一種冠層孔隙測量方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及作物孔隙測量方法，具體涉及一種冠層孔隙測量方法及其裝置，包括如下步驟：激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出高電平或低電平信息，否則激光接收電路輸出低電平或高電平信息；激光接收電路輸出的高、低電平信息傳輸至數據處理單元，數據處理單元對高、低電平信息進行處理與計算后獲得作物冠層孔隙大小。本發明的冠層孔隙測量方法及其裝置，在測量時，無需均一的光環境，電源由本發明的測量裝置提供，根據激光接收電路輸出的高電平數和低電平數即可確定作物冠層孔隙大小，測量原理簡單，制作成本低，對天氣條件要求不高。
【專利說明】一種冠層孔隙測量方法及其裝置
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及作物孔隙測量方法，具體涉及一種冠層孔隙測量方法及其裝置。
[0003]
【背景技術】
[0004]冠層是作物與外界環境發生相互作用的主要場所，作物的許多光合、呼吸、蒸騰和降水截獲等生化物理過程都發生在冠層，冠層的結構參數是對作物長勢監測、產量估計的重要指標。而作物冠層孔隙大小是描述冠層結構和作物空間分布的關鍵變量。
[0005]獲取與分析作物冠層孔隙大小的方法很多，主要分為直接測量與間接測量兩大類。直接測量以手工為主，原理簡單，精度較高，但是耗時費力，且測量時大多會對作物產生破壞，不適用于快速實時獲取作物長勢信息，不適用于長期動態監測。目前間接測量多借助于輻射測量的方法和基于圖像測量的方法。前者通過輻射傳感器(光敏傳感器)獲取太陽福射透過大小來表征作物冠層孔隙大小，例如，LA1-2000、AccuPAR、Sunscan、Sunfleckceptometer、Demon和TRAC等儀器都是基于福射測量的方法。這種方法測量簡便快速，但容易受天氣影響，需要在晴天下工作。基于圖像測量的方法多應用魚眼鏡頭與CCD相機獲取冠層圖像，對圖像處理與分析后計算出冠層孔隙大小等結構參數，例如，C1-100、WINSCANOPY、HemiVieW、HCP等儀器都是基于圖像測量的方法。特別是一些已經公開的專利中，申請號:201010231726.8,201110228089.3,201210272555.2 的中國專利申請，都是基于圖像測量的方法進行水稻冠層葉面積指數等結構參數的測量；申請號:201310247982.X的中國專利申請也是基于圖像測量的方法進行玉米冠層孔隙度的測量。這種測量方法測量精度較高，但測量時需要均一的光環境，要避免直射的陽光與光線不均勻的天氣條件。
[0006]
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服上述問題，提供一種測量時對光環境要求較低、且測量原理簡單的冠層孔隙測量方法及其裝置。
[0008]由于冠層孔隙測量方法及其裝置兩者具有相同的特定技術特征:采用若干激光發射管、激光接收管和一個數據處理單元，通過檢定激光接收電路輸出高電平數和低電平數的比例，獲得冠層孔隙大小的測量方法，該技術特征是對現有技術作出創造性改進的特征，具有突出的實質性特點和顯著的進步，因此兩者屬于一個總的發明構思，具有單一性，可以作為一項專利申請提出。
[0009]為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為:一種冠層孔隙測量方法，其特征在于，包括如下步驟:
a.激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出高電平信息，否則激光接收電路輸出低電平信息；
或者激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出低電平信息，否則激光接收電路輸出高電平信息；
b.激光接收電路輸出的高電平或低電平信息傳輸至數據處理單元，數據處理單元對高電平或低電平信息進行處理與計算后獲得作物冠層孔隙大小；
C.計算得到的作物冠層孔隙數據存儲在數據處理單元中，并通過數據顯示單元顯示。
