一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
【專利摘要】一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法，它涉及一種葉面積測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的葉面積測(cè)量方法無(wú)法有效獲得長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的問(wèn)題。本發(fā)明的垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字光強(qiáng)傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)上，時(shí)控部分包括時(shí)控開(kāi)關(guān)，單片機(jī)的輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)、垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)、SD卡和顯示屏，數(shù)字光強(qiáng)傳感器的輸出端通過(guò)串行線接連接單片機(jī)的SDA接口，時(shí)鐘模塊的輸出端通過(guò)串行線與單片機(jī)的SCL接口建立連接，供電部分的輸出端通過(guò)時(shí)控開(kāi)關(guān)與測(cè)量部分的單片機(jī)建立連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、適合長(zhǎng)時(shí)間序列野外深林葉面積指數(shù)的測(cè)量。
【專利說(shuō)明】-種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種葉面積測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法，具體涉及一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森 林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法，屬于森林生態(tài)監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 葉面積指數(shù)（leafareaindex,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(zhǔn)確獲取葉面積指數(shù)是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。葉片是植 物重要的營(yíng)養(yǎng)器官，大部分光合作用在葉片完成，同時(shí)蒸騰作用也是通過(guò)葉片的氣孔來(lái)實(shí) 現(xiàn)的，是植物與外界進(jìn)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(rèn)為是描述森林健康、研究植被與外界的 能量循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)的重要指標(biāo)。
[0003]長(zhǎng)期觀測(cè)森林葉面積指數(shù)，在精度檢驗(yàn)后作為森林碳循環(huán)及水循環(huán)日步長(zhǎng)過(guò)程模 型的輸入?yún)?shù)，可W提高森林碳水循環(huán)的模擬精度。同時(shí)也可W作為用遙感影像進(jìn)行森林 類型識(shí)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(shí)地測(cè)量，樣地尺度LAI測(cè)量分為直接測(cè)量法和間接測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)的支持下，通過(guò)建立遙感數(shù)據(jù)與葉面 積指數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型或機(jī)理模型，計(jì)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 或全球變化研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在建立LAI的遙感估算或反演模型時(shí)需要LAI的樣地?cái)?shù) 據(jù)，同時(shí)還必須用LAI的樣地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，所WLAI樣地測(cè)量是遙感反 演的基礎(chǔ)工作。目前，LAI樣地測(cè)量法主要分為具有破壞性的直接測(cè)量法和基于光學(xué)模型 的間接測(cè)量法，直接測(cè)量法包括擇伐標(biāo)準(zhǔn)木、抽取標(biāo)準(zhǔn)枝和標(biāo)準(zhǔn)葉的真實(shí)測(cè)量法和探針接 觸法等，由于直接測(cè)量法破壞植被耗時(shí)、耗力而且無(wú)法獲得時(shí)間序列數(shù)據(jù)，現(xiàn)很少被研究者 所應(yīng)用；間接測(cè)量法是使用LAI-2000系列、TRAC、Sunscan等光學(xué)儀器在林下進(jìn)行測(cè)量，但 該些儀器都是人工操作時(shí)瞬時(shí)對(duì)LAI進(jìn)行記錄，不具備自動(dòng)的連續(xù)觀測(cè)能力，要獲取林分 時(shí)間序列數(shù)據(jù)需要研究人員長(zhǎng)期在野外實(shí)地測(cè)量，很難獲得不同林分類型的葉面積指數(shù)生 長(zhǎng)數(shù)據(jù)，而且在長(zhǎng)期重復(fù)測(cè)量中，測(cè)量位置、角度復(fù)位等會(huì)造成較大人為誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的葉面積直接測(cè)量方法和間接測(cè)量方法無(wú)法有效 