葉面積測定儀測量柑橘葉的間接方法

1、葉面積測定儀測量柑橘葉的間接方法 作者： 日期：14 個人收集整理 勿做商業(yè)用途葉面積測定儀測量柑橘葉的間接方法 針對間接方法測葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI)一般不考慮單一孤立果樹冠層、葉片相互重疊因素及圖像處理速度低的缺點,通過正交試驗確定單一孤立柑橘LAI測量的主要影響因素為重疊葉片數(shù)（0。05）,建立等間隙模型解決有間隙的重疊的影響問題，托普儀器廠家的YMJA型葉面積測定儀采用三維行走機構(gòu)實現(xiàn)自動采集，應(yīng)用LabVIEW 平臺開發(fā)一個基于紅外透射的柑橘LAI 自動測量系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由控制模塊與行走機構(gòu)、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和PC 機組成,其標(biāo)定LAI 相對誤差絕

2、對值平均為11。11.YMJ-A型葉面積測定儀在行走機構(gòu)按照S形路線,自動進行掃描、定位采集的方式下，系統(tǒng)對華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院柑橘園45 棵橘樹測量，以直接法和采樣法計算的LAI 值作為真實值，相對誤差絕對值的平均為31.4；參照對比的WinSCANOPY Pro 植物冠層分析系統(tǒng)專業(yè)版測量值與真實值比較，相對誤差絕對值的平均為29.8。兩系統(tǒng)誤差接近，表明本系統(tǒng)可滿足柑橘LAI 測量試驗要求。 引 言 葉面積指數(shù)（leaf area index,LAI)是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù).傳統(tǒng)的直接測量LAI 對植物本身具有一定破壞性，且人工采集樣品耗時耗力。間接方法以光學(xué)模型為主，近年來，出現(xiàn)

3、了一系列基于光學(xué)模型方法的檢測冠層LAI 的新儀器,如澳大利亞CSIRO 的DEMON，英國DeltaT 的SunScan，美國Licor 的LAI-2000、LI191和CID的CI100/110 DigitalPlant Canopy Imager、加拿大WinSCANOPY 魚眼相機冠層分析儀等.因為國際上還沒有一個統(tǒng)一的試驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)，同時各種儀器有各自的理論模型、分析分法和應(yīng)用條件15。光學(xué)模型分為可見光光學(xué)模型和圖像處理2 種，前者通過穿透到植冠內(nèi)的輻射比爾定律(the law of Beer)等公式，得到作物群體內(nèi)輻射衰減公式,進而推導(dǎo)出LAI，優(yōu)點是比較簡易方便，缺點主要是不考慮

4、相互重疊因素,導(dǎo)致誤差大;后者相對全面準(zhǔn)確,但是圖像分割技術(shù)具有局限且其圖像處理速度低616。兩者的測量對象都是以均勻分布的農(nóng)林作物為主1720。光譜技術(shù)因為對被測對象無損害而且檢測快速等特點在農(nóng)作物信息采集中得到廣泛應(yīng)用，而利用近紅外光譜可以較好穿透葉片的特性,分析重疊因素的影響，快速推導(dǎo)植物冠層LAI21-26。目前對單一、孤立冠層的果樹LAI 測量研究較少,不考慮葉片重疊因素,并且沒有實現(xiàn)自動化檢測27.本論文創(chuàng)新的構(gòu)建了一個結(jié)合近紅外光譜技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，可對單一果樹分辨有間隙重疊葉片的LAI 自動檢測系統(tǒng)。在直射近紅外光光源照射下，根據(jù)重疊葉片多光譜透射試驗結(jié)果，進行正交試驗確定主

5、要影響因素，建立等間隙模型，采用三維自動行走機構(gòu),對果樹LAI 進行快速自動檢測，進而確立冠層葉密度與葉生物量及總生物量的關(guān)系，從而為果園精確噴霧提供果園冠層生物量狀態(tài)信息，為果樹精確噴霧機械的研究提供依據(jù)。 1 柑橘LAI自動測量系統(tǒng)的構(gòu)建1.1 系統(tǒng)原理葉面積測定儀YMJ-A型-浙江托普儀器有限公司測量參數(shù):葉面積、平均葉面積、葉長、葉寬、長寬比 測量單位：毫米，平方毫米 原理：照射，通過安裝行走機構(gòu)實現(xiàn)自動采集,利用光電傳感器檢測葉片透射光的能量，傳感器輸出電壓信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集至計算機,再用LabVIEW 軟件編程,將電壓信號顯示并判斷重疊葉片層數(shù).將葉片層數(shù)乘以傳感器的接收面積即

