DRTC01全自動(dòng)葉面積指數(shù)觀測(cè)儀

（1）概述

DRTC01無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，分布式節(jié)點(diǎn)用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計(jì)算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)用于將前端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的葉面積指數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收的葉面積指數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)，上位機(jī)接收葉面積指數(shù)存儲(chǔ)，并提供查詢(xún)接口供工作人員查詢(xún)。

（2）系統(tǒng)組成

全自動(dòng)葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括前端節(jié)點(diǎn)(冠層上節(jié)點(diǎn)，冠層下節(jié)點(diǎn)）、采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、三維掃描激光雷達(dá)（可選項(xiàng)）和上位機(jī)（可選項(xiàng)）等。

?           前端節(jié)點(diǎn)用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計(jì)算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)；前端節(jié)點(diǎn)包括魚(yú)眼攝像頭模塊，冠層圖像處理模塊和葉面積指數(shù)計(jì)算模塊。

?           魚(yú)眼攝像頭模塊用于拍攝冠層圖像發(fā)送給冠層圖像處理模塊；

?           冠層圖像處理模塊用于從冠層圖像中提取成像區(qū)域圖像并進(jìn)行二值化處理，得到成像區(qū)域二值化圖像發(fā)送給葉面積指數(shù)計(jì)算模塊；冠層圖像處理的具體方法為提取出57 .5度環(huán)及以?xún)?nèi)的圖像作為成像區(qū)域，其余非成像區(qū)域的像素設(shè)置為透明點(diǎn)；采用成像區(qū)域中各像素點(diǎn)的藍(lán)色分量值對(duì)成像區(qū)域圖像進(jìn)行灰度化，得到成像區(qū)域灰度圖像，灰度化公式表示如下：

Gray＝B

其中，Gray表示該像素點(diǎn)灰度化后的灰度值，B表示該像素點(diǎn)的藍(lán)色分量；繪制成像區(qū)域灰度圖像的直方圖，搜索得到直方圖的波谷，求取波谷處灰度值及波谷處之前K個(gè)灰度值和波谷處之后K個(gè)灰度值所涵蓋的所有像素點(diǎn)的平均灰度值M，如果該平均值M小于預(yù)設(shè)閾值 則將平均值M作為二值化閾值T，否則搜索得到直方圖個(gè)波峰，求取該波峰灰度值到灰度值值所涵蓋的所有像素點(diǎn)的平均灰度值作為二值化閾值T；

將成像區(qū)域灰度圖像中像素值大于等于閾值T的灰度值設(shè)置為1，歸為天空背景；將圖像中像素值小于閾值T的灰度值設(shè)置為0，歸為葉片，得到成像區(qū)域二值化圖像；采用去噪算法去除成像區(qū)域二值化圖像中的噪聲；葉面積指數(shù)計(jì)算模塊用于根據(jù)去噪后的成像區(qū)域二值化圖像計(jì)算葉面積指數(shù)；采集節(jié)點(diǎn)用于將前端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的葉面積指數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)； 匯聚節(jié)點(diǎn)將接收的葉面積指數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)；上位機(jī)在接收到葉面積指數(shù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供查詢(xún)接口供工作人員查詢(xún)。

（3）技術(shù)指標(biāo)
測(cè)量參數(shù)：植被冠層葉面積指數(shù)
波段范圍：傳感器中心波長(zhǎng)：492nm；半高波寬：9-12nm
測(cè)量模式：全自動(dòng)測(cè)量，每小時(shí)將自動(dòng)輸出一組數(shù)據(jù)
聯(lián)網(wǎng)方式：觀測(cè)節(jié)點(diǎn)（圓形）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率為433MHz無(wú)線通訊；匯聚節(jié)點(diǎn)支持433MHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；
配置有在線校準(zhǔn)驗(yàn)證三維掃描激光雷達(dá)，具體技術(shù)指標(biāo)：點(diǎn)云數(shù)據(jù)速率為300000 點(diǎn)/秒；距離誤差：＜2厘米；激光人眼安全級(jí)別：Class 1；角度誤差：＜0.05度；該系統(tǒng)內(nèi)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
產(chǎn)品配置：冠層上節(jié)點(diǎn)1個(gè)，冠層下節(jié)點(diǎn)5個(gè)，匯聚節(jié)點(diǎn)1個(gè)，三維掃描激光雷達(dá)1套，防護(hù)機(jī)箱1個(gè)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)1套，支架1套。
配件：標(biāo)配電纜長(zhǎng)度10米，其他電纜長(zhǎng)度可定制。

（4）葉面積指數(shù)的計(jì)算方法

葉面積指數(shù)計(jì)算模塊中葉面積指數(shù)的計(jì)算方法為：

在成像區(qū)域二值化圖像中提取出57 .5度這一環(huán)的圖像，統(tǒng)計(jì)其中黑白像素的數(shù)量，計(jì)算冠層孔隙度：

其中，T(θ)表示在視角θ下的冠層孔隙度，Nb(θ)表示在視角θ下背景的像素個(gè)數(shù)，Nl (θ)表示在視角θ下葉片的像素個(gè)數(shù)，θ＝57 .5 °；