[0010]前述的一種冠層孔隙測量方法，所述的激光發射電路中，每一個激光發射管D與一只電阻R串聯，然后并聯，并聯數與激光發射管數相同；并聯后電路由數據處理器中電源供電。
[0011]前述的一種冠層孔隙測量方法，在所述的激光接收電路中，每一個激光接收管Q設有三條管腳或二條管腳；
對于三條管腳的激光接收管，其管腳分別是電源正極、電極負極與信號輸出端，信號輸出端通過一個電阻與電源正極相連，電源正極與電源負極之間通過一個電容C進行隔離，從每個激光接收管的信號輸出端將信號輸出至數據處理單元；
對于二條管腳的激光接收管，一條管腳通過一個電阻與電源正源相連，并從該管腳處引出信號輸出至數據處理單元，另一條管腳接電源負極；或者一條管腳通過一個電阻與電源負極相連，并從該管腳處引出信號至數據處理單元，另一條管腳接電源正極。
[0012]前述的一種冠層孔隙測量方法，所述的激光發射電路與激光接收電路均通過數據處理器的工作電源供電。
[0013]前述的一種冠層孔隙測量方法，數據處理單元由單片機組成，每個激光接收管的輸出信號端與單片機I/o端口相連；當某個激光接收管接收到激光發射端的光源時，則該激光接收電路通過激光接收管信號端輸出高電平或低電平；當某個激光接收管因遮擋沒有接收到光源時，則該激光接收電路通過激光接收管信號端輸出低電平或高電平，其中激光接收管接收到激光和未接收到激光時，激光接收電路輸出的電平信息不同；單片機讀取相應端口信息，獲得高電平或低電平的端口數。
[0014]激光接收管接收到激光和未接收到激光時，激光接收電路輸出的電平信息不同，分為兩種情況:
I激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出高電平信息，否則激光接收電路輸出低電平信息；
II激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出低電平信息，否則激光接收電路輸出高電平信息。
[0015]一種冠層孔隙測量裝置，包括激光發射端、激光接收端和數據處理器，其特征在于:
激光發射端包含若干獨立且等間距的激光發射管，激光接收端包含若干獨立且等間距的激光接收管，且激光發射端中的激光發射管與激光接收端中的激光接收管一一對應；數據處理器包括激光發射電路、激光接收電路、數據處理單元和數據顯示單元；
激光發射管通過激光發射電路發射激光，激光接收管接收到激光發射管發出的激光時，激光接收電路輸出高電平信息，否則激光接收電路輸出低電平信息；或者激光接收管接收到激光發射管發出的激光時，激光接收電路輸出低電平信息，否則激光接收電路輸出高電平信息；激光接收電路的輸出的高電平信息或低電平信息傳輸至數據處理單元。
[0016]前述的一種冠層孔隙測量裝置，所述的激光發射電路中，每一個激光發射管D與一只電阻R串聯，然后并聯，并聯數與激光發射管數相同；并聯后電路由數據處理器中電源供電。
[0017]前述的一種冠層孔隙測量裝置，在所述的激光接收電路中，每一個激光接收管Q設有三條管腳或二條管腳；
對于三條管腳的激光接收管，其管腳分別是電源正極、電極負極與信號輸出端，信號輸出端通過一個電阻與電源正極相連，電源正極與電源負極之間通過一個電容C進行隔離，從每個激光接收管的信號輸出端將信號輸出至數據處理單元；
對于二條管腳的激光接收管，一條管腳通過一個電阻與電源正源相連，并從該管腳處引出信號輸出至數據處理單元，另一條管腳接電源負極；或者一條管腳通過一個電阻與電源負極相連，并從該管腳處引出信號至數據處理單元，另一條管腳接電源正極。
[0018]前述的一種冠層孔隙測量裝置，激光發射管行內距不超過lcm，激光發射端或激光接收端長度不超過lm。
[0019]前述的一種冠層孔隙測量裝置，所述的激光發射管與激光接收管分別設有至少I行。
[0020]本發明的冠層孔隙測量方法及其裝置，在測量時，無需均一的光環境，電源由本發明的測量裝置提供，根據激光接收電路輸出的高電平數和低電平數即可確定作物冠層孔隙大小，測量原理簡單，制作成本低，對天氣條件要求不高。
[0021]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的測量裝置的原理圖；
圖2為本發明的激光發射電路的結構圖；
圖3為本發明的激光接收電路的結構圖。
[0023]