6、為該檢測位置各層葉片面積,將整個檢測過程中的葉片面積累加即為各層葉片的總面積，進而求出LAI.采集橘樹東南西北4 個方向的LAI平均值作為最后的LAI 測量值可以反映出橘樹LAI 的整體情況. 1。2 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)硬件包括測試信息采集（近紅外光源、光電傳感器、信號調(diào)理模塊）、運動控制(電機、電機驅(qū)動器、導(dǎo)軌、U 型架）和虛擬儀器核心(個人計算機PC、數(shù)據(jù)采集卡等）3 大部分，如圖1 所示。 1）信號采集部分 檢測元件選用 808 nm 紅外光源以及PD34B 紅外硅光電池傳感器，傳感器感應(yīng)波長范圍為7301100 nm。采用有源二階低通濾波電路對傳感器的輸入信號進行濾波處理，其截止頻率為fp

7、=300 Hz，每10 倍頻程衰減40 dB。檢測元件輸出的光電流在mA 級以下，通過低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器OP07 集成的前置放大電路,將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過運放主放大電路將前置放大器輸出的信號放大，以配合數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍。 注：A 為虛擬儀器核心部分，B 為運動控制部分，C 為信息采集部分。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2）運動控制部分 通過傳感器的質(zhì)量、部位尺寸和導(dǎo)軌驅(qū)動結(jié)構(gòu),在確認(rèn)停止精度、分辨率、位置保持等參數(shù)后,計算出電動機驅(qū)動軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣性慣量等參數(shù)，然后選擇電機種類和型號,并相應(yīng)選擇電機驅(qū)動器和聯(lián)軸器。步進電機主要包括X、Y 和Z 軸導(dǎo)軌電機.其中X 軸

8、導(dǎo)軌電機即大電機采用日本東方電機生產(chǎn)的5 相步進電機UPH596B,配合使用的驅(qū) 動器為UDX5112；Y 軸電機即中電機采用東方電機生產(chǎn)的5 相步進電機PH566-A，與主導(dǎo)軌電機使用同一驅(qū)動器；Z 軸導(dǎo)軌電機即小電機采用日本東方電機生產(chǎn)的5 相步進電機PK566-NAC。Z 軸導(dǎo)軌調(diào)節(jié)確保光源距第一片葉片的距離小于5 cm，X、Y 軸導(dǎo)軌調(diào)節(jié)用于實現(xiàn)行走機構(gòu)自動行走S 型掃描路線，實現(xiàn)對測試對象橘樹自動化測量,如圖2 所示。首先在Z 軸上調(diào)節(jié)U 型架的高度以適合采集橘樹葉片的LAI，然后系統(tǒng)在每個方向按照S 型路線自動行走：在X 軸方向以一定頻率向前行走M 步，在Y 軸方向以一定頻率行走N

9、 步，之后在X 軸方向以固定頻率向回行走M步,S 形狀循環(huán)前進,每走一步采集一個傳感器面積葉片的LAI 值，在X 軸行走K 步后，在柑橘樹一個方向的測量結(jié)束，然后測量其它另外3 個方向的LAI值。圖2 信息采集路線圖 通過數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)字信號來控制步進電機啟動/停止、正/反轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號控制電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)動通過彈性聯(lián)軸器帶動導(dǎo)軌絲桿的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)絲桿上滑塊的三維運動，帶動U型架測量LAI。 3）虛擬儀器核心部分 PC 機的CPU 為AMD2500+（32 位）,主頻為1.4 GHz,內(nèi)存2 G。數(shù)據(jù)采集卡為美國國家儀器公司（簡稱NI）的USB6229 卡：32 路模擬輸入,16 位，250

