一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀器的制造方法
【專利摘要】一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀器，它涉及一種葉面積測量儀器。本實用新型為了解決現(xiàn)有的葉面積測量方法無法有效獲得長時間序列數(shù)據(jù)的問題。本實用新型的垂直旋轉(zhuǎn)舵機安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機的轉(zhuǎn)盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)舵機水平轉(zhuǎn)動，數(shù)字光強傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機上，時控部分包括時控開關(guān)，單片機的輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn)舵機、垂直旋轉(zhuǎn)舵機、SD卡和顯示屏，數(shù)字光強傳感器的輸出端通過串行線接連接單片機的SDA接口，時鐘模塊的輸出端通過串行線與單片機的SCL接口建立連接，供電部分的輸出端通過時控開關(guān)與測量部分的單片機建立連接。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、適合長時間序列野外深林葉面積指數(shù)的測量。
【專利說明】一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種葉面積測量儀器，具體涉及一種長時間序列野外森林葉面積 指數(shù)測量儀器，屬于森林生態(tài)監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 葉面積指數(shù)（leaf area index, LAI)是單位地表面積上總的葉子表面積的一半， 是森林冠層重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。準確獲取葉面積指數(shù)是近些年來的研宄熱點。葉片是植 物重要的營養(yǎng)器官，大部分光合作用在葉片完成，同時蒸騰作用也是通過葉片的氣孔來實 現(xiàn)的，是植物與外界進行物質(zhì)、能量交換的主要器官，因此，葉面積指數(shù)是衡量植物的固碳 能力和蒸騰作用的重要參數(shù)。葉面積指數(shù)已經(jīng)被認為是描述森林健康、研宄植被與外界的 能量循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)的重要指標。
[0003] 長期觀測森林葉面積指數(shù)，在精度檢驗后作為森林碳循環(huán)及水循環(huán)日步長過程模 型的輸入?yún)?shù)，可以提高森林碳水循環(huán)的模擬精度。同時也可以作為用遙感影像進行森林 類型識別的特征。
[0004] 葉面積指數(shù)獲取分為樣地尺度和區(qū)域尺度。樣地尺度葉面積指數(shù)獲取就是指LAI 的實地測量，樣地尺度LAI測量分為直接測量法和間接測量法。區(qū)域尺度LAI獲取一般是 指遙感估算或反演葉面積指數(shù)，在樣地LAI測量數(shù)據(jù)的支持下，通過建立遙感數(shù)據(jù)與葉面 積指數(shù)的統(tǒng)計模型或機理模型，計算遙感影像區(qū)域的葉面積指數(shù)，得到的結(jié)果可作為區(qū)域 或全球變化研宄的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在建立LAI的遙感估算或反演模型時需要LAI的樣地數(shù) 據(jù)，同時還必須用LAI的樣地測量數(shù)據(jù)對模型進行獨立性檢驗，所以LAI樣地測量是遙感反 演的基礎(chǔ)工作。目前，LAI樣地測量法主要分為具有破壞性的直接測量法和基于光學模型 的間接測量法，直接測量法包括擇伐標準木、抽取標準枝和標準葉的真實測量法和探針接 觸法等，由于直接測量法破壞植被耗時、耗力而且無法獲得時間序列數(shù)據(jù)，現(xiàn)很少被研宄者 所應用；間接測量法是使用LAI-2000系列、TRAC、Sunscan等光學儀器在林下進行測量，但 這些儀器都是人工操作時瞬時對LAI進行記錄，不具備自動的連續(xù)觀測能力，要獲取林分 時間序列數(shù)據(jù)需要研宄人員長期在野外實地測量，很難獲得不同林分類型的葉面積指數(shù)生 長數(shù)據(jù)，而且在長期重復測量中，測量位置、角度復位等會造成較大人為誤差。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的葉面積直接測量方法和間接測量方法無法 有效獲得長時間序列數(shù)據(jù)的問題。