計(jì)算葉面積指數(shù)LAI：

植被是陸表生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，而葉片則是植被與外界進(jìn)行相互作用的一個(gè)重要器官，葉面積指數(shù)作為作物群體結(jié)構(gòu)重要的參數(shù)，能夠定量描述植被進(jìn)行光合作用、呼吸作用、蒸騰作用，在環(huán)境、氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其定義為單位地表面積上植被冠層葉面積的一半。

對(duì)于葉面積指數(shù)的測(cè)量方法，可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量的方式是直接針對(duì)葉片的表面積進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的可靠性可以保障，但是測(cè)量的時(shí)間代價(jià)和成本代價(jià)往往較高。間接測(cè)量與直接測(cè)量不同，間接測(cè)量并不直接關(guān)注葉片本身的面積長(zhǎng)寬數(shù)據(jù)，而是通過(guò)測(cè)量與葉片相關(guān)的其他參數(shù)來(lái)推斷出葉片的面積。

間接測(cè)量目前有5種方法，分別是點(diǎn)接觸法、消光系數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、遙感圖像法、光學(xué)儀器法。其中光學(xué)儀器法包括基于圖像測(cè)量法如CI-100和輻射測(cè)量法如LAI2000。但傳統(tǒng)間接測(cè)量方式對(duì)某些危險(xiǎn)環(huán)境或者需要持續(xù)檢測(cè)的情況卻不太適用。

本系統(tǒng)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使葉面積指數(shù)測(cè)試系統(tǒng)更加靈活高效。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本系統(tǒng)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括前端節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)，其中：

前端節(jié)點(diǎn)用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計(jì)算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)；

采集節(jié)點(diǎn)用于將前端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的葉面積指數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)；

匯聚節(jié)點(diǎn)將接收的葉面積指數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)，上位機(jī)在接收到葉面積指數(shù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供查詢(xún)接口供工作人員查詢(xún)。

本系統(tǒng)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其前端節(jié)點(diǎn)用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計(jì)算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)用于將前端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的葉面積指數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收的葉面積指數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)，上位機(jī)接收葉面積指數(shù)存儲(chǔ)，并提供查詢(xún)接口供工作人員查詢(xún)。

通過(guò)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的葉面積指數(shù)自動(dòng)獲取，解決使用者每次去實(shí)地使用冠層分析儀獲取葉面積指數(shù)的不便，通過(guò)對(duì)冠層圖像處理算法的改進(jìn)。

可以進(jìn)一步解決通過(guò)遙感圖像法反演葉面積指數(shù)時(shí)獲取圖像成本高的問(wèn)題；

通過(guò)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)多組數(shù)據(jù)同時(shí)獲取，解決了人工測(cè)量?jī)H能在同一時(shí)刻獲取一組數(shù)據(jù)的問(wèn)題；本系統(tǒng)通過(guò)提取57 .5度環(huán)得到成像區(qū)域，然后采用藍(lán)色分量進(jìn)行成像區(qū)域的灰度化，可以降低光線、地形等造成的影響，同時(shí)也解決了拍攝圖像有部分缺失數(shù)據(jù)不能使用單角度法估算葉面積指數(shù)的問(wèn)題；

在前端節(jié)點(diǎn)直接計(jì)算葉面積指數(shù)再通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)上傳，有效解決了傳統(tǒng)方法中采用一個(gè)器件拍攝圖像后直接處理圖像的方法對(duì)設(shè)備要求高，所需裝置昂貴的問(wèn)題，同時(shí)相較于需要上傳圖像然后在PC機(jī)上處理計(jì)算葉面積指數(shù)的方法而言具有更高的效率。

前端節(jié)點(diǎn)用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計(jì)算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。圖2是本實(shí)施例中前端節(jié)點(diǎn)的具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，本實(shí)施例中，前端節(jié)點(diǎn)包括魚(yú)眼攝像頭模塊，冠層圖像處理模塊和葉面積指數(shù)計(jì)算模塊。魚(yú)眼攝像頭模塊用于拍攝冠層圖像發(fā)送給冠層圖像處理模塊，拍攝時(shí)應(yīng)避免太陽(yáng)光直射進(jìn)入鏡頭，魚(yú)眼攝像頭采用OV2640攝像頭，該攝像頭是OmniVision公司生產(chǎn)的一顆1/4寸的CMOS UXGA(1632*1232)圖像傳感器，可提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過(guò)SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/ 10位影像數(shù)據(jù)。其中UXGA15幀/秒。

冠層圖像處理模塊用于從冠層圖像中提取成像區(qū)域圖像并進(jìn)行二值化處理，得到成像區(qū)域二值化圖像發(fā)送給葉面積指數(shù)計(jì)算模塊。

冠層圖像處理算法是前端節(jié)點(diǎn)1中的重要部分，其性能是前端節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵，本實(shí)施例中設(shè)計(jì)了一種運(yùn)行效率更高的算法，以提高冠層圖像處理效率和質(zhì)量。