獲得長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x器，包括防水 殼體，所述防水殼體內(nèi)包括測(cè)量部分、供電部分和時(shí)控部分，所述測(cè)量部分包括單片機(jī)、水 平旋轉(zhuǎn)艙機(jī)、數(shù)字光強(qiáng)傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)艙機(jī)、時(shí)鐘模塊、SD卡和顯示屏，所述垂直旋轉(zhuǎn)艙機(jī) 安裝在水平旋轉(zhuǎn)艙機(jī)的轉(zhuǎn)盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)艙機(jī)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，所述數(shù)字光強(qiáng)傳感器安裝在垂 直旋轉(zhuǎn)艙機(jī)上，并隨垂直旋轉(zhuǎn)艙機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述時(shí)控部分包括時(shí)控開(kāi)關(guān)，所述單片機(jī)的輸出端 口分別連接水平旋轉(zhuǎn)艙機(jī)、垂直旋轉(zhuǎn)艙機(jī)、SD卡和顯示屏，所述數(shù)字光強(qiáng)傳感器的輸出端通 過(guò)串行線接連接單片機(jī)的SDA接口，時(shí)鐘模塊的輸出端通過(guò)串行線與單片機(jī)的S化接口建 立連接，所述供電部分的輸出端通過(guò)時(shí)控開(kāi)關(guān)與測(cè)量部分的單片機(jī)建立連接。
[0007] 所述供電部分包括太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能充電控制器和蓄電池，所述太陽(yáng)能板置于防 水殼體的外部，太陽(yáng)能充電控制器和蓄電池置于防水殼體內(nèi)部，太陽(yáng)能板的電能輸出端通 過(guò)太陽(yáng)能插口連接太陽(yáng)能控制器的輸入端，太陽(yáng)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(zhǎng)期野外觀測(cè)耗電。
[0008] 所述供電部分的輸出端串聯(lián)有降壓模塊和保險(xiǎn)管，保證儀器在安全電壓范圍內(nèi)工 作，W免因電壓過(guò)大燒壞元件，延誤測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)線與單片機(jī)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(fēng)風(fēng)扇， 所述高透度半球防水罩位于數(shù)字光強(qiáng)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(fēng)風(fēng)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H項(xiàng)開(kāi)關(guān)，所述H項(xiàng)開(kāi)關(guān)可W選擇斷電狀態(tài)、常通電狀態(tài)和連接 時(shí)控開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選擇時(shí)控開(kāi)關(guān)時(shí)可W預(yù)先設(shè)置時(shí)控開(kāi)關(guān)時(shí)間周期為儀器周期性連接電源、 斷開(kāi)電源配合單片機(jī)程序的邏輯判斷定時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，該樣有效的節(jié)省非測(cè)量時(shí)單片機(jī)電能 消耗。
[0012] 一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量方法，利用兩臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉 面積指數(shù)測(cè)量?jī)x配合，一臺(tái)放置待測(cè)林分冠層下記錄光線透過(guò)冠層后的光強(qiáng)稱為B值，另 一臺(tái)放置待測(cè)林分附近的空曠地記錄未透過(guò)冠層的光強(qiáng)稱為A值，通過(guò)貝爾定律和米勒定 律計(jì)算葉面積指數(shù)，所述貝爾定律為；1 =I"exp(-x)，其中IO為入射能量，I為通過(guò)X距 離的均勻介質(zhì)后衰減得到的能量，當(dāng)穿過(guò)的介質(zhì)均勻消光系數(shù)為a、介質(zhì)濃度為C時(shí)，得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，包括防水殼體，其特征在于：所述防 水殼體（1)內(nèi)包括測(cè)量部分、供電部分和時(shí)控部分，所述測(cè)量部分包括單片機(jī)（9)、水平旋 轉(zhuǎn)舵機(jī)（12)、數(shù)字光強(qiáng)傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（11)、時(shí)鐘模塊（8)、SD卡（7)和顯示屏（6)， 時(shí)控部分包括時(shí)控開(kāi)關(guān)（15)，所述垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（11)安裝在水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（12)的轉(zhuǎn)盤上 并隨水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（12)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，所述數(shù)字光強(qiáng)傳感器安裝在垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（11)的轉(zhuǎn)盤 