10、k Sa/s 采樣速率；4 路模擬輸出，16 位，833 k Sa/s；48 路數(shù)字I/O 和2 個32 位計數(shù)器。 1.3 系統(tǒng)軟件 1)軟件設(shè)計整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件基于 LabVIEW2010 平臺，完成對傳感器電壓信號采集、處理、分析和數(shù)據(jù)保存及顯示等工作，主程序流程圖見圖3 所示。圖3 主程序流程圖 2)操作界面 主操作控制界面分為顯示和設(shè)置2 個區(qū)：顯示區(qū)包括擬合葉片數(shù)投影面積、光斑面積、總?cè)~面積、陰影率、重疊率、LAI 和日期時間、變化趨勢顯示等；設(shè)置區(qū)包括行走軌跡設(shè)定區(qū)域（包括軌跡來回步數(shù)設(shè)置和循環(huán)次數(shù)設(shè)置）、光源與傳感器的有效距離、電機區(qū)(用于設(shè)定大中電機的運行頻率、順序、單步運

11、行距離等參數(shù))和停止區(qū)，主操作界面見圖4 所示。圖4 操作界面 2 系統(tǒng)標(biāo)定試驗設(shè)計與結(jié)果分析 2。1 系統(tǒng)正交試驗設(shè)計 為了確定光源與傳感器距離、葉片重疊數(shù)和葉片間隙對系統(tǒng)采集的電壓信號的影響，設(shè)計了3因素3 水平正交試驗。 1）試驗材料 光源為近紅外激光器,功率200 mW、波長808±5 nm；盤栽柑橘；近紅外傳感器;5 V 直流穩(wěn)壓電源為紅外激光器供電,12 V 直流穩(wěn)壓電源為傳感器芯片供電;有排針的面包板,作為柑橘葉片固定裝置；具有50 cm 可調(diào)節(jié)寬度的U 型架，用于固定光源和傳感器，其中有效量程為22 cm，由試驗表明，超過22 cm 傳感器就不能有效吸收光源的能量，可

12、在操作界面設(shè)置光源與傳感器的有效距離。試驗現(xiàn)場如圖5 所示.圖5 室內(nèi)試驗現(xiàn)場 2）確定試驗因素水平 根據(jù)預(yù)備試驗結(jié)果，選擇了光源與傳感器距離、葉片重疊數(shù)和葉片間隙3 個因素，每個因素取3 個水平，正交試驗水平因素設(shè)計如表1 所示。表1 正交試驗設(shè)計與結(jié)果 3)試驗步驟 調(diào)整傳感器與光源的位置,使激光器光束垂直照射在傳感器敏感元件上，顯示電壓值為10 V（可調(diào)），光源與傳感器之間的距離為37 cm 等設(shè)定數(shù)值； 將柑橘葉片平張,置于光源下方3 cm 處，記錄傳感器對應(yīng)的電壓值; 根據(jù)表1 重復(fù)步驟。 4）正交試驗結(jié)果的方差分析在 SPSS 軟件里建立測量電壓平均值與光源距傳感器距離、葉片重疊葉

13、片數(shù)和葉片間隙的多因素方差分析,結(jié)果如表2 所示:重疊葉片數(shù)B 影響顯著（=Sig。0.05）;葉片間隔C 影響次之，不顯著（=Sig0。05）；光源與傳感器距離A 影響最小，不顯著（=Sig0.05)。光源與傳感器的距離A、葉片重疊葉片數(shù)B 和葉片間隙C 對電壓信號采集的影響作用從大到小排序為B、C、A.表2 正交試驗主體間效應(yīng)的檢驗 2。2 等間隙葉片模型的建立 在實際果樹中,葉片之間存在不均勻的間隔，使得透射輻射衰減規(guī)律發(fā)生顯著變化，為了研究葉片間隔對透射輻射量的影響，在正交試驗的基礎(chǔ)上建立等間隙葉片模型試驗。 1）事先測出室內(nèi)日光燈對測量電壓的影響 建模前研究了室內(nèi)日光燈對系統(tǒng)采集電壓

