叶面积测定仪测量柑橘叶的间接方法.docx

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叶面积测定仪测量柑橘叶的间接方法

叶面积测定仪测量柑橘叶的间接方法

针对间接方法测叶面积指数（leafareaindex，LAI）一般不考虑单一孤立果树冠层、叶片相互重叠因素及图像处理速度低的缺点，通过正交试验确定单一孤立柑橘LAI测量的主要影响因素为重叠叶片数（α＜0.05），建立等间隙模型解决有间隙的重叠的影响问题，托普仪器厂家的YMJ-A型叶面积测定仪采用三维行走机构实现自动采集，应用LabVIEW平台开发一个基于红外透射的柑橘LAI自动测量系统。

系统硬件由控制模块与行走机构、信号调理模块、数据采集卡和PC机组成，其标定LAI相对误差绝对值平均为11.11%。

YMJ-A型叶面积测定仪在行走机构按照S形路线，自动进行扫描、定位采集的方式下，系统对华南农业大学工程学院柑橘园45棵橘树测量，以直接法和采样法计算的LAI值作为真实值，相对误差绝对值的平均为31.4%；参照对比的WinSCANOPYPro植物冠层分析系统专业版测量值与真实值比较，相对误差绝对值的平均为29.8%。

两系统误差接近，表明本系统可满足柑橘LAI测量试验要求。

引言

叶面积指数（leafareaindex，LAI）是生态系统的一个重要结构参数。

传统的直接测量LAI对植物本身具有一定破坏性，且人工采集样品耗时耗力。

间接方法以光学模型为主，近年来，出现了一系列基于光学模型方法的检测冠层LAI的新仪器，如澳大利亚CSIRO的DEMON，英国Delta-T的SunScan，美国Licor的LAI-2000、LI-191和CID的CI-100/110DigitalPlantCanopyImager、加拿大WinSCANOPY鱼眼相机冠层分析仪等。

因为国际上还没有一个统一的试验检验标准，同时各种仪器有各自的理论模型、分析分法和应用条件[1-5]。

光学模型分为可见光光学模型和图像处理2种，前者通过穿透到植冠内的辐射比尔定律（thelawofBeer）等公式，得到作物群体内辐射衰减公式，进而推导出LAI，优点是比较简易方便，缺点主要是不考虑相互重叠因素，导致误差大；后者相对全面准确，但是图像分割技术具有局限且其图像处理速度低[6-16]。

两者的测量对象都是以均匀分布的农林作物为主[17-20]。

光谱技术因为对被测对象无损害而且检测快速等特点在农作物信息采集中得到广泛应用，而利用近红外光谱可以较好穿透叶片的特性，分析重叠因素的影响，快速推导植物冠层LAI[21-26]。

目前对单一、孤立冠层的果树LAI测量研究较少，不考虑叶片重叠因素，并且没有实现自动化检测[27]。

本论文创新的构建了一个结合近红外光谱技术和虚拟仪器技术，可对单一果树分辨有间隙重叠叶片的LAI自动检测系统。

在直射近红外光光源照射下，根据重叠叶片多光谱透射试验结果，进行正交试验确定主要影响因素，建立等间隙模型，采用三维自动行走机构，对果树LAI进行快速自动检测，进而确立冠层叶密度与叶生物量及总生物量的关系，从而为果园精确喷雾提供果园冠层生物量状态信息，为果树精确喷雾机械的研究提供依据。

1柑橘LAI自动测量系统的构建

1.1系统原理

叶面积测定仪YMJ-A型-浙江托普仪器有限公司

测量参数：

叶面积、平均叶面积、叶长、叶宽、长宽比

测量单位：

毫米，平方毫米

原理：

照射，通过安装行走机构实现自动采集，利用光电传感器检测叶片透射光的能量，传感器输出电压信号，经数据采集卡采集至计算机，再用LabVIEW软件编程，将电压信号显示并判断重叠叶片层数。

将叶片层数乘以传感器的接收面积即为该检测位置各层叶片面积，将整个检测过程中的叶片面积累加即为各层叶片的总面积，进而求出LAI。

采集橘树东南西北4个方向的LAI平均值作为最后的LAI测量值可以反映出橘树LAI的整体情况。

1.2系统硬件

系统硬件包括测试信息采集（近红外光源、光电传感器、信号调理模块）、运动控制（电机、电机驱动器、导轨、U型架）和虚拟仪器核心（个人计算机PC、数据采集卡等）3大部分，如图1所示。

1）信号采集部分

检测元件选用808nm红外光源以及PD34B红外硅光电池传感器，传感器感应波长范围为730～1100nm。

采用有源二阶低通滤波电路对传感器的输入信号进行滤波处理，其截止频率为fp=300Hz，每10倍频程衰减-40dB。

检测元件输出的光电流在mA级以下，通过低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器OP07集成的前置放大电路，将电流转换成电压，再通过运放主放大电路将前置放大器输出的信号放大，以配合数据采集卡的输入电压范围。