上，并隨垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（11)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述單片機(jī)（9)的輸出端口分別連接水平旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（12)、 垂直旋轉(zhuǎn)舵機(jī)（11)、SD卡（7)和顯示屏（6)，所述數(shù)字光強(qiáng)傳感器的輸出端通過(guò)串行線接 連接單片機(jī)（9)的SDA接口，時(shí)鐘模塊（8)的輸出端通過(guò)串行線與單片機(jī)（9)的SCL接口 建立連接，所述供電部分的輸出端通過(guò)時(shí)控開(kāi)關(guān)（15)與測(cè)量部分的單片機(jī)（9)建立連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于：所 述供電部分包括太陽(yáng)能板、太陽(yáng)能充電控制器（16)和蓄電池（5)，所述太陽(yáng)能板置于防水 殼體（1)的外部，太陽(yáng)能充電控制器（16)和蓄電池（5)置于防水殼體（1)內(nèi)部，太陽(yáng)能板 的電能輸出端通過(guò)太陽(yáng)能插口（18)連接太陽(yáng)能控制器（16)的輸入端，太陽(yáng)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(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，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(xiǎn)管（17)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，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(guò)數(shù)據(jù)線與單片機(jī)建立連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，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(fēng)風(fēng)扇（19)，所述高透度半球防水罩（3)位于數(shù)字光強(qiáng)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(fēng)風(fēng)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(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x，其特征在于：所 述供電回路上三項(xiàng)開(kāi)關(guān)（20)。
7. -種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量方法，其特征在于：利用兩臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間序列 野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x配合，一臺(tái)放置待測(cè)林分冠層下記錄光線透過(guò)冠層后的光強(qiáng)稱 為B值，另一臺(tái)放置待測(cè)林分附近的空曠地記錄未透過(guò)冠層的光強(qiáng)稱為A值，通過(guò)貝爾定律 和米勒定律計(jì)算葉面積指數(shù)，所述貝爾定律為：I = Ioexp(I),其中Itl為入射能量，I為通 過(guò)X距離的均勻介質(zhì)后衰減得到的能量，當(dāng)穿過(guò)的介質(zhì)均勻消光系數(shù)為a、介質(zhì)濃度為C時(shí)，

8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量方法，其特征在于：測(cè)量前對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校正，利用傳感器校正模塊求解出 兩臺(tái)儀器的各個(gè)環(huán)光強(qiáng)記錄偏移和增量，即：Lai = 〇i+gi*Lbi，其中Lai為A儀器第i環(huán)記錄 的光強(qiáng)值，Lbi為B儀器第i環(huán)記錄的光強(qiáng)值，gi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(jìn)行求解，利用公式：+g, =〇,+g, ，其中€、￡分別為〇i、gi 的估計(jì)值，ei為殘差，選擇€、￡使所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差平方和（E ei)達(dá)到最小，作為gi和 Oi的估計(jì)值，修正兩臺(tái)儀器的系統(tǒng)誤差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種長(zhǎng)時(shí)間序列野外森林葉面積指數(shù)測(cè)量方法，其特征在于：測(cè)量后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間校正，通過(guò)記錄兩臺(tái)儀器開(kāi)始測(cè)量時(shí)間和結(jié)束測(cè)量時(shí)間并利用拉伸
將兩臺(tái)儀器時(shí)間統(tǒng)一，其中Tas為A儀器開(kāi)始測(cè)量時(shí)間，T a6 為A儀器測(cè)量結(jié)束時(shí)間，Tbs為B儀器開(kāi)始測(cè)量時(shí)間，Tb6為B儀器結(jié)束測(cè)量時(shí)間，Tbx為B儀 器測(cè)量時(shí)記錄時(shí)間，T' bxS Tbx調(diào)整后時(shí)間。
【文檔編號(hào)】G01B11/28GK104359428SQ201410705415
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:東北林業(yè)大學(xué)