[0006] 本實用新型的技術(shù)方案是：一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀器，包括 防水殼體，所述防水殼體內(nèi)包括測量部分、供電部分和時控部分，所述測量部分包括單片 機、水平旋轉(zhuǎn)舵機、數(shù)字光強傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)舵機、時鐘模塊、SD卡和顯示屏，所述時控部 分包括時控開關(guān)，所述垂直旋轉(zhuǎn)舵機安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機的轉(zhuǎn)盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)舵機水平 轉(zhuǎn)動，所述數(shù)字光強傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機上，并隨垂直旋轉(zhuǎn)舵機轉(zhuǎn)動，所述單片機的 輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn)舵機、垂直旋轉(zhuǎn)舵機、SD卡和顯示屏，所述數(shù)字光強傳感器的輸 出端通過串行線接連接單片機的SDA接口，時鐘模塊的輸出端通過串行線與單片機的SCL 接口建立連接，所述供電部分的輸出端通過時控開關(guān)與測量部分的單片機建立連接。
[0007] 所述供電部分包括太陽能板、太陽能充電控制器和蓄電池，所述太陽能板置于防 水殼體的外部，太陽能充電控制器和蓄電池置于防水殼體內(nèi)部，太陽能板的電能輸出端通 過太陽能插口連接太陽能控制器的輸入端，太陽能充電控制器的輸出端與蓄電池的輸入端 建立連接，蓄電池的輸出端為供電部分輸出端，滿足儀器長期野外觀測耗電。
[0008] 所述供電部分的輸出端串聯(lián)有降壓模塊和保險管，保證儀器在安全電壓范圍內(nèi)工 作，以免因電壓過大燒壞元件，延誤測量。
[0009] 所述防水殼體內(nèi)設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器，所述數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端通 過數(shù)據(jù)線與單片機建立連接。
[0010] 所述防水殼體內(nèi)層為防水材料層，防水殼體上端設(shè)有高透度半球防水罩，防水殼 體的下端設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器防水罩，防水殼體的側(cè)壁上設(shè)有防水散熱罩和通風風扇， 所述高透度半球防水罩位于數(shù)字光強傳感器的正上方，數(shù)字溫濕度傳感器防水罩置于數(shù)字 溫濕度傳感器的下端，所述溫濕度傳感器防水罩下端敞口，上端與防水殼體連通，所述防水 散熱罩一端敞口，另一端與防水殼體連通，所述通風風扇嵌設(shè)在防水殼體的側(cè)壁內(nèi)，可降低 儀器內(nèi)部和外部溫差，減少露水形成，保證在林區(qū)環(huán)境設(shè)備的工作的穩(wěn)定性。
[0011] 所述供電回路上設(shè)有三項開關(guān)，所述三項開關(guān)可以選擇斷電狀態(tài)、常通電狀態(tài)和 連接時控開關(guān)狀態(tài)，選擇時控開關(guān)時可以預先設(shè)置時控開關(guān)時間周期為儀器周期性連接電 源、斷開電源配合單片機程序的邏輯判斷定時測量數(shù)據(jù)，這樣有效的節(jié)省非測量時單片機 電能消耗。
[0012] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果：
[0013] 1、時控開關(guān)可根據(jù)預先設(shè)置的時間配合單片機程序的邏輯判斷收集數(shù)據(jù)，通過時 控開關(guān)、單片機和外圍原件的相互配合，可以使儀器實現(xiàn)長期野外自動觀測，取代人工野 外重復測量，節(jié)省人力，減少人為誤差。
[0014] 2、多角度光強測量依靠單片機控制舵機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，在水平舵機和垂直舵機旋轉(zhuǎn)同 時記錄當前角度的光強數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在造價角度上實現(xiàn)了多林分布點觀測的可 行性。
[0015] 3、功能齊全，可實時顯示測量結(jié)果并將觀測數(shù)據(jù)記錄在SD卡中，方便后期建立數(shù) 據(jù)庫和研宄分析使用。
[0016] 4、傳感器均為數(shù)字化傳感器，可實現(xiàn)校準功能，而且數(shù)字光強度傳感器靈敏度高 響應時間短且可靠性高，長期觀測時采樣間隔合理符合林業(yè)感測研宄。
[0017] 綜上所述，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、穩(wěn)定性強，傳統(tǒng)儀器利用鏡頭等獲取 數(shù)據(jù)，費用高昂，而且傳統(tǒng)儀器只適用于瞬時測量，本實用新型的測量儀器適用于長時間序 列的野外葉面積指數(shù)的測量，成本低廉，測量結(jié)果精確度高，能滿足實際需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本實用新型的內(nèi)部主視圖；
[0019] 圖2是本實用新型外部主視圖；
