[发明专利]一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪

说明书

本发明涉及一种基于智能手机的植物冠层叶面积指数TRAC测量仪，其特征在于，包括固定于同一支撑架上的TRAC测量模块与智能手机。本发明提出了一种基于智能手机实现对植物冠层叶面积指数TRAC测量的方法。本方法通过引入智能手机上的GPS、地理位置信息、陀螺仪数据、实时时间、实时天气及较强的计算与存储等功能，有效抑制了样线偏离、行进速度与方向的不一致、采样准直平面的倾斜、天气信息误差等引起TRAC测量的主要误差源，提高了传统TRAC测量方法的精度。该发明成本低廉，使用简单，并能较好地适应我国林业发展水平不一、资金投入不足的情况，为广大农林从业者提供一种切实可行的低成本植物冠层叶面积指数测量方案。

技术领域

本发明涉及一种利用智能手机实现对植物冠层结构中叶面积指数进行TRAC方式的低成本观测分析的设备。

背景技术

植被冠层是植被进行光合作用最主要的部分，通过对植被冠层结构参数的测量，可以对日光辐照截取率、光合作用效果、冠下光线时空分布等进行评估。在诸多冠层结构参数中，用于表示植被冠层单位面积上叶面积总量的叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)最为重要。LAI的测量方法可分为直接法与间接法。直接法冠层叶面积指数测量需要对植被进行大范围的破坏性采样，如将冠层中的树叶采下后利用叶面积仪进行逐叶扫描测面积，由此计算得到叶面积指数。这样不仅会造成对植被冠层结构的破坏，且人力物力消耗较大。而利用叶面积指数间接方法则可以避免上述问题。基于鱼眼摄像的半球图像LAI测量技术虽然具有较高的准确性与有效性，但是其测量多借助单反相机与鱼眼镜头组合进行图像采集。这使其设备成本较高，且需要较为苛刻的水平准直信息与采集时间，不利于长时间手持移动操作。而LAI-2000、AccuPAR等手持式设备虽然增强了设备的便携性，但是其测量结果只能反映局部冠层特性。若要其测量较大面积林区的叶面积指数，必须要经过多点多次测量，工作量较大。而TRAC(tracing radiation and architecture of canopies，TRAC)方式在使用中经由对使用者行进路线上的日光辐照透过冠层形成的照射间隙进行统计分析运算，获得叶面积指数。该方法结构简单、成本低廉，尤其适合评估较大范围内叶面积指数的平均分布情况。但是该方法在使用中也存在一定问题。由于使用者手持TRAC设备时的行进速度和方向往往受障碍物等影响难以保持一致，此外在户外环境下所选取的样线存在方向偏离，由此造成了对照射间隙尺寸的统计误差，这一误差进而影响了TRAC的统计计算结果。此外市场上常见叶面积指数测量设备在完成数据采集后，还需将数据导入计算机进行相应的分析，数据的空间位置信息也须辅助设备提供，这也为叶面积指数的现场分析带来了不便。

我国农业与林业等行业近年来得到了较大的发展。对叶面积指数的评估可以有效地掌控植物的生长过程，进而优化其生长参数，从而提高其经济效益。但是传统的叶面积指数测量设备价格昂贵，使用复杂。而我国的农业与林业经营模式又多以个体经营为主。农林业从业者难以承担设备成本，从业者较低的信息技术水平也使得很难对其加以有效应用，从而限制了传统叶面积指数测量设备在我国农林业生产中的使用。

近年来智能手机得到了快速发展。智能手机不仅具有较强的运算能力与存储能力，而且其上集成的GPS、陀螺仪等传感器也为其在特定应用中的使用提供了相应的支撑能力。如能够在智能手机上添加外置的测量模块，则有望实现基于智能手机的测量系统。TRAC方式具有算法简单、测量适用范围大等优点，其测量误差主要来自于由行进速度和方向不一致性。而如果利用智能手机中的GPS轨迹数据对照射间隙数据进行修正，有望提高测量精度。其GPS数据与实时时间也可便于确定行进样线，而手机中的陀螺仪也有助于提醒使用者TRAC光学探头的方位角度信息，从而方便使用者保持光学探头垂直。借助于智能手机上的近距离通信功能(如蓝牙BT BLE)，可实现TRAC测量模块与移动智能设备之间的通信，使系统体积及结构得到优化。智能手机的运算能力与存储能力也有助于进行TRAC算法的计算及测量结果的存储。通过结合智能手机与TRAC测量方式，有望实现满足测量效率高、易于携带、结构简单、成本低廉、可靠性高、可拓展性强等条件的TRAC测量系统。

发明内容