杆导轨上，所述第四台步进电机控制U型架绕其自身中心轴自由旋转；Z轴方向的丝杆导轨、与Z轴方向的丝杆导轨配合连接的步进电机、U型架、与U型架配合连接的步进电机组成旋转机构，与Z轴方向的丝杆导轨配合连接的步进电机可以控制U型架上升、下降；第五台步进电机通过齿轮组传动与Z轴方向的丝杆导轨连接，控制所述旋转机构绕Z轴自由旋转。

优选的，所述三根丝杆导轨根据测试需要选择合适的长度。

优选的，激光器和光电传感器安装在U型架的两侧，激光器发射的光与光电传感器处在同一直线上，两侧相隔一定的距离。

优选的，所述U型架两侧相隔距离范围为20～24cm。

优选的，所述电机控制电路板结合电机驱动器控制五台步进电机同时自锁和同时运行。

优选的，所述激光器为近红外激光器。

一种叶面积指数快速自动测定方法，包括以下步骤：

(1)系统上电和初始化：对该装置中的设备进行通电，将光斑面积、投影面积、光斑总面积、投影总面积初始化为零；

(2)调整U型架上激光器和光电传感器的位置，使激光器发射的光与光电传感器处于同一直线上；

(3)设置采样参数：信号类型选定为电压，采样频率为10kHz；

(4)设定行走轨迹：LabVIEW2010编程设定行走机构上U型架的行走轨迹；

(5)设置步进电机的步数、正反转及转速：通过数据采集卡输出数字信号来控制步进电机启动/停止、正转/反转，输出脉冲信号控制步进电机转速，通过步进电机来控制行走机构上U型架的行走轨迹；

(6)信号采集：根据行走机构上U型架的行走轨迹得到的若干测试点作为拟合测试点进行测试；信号处理器将光电传感器接受到的激光信号转换为电压信号，电压信号经数据采集卡采集到计算机；经若干次测试后，由计算机拟合得到电压值A和重叠叶片层数B之间的关系函数；