[0020] 圖3是本實用新型結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖中1.防水外殼 2.數(shù)字溫濕度傳感器防水罩 3高透度半球防水罩 4.防 水散熱罩5.蓄電池6.顯示屏7. SD卡8.時鐘模塊9.單片機10.防水材料層 11.垂直旋轉(zhuǎn)舵機12.水平旋轉(zhuǎn)舵機13.數(shù)字溫濕度傳感器14.降壓模塊15.時控 開關(guān)16.太陽能控制器17.保險管18.連接太陽板航空插頭19.通風風扇20.三 項開關(guān)

【具體實施方式】
[0022] 結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的【具體實施方式】，本實施方式的一種長時間序列野外森 林葉面積指數(shù)測量儀器，包括防水殼體1，所述防水殼體1內(nèi)包括測量部分、供電部分和時 控部分，所述測量部分包括單片機9、水平旋轉(zhuǎn)舵機12、數(shù)字光強傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)舵機11、 時鐘模塊8、SD卡7和顯示屏6,所述垂直旋轉(zhuǎn)舵機11安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機12的轉(zhuǎn)盤上并 隨水平旋轉(zhuǎn)舵機12水平轉(zhuǎn)動，所述數(shù)字光強傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機11上，并隨垂直旋 轉(zhuǎn)舵機轉(zhuǎn)動，所述時控部分包括時控開關(guān)15,所述單片機9的輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn) 舵機12、垂直旋轉(zhuǎn)舵機11、SD卡7和顯示屏6,所述數(shù)字光強傳感器的輸出端通過串行線接 連接單片機9的SDA接口，時鐘模塊8的輸出端通過串行線與單片機9的SCL接口建立連 接，所述供電部分的輸出端通過時控開關(guān)15與測量部分的單片機9建立連接。
[0023] 所述供電部分包括太陽能板、太陽能充電控制器16和蓄電池 5,所述太陽能板置 于防水殼體1的外部，太陽能充電控制器16和蓄電池5置于防水殼體1內(nèi)部，太陽能板的 電能輸出端通過太陽能插口 18連接太陽能控制器16的輸入端，太陽能充電控制器16的輸 出端與蓄電池5的輸入端建立連接，蓄電池5的輸出端為供電部分輸出端。
[0024] 所述供電部分的輸出端串聯(lián)有降壓模塊14和保險管17。
[0025] 所述防水殼體1內(nèi)設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器13,所述數(shù)字溫濕度傳感器13的數(shù)據(jù)輸 出端通過數(shù)據(jù)線與單片機建立連接。
[0026] 所述防水殼體1內(nèi)層為防水材料層10,防水殼體1上端設(shè)有高透度半球防水罩3， 防水殼體1的下端設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器防水罩2,防水殼體1的側(cè)壁上設(shè)有防水散熱罩4 和通風風扇19,所述高透度半球防水罩3位于數(shù)字光強傳感器的正上方，數(shù)字溫濕度傳感 器防水罩2置于數(shù)字溫濕度傳感器13的下端，所述溫濕度傳感器防水罩2下端敞口，上端 與防水殼體1連通，所述防水散熱罩4 一端敞口，另一端與防水殼體連通，所述通風風扇19 嵌設(shè)在防水殼體1的側(cè)壁內(nèi)。
[0027] 所述供電回路上設(shè)有三項開關(guān)20。
[0028] 所述單片機為Arduino UNO單片機。
[0029] 利用兩臺長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀配合，一臺放置待測林分冠層 下記錄光線透過冠層后的光強稱為B值，另一臺放置待測林分附近的空曠地記錄未透過 冠層的光強稱為A值，通過貝爾定律和米勒定律計算葉面積指數(shù)，所述貝爾定律為：1 = Iciexp (-X)，其中Itl為入射能量，I為通過X距離的均勻介質(zhì)后衰減得到的能量，當穿過的介 I -{jCJx 質(zhì)均勻消光系數(shù)為a、介質(zhì)濃度為C時，得到= e 公式中Ic/I即為透過率，p(q)表 示與光線入射角度相關(guān)的消光系數(shù)，均勻消光系數(shù)為a用G(q)來表示，則有P(q) ?'其中L為有效葉子的層數(shù)；
[0030] 根據(jù)米勒定律有：i 大b)singt/g，所述G(q) = k(q)/L，根據(jù)貝爾定律和米 π/2 勒定律得出公式：[Al = -2 In P(0C00sin&W，進而推算出葉面積指數(shù)LAI的數(shù)值。 0
[0031] 測量前對長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀器進行校正，利用傳感器校正模 塊求解出兩臺儀器的各個環(huán)光強記錄偏移和增量，即：L ai= 〇 JgjLbi，其中Lai為A儀器第 i環(huán)記錄的光強值，Lbi為B儀器第i環(huán)記錄的光強值，g i是第i環(huán)偏移，〇 i是第i環(huán)增量， 程序利用最小二乘法原理進行求解，利用公式：? + ￡ *4 + a = Oi +艮*，其中$、￡為 〇i、gi的估計值，ei為殘差，選擇^&使所有數(shù)據(jù)點的殘差平方和（Σ ei)達到最小，作為 ^和〇 估計值，修正兩臺儀器的系統(tǒng)誤差。