14、信號的影響。保持光源與傳感器的距離22 cm 不變,依次放進葉片，記錄日光燈開關(guān)情況下的電壓值。結(jié)果表明,日光燈對系統(tǒng)測量影響的平均電壓值為0。17 V,以此為基礎(chǔ)對光源影響進行排除。 2）試驗步驟 使激光器光束垂直照在傳感器敏感元件上，顯示電壓值為10 V，光源與傳感器之間的距離為22 cm； 將柑橘葉片平張，置于光源下方3 cm 處，記錄傳感器對應(yīng)的電壓值,如表3 所示； 依次將25 片柑橘葉子間隙為3 mm 重疊，重復(fù)步驟; 依次改變柑橘葉子間隙為6、9、12、15、18和21 mm，重復(fù)步驟。表3 等間隙模型試驗數(shù)據(jù)表 3）結(jié)果分析 用 SPSS 軟件依次對表3 等間隙的試驗數(shù)據(jù)建立測

15、量電壓平均值與葉片重疊數(shù)目的散點圖及回歸模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冪函數(shù)模型Y=K·eAX 的擬合效果較好,相關(guān)系數(shù)R 均大于0。998（0.05），方程系數(shù)的顯著性水平0。05,方程顯著。建立回歸模型后，采用相似法取指數(shù)回歸模型的擬合方程參數(shù)的平均值作為最終的電壓值與重疊葉片層數(shù)的擬合方程 式中，Y 為主控制面板采集的電壓值的平均值，V；X 為重疊葉片數(shù)。對由測量值Y 反演求得的X 的非整數(shù)值，進行四舍五入取整處理，具體如下： 當(dāng) X=0 時，表明當(dāng)前重疊葉片層數(shù)為0,此時計光電傳感器面積為光斑面積S0,并記錄測試點個數(shù)n，光斑總面積S 光=測試點個數(shù)n×光斑面積S0; 當(dāng) X0

16、時,表明當(dāng)前有葉片重疊，此時計光電傳感器面積為投影面積S0,并記錄相應(yīng)的重疊葉片層數(shù)N 和測試點個數(shù)n,投影總面積S 投=測試點個數(shù)n×投影面積S0，總?cè)~面積S 總=測試點個數(shù)n×重疊葉片層數(shù)N×投影面積S0，測試面積S 測=投影總面積S 投+光斑總面積S 光，投影率=投影總面積S 投/測試面積S 測,重疊率=投影面積S 投/總?cè)~面積S 總,葉面積指數(shù)Lr=投影率×重疊率。 誤差分析 在保證第一個葉片與光源的距離小于5 cm 基礎(chǔ)上，依次放入不同間距的葉片，通過等間隙模型中的最終電壓值與重疊葉片層數(shù)的擬合方程反演求得的擬合葉片數(shù)與實際葉片數(shù)的誤差分析如表

17、4 所示，其中系統(tǒng)自身的標(biāo)定誤差指理想情況下建立間隙模型和進行標(biāo)定試驗后標(biāo)定LAI 值產(chǎn)生的誤差。表4 等間隙模型誤差分析數(shù)據(jù)結(jié)果表明：系統(tǒng)測量絕對誤差的絕對值平均為0.19，相對誤差的絕對值平均為11.1%。實際葉片為1 無重疊時最大相對誤差是100，實際葉片大于1 表明有重疊時最大相對誤差是33.33%。正交試驗分析知,電壓平均值的主要影響因素是重疊葉片數(shù)B，而葉片間隙C 影響不顯著，由此建立的等間距模型可以作為測量非等間隙的模型，滿足測量要求。 葉片傾斜因素試驗 考慮到葉片傾斜狀態(tài)（葉傾角）的影響，進行葉片傾斜試驗:在等間隙模型的基礎(chǔ)上將葉片按30°、45°和60&#

18、176;依次放入面包板上的排插.系統(tǒng)采集 電壓值Y 運用公式（2）反演求得的X 的非整數(shù)值，進行四舍五入取整求得擬合葉片數(shù)，實際葉片數(shù)直接觀察讀取.試驗結(jié)果表明：葉片傾斜角度對系統(tǒng)測量的葉片數(shù)有影響,并且隨傾斜角度增大而增大，但誤差計算表明影響值不會超過一片葉子,同時隨著葉片數(shù)的增多，傾斜角度的對葉片數(shù)測量的影響越小，達(dá)到4 片葉子后葉片數(shù)測量和實際葉片數(shù)的絕對誤差為0。系統(tǒng)在測量葉片數(shù)超過3 片的時候可以完全忽略葉片傾斜角度的影響,對于小于4 片葉片數(shù)的要加修正系數(shù)，修正系數(shù)=（小于4 片葉片實際葉片數(shù)的平均值Vn0 ）/（小于4 片葉片擬合葉片數(shù)的平均值Vn)=0。818，擬合葉片數(shù)與實際