中冠層圖像處理的流程圖。

提取出57 .5度環(huán)及以?xún)?nèi)的圖像作為成像區(qū)域，即將獲取的冠層圖像分割為18個(gè)同心圓，從外向內(nèi)數(shù)第7個(gè)圓環(huán)及以?xún)?nèi)的像素即為成像區(qū)域，其余非成像區(qū)域的像素設(shè)置為透明點(diǎn)。

采用成像區(qū)域中各像素點(diǎn)的藍(lán)色分量值對(duì)成像區(qū)域圖像進(jìn)行灰度化，得到成像區(qū)域灰度圖像，灰度化公式表示如下：

Gray＝B

其中，Gray表示該像素點(diǎn)灰度化后的灰度值，B表示該像素點(diǎn)的藍(lán)色分量。

本系統(tǒng)中，之所以采用藍(lán)色分量進(jìn)行灰度化，是因?yàn)槿~子的吸收光譜在藍(lán)色波段吸光能力較強(qiáng)，藍(lán)光通過(guò)葉片后光強(qiáng)有較大的損失，可以增加照片對(duì)比度，有利于準(zhǔn)確講照片中的葉子和天空分割開(kāi)來(lái)，從而提高測(cè)量精度。

基于直方圖確定二值化閾值：

繪制成像區(qū)域灰度圖像的直方圖，搜索得到直方圖的波谷，求取波谷處灰度值及波谷處之前K個(gè)灰度值和波谷處之后K個(gè)灰度值所涵蓋的所有像素點(diǎn)的平均灰度值M，如果該平均值M小于預(yù)設(shè)閾值 ，則將平均值M作為二值化閾值T，否則搜索得到直方圖個(gè)波峰，求取該波峰灰度值到灰度值值(即255)所涵蓋的所有像素點(diǎn)的平均灰度值作為二值化閾值T。

本系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在葉面積指數(shù)較大的情況下，由于魚(yú)眼攝像頭白平衡等原因，會(huì)自動(dòng)增加曝光度和感光度，如果直接采用波谷灰度值的平均值作為二值化閾值，則該二值化閾值達(dá)到一定程度后無(wú)法繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致大量葉子錯(cuò)誤分割為天空。因此本系統(tǒng)引入閾值 以解決此問(wèn)題，閾值 的具體大小是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)值。

成像區(qū)域二值化：

將成像區(qū)域灰度圖像中像素值大于等于閾值T的灰度值設(shè)置為1，歸為天空背景；將圖像中像素值小于閾值T的灰度值設(shè)置為0，歸為葉片，得到成像區(qū)域二值化圖像。二值化公式表示如下：

葉面積指數(shù)計(jì)算模塊用于根據(jù)成像區(qū)域二值化圖像計(jì)算葉面積指數(shù)。本實(shí)施例中，葉面積指數(shù)計(jì)算的具體方法為：

在成像區(qū)域二值化圖像中提取出57 .5度這一環(huán)的圖像，統(tǒng)計(jì)其中黑白像素的數(shù)量，計(jì)算冠層孔隙度：

其中，T(θ)表示在視角θ下的冠層孔隙度，Nb(θ)表示在視角θ下背景的像素個(gè)數(shù)，Nl (θ)表示在視角θ下葉片的像素個(gè)數(shù)，本系統(tǒng)中θ＝57 .5°。

計(jì)算葉面積指數(shù)LAI：

其中，T(57 .50)表示視角57 .5度下的冠層孔隙度。

冠層圖像處理模塊和葉面積指數(shù)計(jì)算模塊采用STM32F407芯片實(shí)現(xiàn)，STM32F407是由ST(意法半導(dǎo)體)開(kāi)發(fā)的一種高性能微控制器，借助其在集成度與性能方便的優(yōu)勢(shì)，可以使前端節(jié)點(diǎn)1更易實(shí)現(xiàn)小型化，運(yùn)行更有效率，方便野外部署。

采集節(jié)點(diǎn)：

采集節(jié)點(diǎn)2用于將前端節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的葉面積指數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)3。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一種基于傳感器、以Ad-Hoc方式組成多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其能夠?qū)υ趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的、協(xié)作的感知、收集和處理，且能夠?qū)⑻幚磉^(guò)的信息傳遞給觀察者。在某些可能對(duì)監(jiān)控人員構(gòu)成直接威脅的情況下，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地避免監(jiān)控人員受到環(huán)境影響。在某些需要持續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間反饋檢測(cè)目標(biāo)的情況，容易因人為因素產(chǎn)生結(jié)果誤差，使用無(wú)線傳感器設(shè)備進(jìn)行無(wú)人監(jiān)控可以有效避免上述問(wèn)題。因此本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的葉面積指數(shù)間接測(cè)量方式與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用無(wú)線方式對(duì)計(jì)算的葉面積指數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用無(wú)線設(shè)備可以快速搭建網(wǎng)絡(luò)，耗時(shí)短、成本低、覆蓋范圍廣，當(dāng)不需要監(jiān)控時(shí)可以回收設(shè)備并繼續(xù)使用，節(jié)點(diǎn)位置也可以靈活變動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決傳統(tǒng)間接測(cè)量方式帶來(lái)的諸多問(wèn)題。

圖1

圖2