[0032] 測量后對數(shù)據(jù)進行時間校正，通過記錄兩臺儀器開始測量時間和結(jié)束測量時間并 利用拉伸公式^ = 4 )將兩臺儀器時間統(tǒng)一，其中Tas為A儀器開始測量 ^be Hs 時間，TJ^A儀器測量結(jié)束時間，Tbs為B儀器開始測量時間，Tbe為B儀器結(jié)束測量時間， Tbx為B儀器測量時記錄時間，Τ' bxS T bx調(diào)整后時間。
[0033] 經(jīng)過校正后的數(shù)據(jù)，可以利用程序中的單文件計算模塊和批量運算模塊解算測量 樣地的葉面積指數(shù)。其中單文件葉面積指數(shù)計算模塊可以將各角度測量值和計算后得到各 角度光線強度衰減率以矩陣形式表達在程序界面上，可以直觀的看到林下各角度光強衰減 率分布，方便對林分多角度透光性進一步研宄；批量計算模塊可以通過自動匹配時間間隔 最短的A、B值文件，解算指定時間段內(nèi)的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)解算大量長期野外觀測數(shù) 據(jù)的功能。
【權(quán)利要求】
1. 一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，包括防水殼體（1)，其特征在于：所 述防水殼體（1)內(nèi)包括測量部分、供電部分和時控部分，所述測量部分包括單片機（9)、水 平旋轉(zhuǎn)舵機（12)、數(shù)字光強傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)舵機（11)、時鐘模塊（8)、SD卡（7)和顯示屏 (6)，時控部分包括時控開關(guān)（15)，所述垂直旋轉(zhuǎn)舵機（11)安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機（12)的轉(zhuǎn) 盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)舵機（12)水平轉(zhuǎn)動，所述數(shù)字光強傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機（11)的 轉(zhuǎn)盤上，并隨垂直旋轉(zhuǎn)舵機（11)轉(zhuǎn)動，所述單片機（9)的輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn)舵機 (12)、垂直旋轉(zhuǎn)舵機（11)、SD卡（7)和顯示屏（6)，所述數(shù)字光強傳感器的輸出端通過串行 線接連接單片機（9)的SDA接口，時鐘模塊（8)的輸出端通過串行線與單片機（9)的SCL 接口建立連接，所述供電部分的輸出端通過時控開關(guān)（15)與測量部分的單片機（9)建立連 接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，其特征在于：所 述供電部分包括太陽能板、太陽能充電控制器（16)和蓄電池（5)，所述太陽能板置于防水 殼體⑴的外部，太陽能充電控制器（16)和蓄電池（5)置于防水殼體⑴內(nèi)部，太陽能板 的電能輸出端通過太陽能插口（18)連接太陽能控制器（16)的輸入端，太陽能充電控制器 (16)的輸出端與蓄電池（5)的輸入端建立連接，蓄電池（5)的輸出端為供電部分輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，其特征在于：所 述供電部分的輸出端串聯(lián)有降壓模塊（14)和保險管（17)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，其特征在于：所 述防水殼體（1)內(nèi)設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器（13)，所述數(shù)字溫濕度傳感器（13)的數(shù)據(jù)輸出端 通過數(shù)據(jù)線與單片機建立連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，其特征在于：所 述防水殼體（1)內(nèi)層為防水材料層（10)，防水殼體（1)上端設(shè)有高透度半球防水罩（3)，防 水殼體（1)的下端設(shè)有數(shù)字溫濕度傳感器防水罩（2)，防水殼體（1)的側(cè)壁上設(shè)有防水散熱 罩（4)和通風風扇（19)，所述高透度半球防水罩（3)位于數(shù)字光強傳感器的正上方，數(shù)字溫 濕度傳感器防水罩（2)置于數(shù)字溫濕度傳感器（13)的下端，所述溫濕度傳感器防水罩（2) 下端敞口，上端與防水殼體（1)連通，所述防水散熱罩（4) 一端敞口，另一端與防水殼體連 通，所述通風風扇（19)嵌設(shè)在防水殼體（1)的側(cè)壁內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀，其特征在于：所 述供電回路上設(shè)有三項開關(guān)（20)。
【文檔編號】G01B11/28GK204214410SQ201420732091
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】范文義, 溫一博, 常穎, 李明澤, 于宏洲, 張智超 申請人:東北林業(yè)大學