一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀及其測量方法
【專利摘要】一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀及測量方法，它涉及一種葉面積測量儀器及其測量方法。本發(fā)明為了解決現(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。本發(fā)明的垂直旋轉(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。本發(fā)明結(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】-種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量儀及其測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種葉面積測量儀器及其測量方法，具體涉及一種長時間序列野外森 林葉面積指數(shù)測量儀器及測量方法，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)（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。準確獲取葉面積指數(shù)是近些年來的研究熱點。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、研究植被與外界的 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W提高森林碳水循環(huán)的模擬精度。同時也可W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WLAI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(xué)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)很少被研究者 所應(yīng)用；間接測量法是使用LAI-2000系列、TRAC、Sunscan等光學(xué)儀器在林下進行測量，但 該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)需要研究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(fù)測量中，測量位置、角度復(fù)位等會造成較大人為誤差。


【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] 本發(fā)明的技術(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)艙機、數(shù)字光強傳感器、垂直旋轉(zhuǎn)艙機、時鐘模塊、SD卡和顯示屏，所述垂直旋轉(zhuǎn)艙機 安裝在水平旋轉(zhuǎn)艙機的轉(zhuǎn)盤上并隨水平旋轉(zhuǎn)艙機水平轉(zhuǎn)動，所述數(shù)字光強傳感器安裝在垂 直旋轉(zhuǎn)艙機上，并隨垂直旋轉(zhuǎn)艙機轉(zhuǎn)動，所述時控部分包括時控開關(guān)，所述單片機的輸出端 口分別連接水平旋轉(zhuǎn)艙機、垂直旋轉(zhuǎn)艙機、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S化接口建 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，W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(fēng)風(fēng)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(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項開關(guān)，所述H項開關(guān)可W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W預(yù)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)，該樣有效的節(jié)省非測量時單片機電能 消耗。
[0012] 一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量方法，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 =I"exp(-x)，其中IO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(dāng)穿過的介質(zhì)均勻消光系數(shù)為a、介質(zhì)濃度為C時，得到：

【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，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（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。
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(fēng)風(fēng)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(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 述供電回路上三項開關(guān)（20)。
7. -種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量方法，其特征在于：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：I = Ioexp(I),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(dāng)穿過的介質(zhì)均勻消光系數(shù)為a、介質(zhì)濃度為C時，

8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量方法，其特征在于：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：Lai = 〇i+gi*Lbi，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，gi是第i環(huán)偏移，〇i是第i環(huán)增量，程序利用 最小二乘法原理進行求解，利用公式：+g, =〇,+g, ，其中€、￡分別為〇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（E ei)達到最小，作為gi和 Oi的估計值，修正兩臺儀器的系統(tǒng)誤差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種長時間序列野外森林葉面積指數(shù)測量方法，其特征在于：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
將兩臺儀器時間統(tǒng)一，其中Tas為A儀器開始測量時間，T a6 為A儀器測量結(jié)束時間，Tbs為B儀器開始測量時間，Tb6為B儀器結(jié)束測量時間，Tbx為B儀 器測量時記錄時間，T' bxS Tbx調(diào)整后時間。
【文檔編號】G01B11/28GK104359428SQ201410705415
【公開日】2015年2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(xué)