注：

A为虚拟仪器核心部分，B为运动控制部分，C为信息采集部分。

图1系统结构框图

2）运动控制部分

通过传感器的质量、部位尺寸和导轨驱动结构，在确认停止精度、分辨率、位置保持等参数后，计算出电动机驱动轴上的负载转矩及负载惯性惯量等参数，然后选择电机种类和型号，并相应选择电机驱动器和联轴器。

步进电机主要包括X、Y和Z轴导轨电机。

其中X轴导轨电机即大电机采用日本东方电机生产的5相步进电机UPH596-B，配合使用的驱

动器为UDX5112；Y轴电机即中电机采用东方电机生产的5相步进电机PH566-A，与主导轨电机使用同一驱动器；Z轴导轨电机即小电机采用日本东方电机生产的5相步进电机PK566-NAC。

Z轴导轨调节确保光源距第一片叶片的距离小于5cm，X、Y轴导轨调节用于实现行走机构自动行走S型扫描路线，实现对测试对象橘树自动化测量，如图2所示。

首先在Z轴上调节U型架的高度以适合采集橘树叶片的LAI，然后系统在每个方向按照S型路线自动行走：

在X轴方向以一定频率向前行走M步，在Y轴方向以一定频率行走N步，之后在X轴方向以固定频率向回行走M步，S形状循环前进，每走一步采集一个传感器面积叶片的LAI值，在X轴行走K步后，在柑橘树一个方向的测量结束，然后测量其它另外3个方向的LAI值。

图2信息采集路线图

通过数据采集卡输出数字信号来控制步进电机启动/停止、正/反转，输出脉冲信号控制电机转速。

电机转动通过弹性联轴器带动导轨丝杆的转动实现丝杆上滑块的三维运动，带动U型架测量LAI。

3）虚拟仪器核心部分

PC机的CPU为AMD2500+（32位），主频为1.4GHz，内存2G。

数据采集卡为美国国家仪器公司（简称NI）的USB6229卡：

32路模拟输入，16位，250kSa/s采样速率；4路模拟输出，16位，833kSa/s；48路数字I/O和2个32位计数器。

1.3系统软件

1）软件设计整体结构

系统软件基于LabVIEW2010平台，完成对传感器电压信号采集、处理、分析和数据保存及显示等工作，主程序流程图见图3所示。

图3主程序流程图

2）操作界面

主操作控制界面分为显示和设置2个区：

显示区包括拟合叶片数投影面积、光斑面积、总叶面积、阴影率、重叠率、LAI和日期时间、变化趋势显示等；设置区包括行走轨迹设定区域（包括轨迹来回步数设置和循环次数设置）、光源与传感器的有效距离、电机区（用于设定大中电机的运行频率、顺序、单步运行距离等参数）和停止区，主操作界面见图4所示。

图4操作界面

2系统标定试验设计与结果分析

2.1系统正交试验设计

为了确定光源与传感器距离、叶片重叠数和叶片间隙对系统采集的电压信号的影响，设计了3因素3水平正交试验。

1）试验材料

光源为近红外激光器，功率200mW、波长808±5nm；盘栽柑橘；近红外传感器；5V直流稳压电源为红外激光器供电，12V直流稳压电源为传感器芯片供电；有排针的面包板，作为柑橘叶片固定装置；具有50cm可调节宽度的U型架，用于固定光源和传感器，其中有效量程为22cm，由试验表明，超过22cm传感器就不能有效吸收光源的能量，可在操作界面设置光源与传感器的有效距离。