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖具體實施例對本發明作進一步說明。
[0025]本發明提出一種作物冠層孔隙大小測量方法，其測量原理如圖1。
[0026]圖1中包含了激光發射端、激光接收端及數據處理器等主要部分。激光發射端包含了多個獨立且等間距的激光發射管，激光接收端包含了多個獨立且等間距的激光接收管，且激光發射端中的激光發射管與激光接收端中的激光接收管是一一對應的，即一個激光發射管發出的激光正好由一個激光接收管接收。
[0027]數據處理器主要由激光發射電路、激光接收電路、數據處理單元、數據顯示單元等組成。數據處理器還包含工作電源。激光發射電路通過電線給每個激光發射管提供工作電源，激光發射管發出激光。激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出高電平或低電平信息，否則激光接收電路輸出低電平或高電平信息。激光接收電路輸出的高、低電平信息經電線傳輸至數據處理單元，數據處理單元對高、低電平信息進行處理與計算后獲得作物冠層孔隙大小。該數據存儲在數據處理單元中，并通過數據顯示單元顯示。
[0028]當激光發射端與激光接收端之間無作物冠層時，通電后激光發射端所有激光發射管發出激光，激光接收端所有激光接收管無遮擋地接收到激光，激光接收電路全部輸出高電平或低電平信息。當激光發射端與激光接收端之間有作物冠層時，通電后激光發射端所有激光發射管發出激光，而激光接收端只有未受作物冠層遮擋的激光接收管接收到激光，激光接收電路部分輸出高電平或低電平信息。作物冠層孔隙越大，則接收到激光而輸出高電平或低電平信息數就越多，反之，則輸出低電平或高電平的信息數就越少。因此，根據激光接收端激光接收管的高、低電平信息數確定作物冠層孔隙大小。
[0029]激光發射電路如圖2所示，每一個發射管D與一只電阻R串聯，然后并聯接上電源。并聯數與發射管數相同，VCC為電源正極。
[0030]激光接收電路如圖3所示，每一個接收管Q有三條管腳，分別是電源正極、電極負極與信號輸出端。在每一個接收電路中，信號輸出端通過一個電阻與電源正極相連，電源正極與負極之間通過一個電容C進行隔離，并從每個接收管的信號輸出端將信號輸出。每個接收管的輸出信號送至數據處理單元。發射電路與接收電路都通過數據處理單元的工作電源供電。此外，接收管Q可以設有兩條管腳，一條管腳通過一個電阻與電源正源相連，并從該管腳處引出信號輸出至數據處理單元，另一條管腳接電源負極。或者接收管Q的一條管腳通過一個電阻與電源負極相連，并從該管腳處引出信號至數據處理單元，另一條管腳接電源正極。
[0031]激光發射端與激光接收端間距離與激光發射管的發射功率有關，最遠可達幾米，滿足一般農作物或樹木冠層孔隙等結構參數測量的需要。激光發射管行內距不超過lcm，激光發射端或激光接收端長度不超過lm。激光發射管可以是紅外等多種類型的；也可用一般發光二極管與光敏管組成測量對。激光發射管與接收管的行數可以不止I行。
[0032]數據處理單元主要由單片機系統組成，每個激光接收管的輸出信號端與單片機I/O端口相連。當某個激光接收管接收到發射端的光源時，則該接收電路輸出低電平信息。當某個接收管因遮擋沒有接收到光源時，則該接收電路輸出高電平信息。單片機讀取相應端口信號，獲得高電平或低電平的端口數。
[0033]假設激光發射與接收管對數為n，單片機獲得的高電平端口數與低電平端口數分別為nl與n2，則
n=nl+n2
根據n2/n的值，單片機判斷作物冠層孔隙大小或孔隙率，孔隙率越大，孔隙大小越大。
[0034]如果n2/n = 1，表示所有接收管都導通，作物冠層孔隙最大，孔隙率為100% ；
如果n2/n = 0.7，表示有70%的接收管導通，作物冠層孔隙較大，孔隙率為70% ；
如果n2/n = 0.3，表示有30%的接收管導通，作物冠層孔隙較小，孔隙率為30% ；
如果n2/n = 0，表示所有接收管都截止，作物冠層無孔隙，孔隙率為O。