19、葉片數(shù)的絕對誤差絕對值的平均為0。33,如表5 所示。表5 葉片傾斜試驗數(shù)據(jù)表 3 系統(tǒng)應(yīng)用與誤差分析 3.1 試驗設(shè)計 通過對華南農(nóng)業(yè)大學(xué)柑橘園的45 棵橘樹采樣求LAI。采集橘樹東南西北4 個方向的LAI 的平均數(shù)作為最后的LAI 測量值可以反映出橘樹LAI 的整體情況，提高測量LAI 的精確度。測量東南西北四個方向的LAI,分別記為L1、L2、L3 和L4，求得橘樹LAI 的平均測量值Lr=(L1+L2+L3+L4）/4。 1)按照S 形狀循環(huán)，共行走100 步，每行走1步后，系統(tǒng)自動采集信號20 個點的平均值后判斷求出并記錄保存相應(yīng)的投影面積S0、重疊葉片層數(shù)N、測試點個數(shù)n、投影總面

20、積S 投、總?cè)~面積S 總、測試面積S、投影率、重疊率 和葉面積指數(shù)Lr。 2）對其他3 個方向進行重復(fù)操作步驟1). 3.2 誤差分析 應(yīng)用誤差是指實際測量果樹的LAI測量值與真實值的誤差。采用直接測量法計算的LAI 即L 作為真實LAI：首先，計算橘樹的占地面積即投影面積Sd。標(biāo)準(zhǔn)A4 紙水平放在橘樹底下用于參比,再用吊錘描繪垂直于地面的果樹輪廓,數(shù)碼相機拍照紙上描繪的輪廓，通過Photoshop 軟件處理，Matlab計算橘樹投影輪廓面積；其次，計算總?cè)~面積SN。用采樣法采樣，每棵樹采東南西北4 個方向的上中下各層的3 片葉子作為采樣對象，通過圖像處理計算得平均葉面積Sv，再乘以每棵樹的總

21、葉片數(shù)N，求得總?cè)~面積SN=Sv×N（對其中3 棵樹全部采摘進行了驗證，誤差在試驗允許范圍）。進而根據(jù)公式L=SN/Sd 求得真實值LAI.LAI 測量值Lr 與真實值L的誤差分析如表6 所示，結(jié)果表明相對誤差的絕對值的平均為31.4。 用加拿大 WinSCANOPY Pro 植物冠層分析系統(tǒng)專業(yè)版，（18 M 像素，180°魚眼鏡頭,帶指北裝置和遙控器，8 G 內(nèi)存)對上述果樹在2011 年1012月及2012 年2 月月初進行了4 次測量，作為參照對比。WinSCANOPY 植物冠層分析系統(tǒng)基于魚眼影像技術(shù)進行測量，魚眼能夠產(chǎn)生非常大的視角（接近或等于180°

22、）,能夠清晰地采集冠層頂部的影像,以及到周圍冠層側(cè)方一定范圍內(nèi)的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，通過專業(yè)配套計算機圖像軟件處理可獲取LAI等冠層參數(shù)28.冠層分析儀取柑橘樹東、南、西、北方向的測量值的平均值作為LAI 的測量值Lp，閾限水平設(shè)置為50%,天頂角分區(qū)為5，方位角分區(qū)為329-31，與真實值L 比較，Lp 相對誤差絕對值的平均為29.8%。 結(jié)果表明,本系統(tǒng)與 WinSCANOPY 植物冠層分析系統(tǒng)結(jié)果接近，相對誤差均接近30。產(chǎn)生誤差的原因分析如下：1）葉厚、葉片間隔的差異導(dǎo)致近紅外光的透過率有所不同，等間隙模型擬合的方程存在一定誤差；2）傳感器接收面并非一個點，而是一個正方面,葉片投影沒有完全遮擋接受面，該接受面的輸出并非完全線性輸出，導(dǎo)