试验现场如图5所示。

图5室内试验现场

2）确定试验因素水平

根据预备试验结果，选择了光源与传感器距离、叶片重叠数和叶片间隙3个因素，每个因素取3个水平，正交试验水平因素设计如表1所示。

表1正交试验设计与结果

3）试验步骤

①调整传感器与光源的位置，使激光器光束垂直照射在传感器敏感元件上，显示电压值为10V（可调），光源与传感器之间的距离为37cm等设定数值；

②将柑橘叶片平张，置于光源下方3cm处，记录传感器对应的电压值；

③根据表1重复步骤②。

4）正交试验结果的方差分析

在SPSS软件里建立测量电压平均值与光源距传感器距离、叶片重叠叶片数和叶片间隙的多因素方差分析，结果如表2所示：

重叠叶片数B影响显著（α=Sig.＜0.05）；叶片间隔C影响次之，不显著（α=Sig＞0.05）；光源与传感器距离A影响最小，不显著（α=Sig＞0.05）。

光源与传感器的距离A、叶片重叠叶片数B和叶片间隙C对电压信号采集的影响作用从大到小排序为B、C、A。

表2正交试验主体间效应的检验

2.2等间隙叶片模型的建立

在实际果树中，叶片之间存在不均匀的间隔，使得透射辐射衰减规律发生显著变化，为了研究叶片间隔对透射辐射量的影响，在正交试验的基础上建立等间隙叶片模型试验。

1）事先测出室内日光灯对测量电压的影响

建模前研究了室内日光灯对系统采集电压信号的影响。

保持光源与传感器的距离22cm不变，依次放进叶片，记录日光灯开关情况下的电压值。

结果表明，日光灯对系统测量影响的平均电压值为0.17V，以此为基础对光源影响进行排除。

2）试验步骤

①使激光器光束垂直照在传感器敏感元件上，显示电压值为10V，光源与传感器之间的距离为22cm；

②将柑橘叶片平张，置于光源下方3cm处，记录传感器对应的电压值，如表3所示；

③依次将2～5片柑橘叶子间隙为3mm重叠，重复步骤②；

④依次改变柑橘叶子间隙为6、9、12、15、18和21mm，重复步骤③。

表3等间隙模型试验数据表

3）结果分析

用SPSS软件依次对表3等间隙的试验数据建立测量电压平均值与叶片重叠数目的散点图及回归模型，结果发现，幂函数模型Y=K·e-AX的拟合效果较好，相关系数R均大于0.998（α＜0.05），方程系数的显著性水平α＜0.05，方程显著。

建立回归模型后，采用相似法取指数回归模型的拟合方程参数的平均值作为最终的电压值与重叠叶片层数的拟合方程

式中，Y为主控制面板采集的电压值的平均值，V；X为重叠叶片数。

对由测量值Y反演求得的X的非整数值，进行四舍五入取整处理，具体如下：

当X=0时，表明当前重叠叶片层数为0，此时计光电传感器面积为光斑面积S0，并记录测试点个数n，光斑总面积S光=测试点个数n×光斑面积S0；

当X＞0时，表明当前有叶片重叠，此时计光电传感器面积为投影面积S0，并记录相应的重叠叶片层数N和测试点个数n，投影总面积S投=测试点个数n×投影面积S0，总叶面积S总=测试点个数n×重叠叶片层数N×投影面积S0，测试面积S测=投影总面积S投+光斑总面积S光，投影率γ=投影总面积S投/测试面积S测,重叠率η=投影面积S投/总叶面积S总，叶面积指数Lr=投影率γ×重叠率η。

①误差分析

在保证第一个叶片与光源的距离小于5cm基础上，依次放入不同间距的叶片，通过等间隙模型中的最终电压值与重叠叶片层数的拟合方程反演求得的拟合叶片数与实际叶片数的误差分析如表4所示，其中系统自身的标定误差指理想情况下建立间隙模型和进行标定试验后标定LAI值产生的误差。

表4等间隙模型误差分析

数据结果表明：

系统测量绝对误差的绝对值平均为0.19，相对误差的绝对值平均为11.1%。

实际叶片为1无重叠时最大相对误差是100%，实际叶片大于1表明有重叠时最大相对误差是33.33%。

正交试验分析知，电压平均值的主要影响因素是重叠叶片数B，而叶片间隙C影响不显著，由此建立的等间距模型可以作为测量非等间隙的模型，满足测量要求。

②叶片倾斜因素试验

考虑到叶片倾斜状态（叶倾角）的影响，进行叶片倾斜试验：

在等间隙模型的基础上将叶片按30°、45°和60°依次放入面包板上的排插。

系统采集

电压值Y运用公式

（2）反演求得的X的非整数值，进行四舍五入取整求得拟合叶片数，实际叶片数直接观察读取。

试验结果表明：

叶片倾斜角度对系统测量的叶片数有影响，并且随倾斜角度增大而增大，但误差计算表明影响值不会超过一片叶子，同时随着叶片数的增多，倾斜角度的对叶片数测量的影响越小，达到4片叶子后叶片数测量和实际叶片数的绝对误差为0。

系统在测量叶片数超过3片的时候可以完全忽略叶片倾斜角度的影响，对于小于4片叶片数的要加修正系数，修正系数α=（小于4片叶片实际叶片数的平均值Vn0）/（小于4片叶片拟合叶片数的平均值Vn）=0.818，拟合叶片数与实际叶片数的绝对误差绝对值的平均为0.33，如表5所示。