[0035]上述實施例不以任何形式限制本發明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種冠層孔隙測量方法，其特征在于，包括如下步驟: a.激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出高電平信息，否則激光接收電路輸出低電平信息； 或者激光發射電路控制激光發射管發出激光，激光接收管接收到激光時激光接收電路輸出低電平信息，否則激光接收電路輸出高電平信息； b.激光接收電路輸出的高電平或低電平信息傳輸至數據處理單元，數據處理單元對高電平或低電平信息進行處理與計算后獲得作物冠層孔隙大小； c.計算得到的作物冠層孔隙數據存儲在數據處理單元中，并通過數據顯示單元顯示。
2.根據權利要求1所述的一種冠層孔隙測量方法，其特征在于:所述的激光發射電路中，每一個激光發射管D與一只電阻R串聯，然后并聯，并聯數與激光發射管數相同；并聯后電路由數據處理器中電源供電。
3.根據權利要求1所述的一種冠層孔隙測量方法，其特征在于:在所述的激光接收電路中，每一個激光接收管Q設有三條管腳或二條管腳； 對于三條管腳的激光接收管，其管腳分別是電源正極、電極負極與信號輸出端，信號輸出端通過一個電阻與電源正極相連，電源正極與電源負極之間通過一個電容C進行隔離，從每個激光接收管的信號輸出端將信號輸出至數據處理單元； 對于二條管腳的激光接收管，一條管腳通過一個電阻與電源正源相連，并從該管腳處引出信號輸出至數據處理單元，另一條管腳接電源負極；或者一條管腳通過一個電阻與電源負極相連，并從該管腳處引出信號至數據處理單元，另一條管腳接電源正極。
4.根據權利要求1所述的一種冠層孔隙測量方法，其特征在于:所述的激光發射電路與激光接收電路均通過數據處理器的工作電源供電。
5.根據權利要求1所述的一種冠層孔隙測量方法，其特征在于:數據處理單元由單片機組成，每個激光接收管的輸出信號端與單片機I/o端口相連；當某個激光接收管接收到激光發射端的光源時，則該激光接收電路通過激光接收管信號端輸出高電平或低電平；當某個激光接收管因遮擋沒有接收到光源時，則該激光接收電路通過激光接收管信號端輸出低電平或高電平，其中激光接收管接收到激光和未接收到激光時，激光接收電路輸出的電平信息不同；單片機讀取相應端口信息，獲得高電平或低電平的端口數。
6.一種冠層孔隙測量裝置，包括激光發射端、激光接收端和數據處理器，其特征在于: 激光發射端包含若干獨立且等間距的激光發射管，激光接收端包含若干獨立且等間距的激光接收管，且激光發射端中的激光發射管與激光接收端中的激光接收管一一對應； 數據處理器包括激光發射電路、激光接收電路、數據處理單元和數據顯示單元； 激光發射管通過激光發射電路發射激光，激光接收管接收到激光發射管發出的激光時，激光接收電路輸出高電平信息，否則激光接收電路輸出低電平信息；或者激光接收管接收到激光發射管發出的激光時，激光接收電路輸出低電平信息，否則激光接收電路輸出高電平信息；激光接收電路的輸出的高電平信息或低電平信息傳輸至數據處理單元。
7.根據權利要求6所述的一種冠層孔隙測量裝置，其特征在于:所述的激光發射電路中，每一個激光發射管D與一只電阻R串聯，然后并聯，并聯數與激光發射管數相同；并聯后電路由數據處理器中電源供電。
8.根據權利要求6所述的一種冠層孔隙測量裝置，其特征在于:在所述的激光接收電路中，每一個激光接收管Q設有三條管腳或二條管腳； 對于三條管腳的激光接收管，其管腳分別是電源正極、電極負極與信號輸出端，信號輸出端通過一個電阻與電源正極相連，電源正極與電源負極之間通過一個電容C進行隔離，從每個激光接收管的信號輸出端將信號輸出至數據處理單元； 對于二條管腳的激光接收管，一條管腳通過一個電阻與電源正源相連，并從該管腳處引出信號輸出至數據處理單元，另一條管腳接電源負極；或者一條管腳通過一個電阻與電源負極相連，并從該管腳處引出信號至數據處理單元，另一條管腳接電源正極。
9.根據權利要求6所述的一種冠層孔隙測量裝置，其特征在于:激光發射管行內距不超過Icm,激光發射端或激光接收端長度不超過lm。
10.根據權利要求6所述的一種冠層孔隙測量裝置，其特征在于:所述的激光發射管與激光接收管分別設有至少I行。
【文檔編號】G01N15/08GK104180779SQ201410401452
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】薛金林, 封永, 丁啟朔 申請人:南京農業大學