表5叶片倾斜试验数据表

3系统应用与误差分析

3.1试验设计

通过对华南农业大学柑橘园的45棵橘树采样求LAI。

采集橘树东南西北4个方向的LAI的平均数作为最后的LAI测量值可以反映出橘树LAI的整体情况，提高测量LAI的精确度。

测量东南西北四个方向的LAI，分别记为L1、L2、L3和L4，求得橘树LAI的平均测量值Lr=（L1+L2+L3+L4）/4。

1）按照S形状循环，共行走100步，每行走1步后，系统自动采集信号20个点的平均值后判断求出并记录保存相应的投影面积S0、重叠叶片层数N、测试点个数n、投影总面积S投、总叶面积S总、测试面积S、投影率γ、重叠率η和叶面积指数Lr。

2）对其他3个方向进行重复操作步骤1）。

3.2误差分析

应用误差是指实际测量果树的LAI测量值与真实值的误差。

采用直接测量法计算的LAI即L作为真实LAI：

首先，计算橘树的占地面积即投影面积Sd。

标准A4纸水平放在橘树底下用于参比，再用吊锤描绘垂直于地面的果树轮廓，数码相机拍照纸上描绘的轮廓，通过Photoshop软件处理，Matlab计算橘树投影轮廓面积；其次，计算总叶面积SN。

用采样法采样，每棵树采东南西北4个方向的上中下各层的3片叶子作为采样对象，通过图像处理计算得平均叶面积Sv，再乘以每棵树的总叶片数N，求得总叶面积SN=Sv×N（对其中3棵树全部采摘进行了验证，误差在试验允许范围）。

进而根据公式L=SN/Sd求得真实值LAI。

LAI测量值Lr与真实值L的误差分析如表6所示，结果表明相对误差的绝对值的平均为31.4%。

用加拿大WinSCANOPYPro植物冠层分析系统专业版，（18M像素，180°鱼眼镜头，带指北装置和遥控器，8G内存）对上述果树在2011年10-12月及2012年2月月初进行了4次测量，作为参照对比。

WinSCANOPY植物冠层分析系统基于鱼眼影像技术进行测量，鱼眼能够产生非常大的视角（接近或等于180°），能够清晰地采集冠层顶部的影像，以及到周围冠层侧方一定范围内的形态结构特征，通过专业配套计算机图像软件处理可获取LAI等冠层参数[28]。

冠层分析仪取柑橘树东、南、西、北方向的测量值的平均值作为LAI的测量值Lp，阈限水平设置为50%，天顶角分区为5，方位角分区为3[29-31]，与真实值L比较，Lp相对误差绝对值的平均为29.8%。

结果表明，本系统与WinSCANOPY植物冠层分析系统结果接近，相对误差均接近30%。

产生误差的原因分析如下：

1）叶厚、叶片间隔的差异导致近红外光的透过率有所不同，等间隙模型拟合的方程存在一定误差；2）传感器接收面并非一个点，而是一个正方面，叶片投影没有完全遮挡接受面，该接受面的输出并非完全线性输出，导致反演重叠叶片层数有误差；3）行走机构上的U型架按照S形路线自动行走过程碰到树枝树叶，造成抖动和偏移；4）系统标定选择有效量程为22cm，不足以采集所有橘树的4个方向的LAI；5）等间隙模型建立在第一片叶子距光源3cm内的，需要自动判断距离。

表6LAI测量值Lr与真实值L的误差

4结论与讨论

本研究通过正交试验确定柑橘LAI测量的主要影响因素为重叠叶片数（α＜0.05），建立等间隙模型解决有间隙的重叠的影响问题，采用三维行走机构实现自动采集，应用LabVIEW平台开发一个基于红外透射的LAI自动测量系统。

结果表明：

1）系统自身标定行走机构相对误差绝对值的平均为11.11%。

2）系统按照S形路线，自动进行扫描、定位采集的方式下，应用华南农业大学工程学院柑橘园45棵橘树测量，以直接法和采样法计算的LAI值作为准确值，相对误差绝对值的平均为31.40%。

3）参照对比的WinSCANOPYPro植物冠层分析系统专业版测量值与真实值比较，相对误差绝对值的平均为29.8%。

本系统与WinSCANOPYPro植物冠层分析系统结果接近，表明本系统可满足橘树LAI试验要求。

根据误差原因分析，以下方面仍需要继续改进：

1）有间隙的重叠叶片大于5片后，近红外光投射量下降得不明显，另外，系统标定选择有效量程为20cm需要增大，因此考虑采用输出功率更大的近红外激光器进一步试验。

2）自动采样不能保证第一片叶子均小于3cm，需要增加果树距离进行反馈，自动调整光源到叶片的距离。

3）行走机构U型架遇到树枝树叶造成抖动和偏移导致的误差，需要优化采样轨迹和采样算法。

4）对传感器接收面进行均匀性分析，然后通过软件进行线性拟合校正。