农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验.pdf

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1、第28卷第2期1602012年1月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．28NO．2Jan．2012农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验屈永华，王锦地，董健，姜富斌(北京师范大学／中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，环境遥感与数字城市北京市重点实验室，北京100875)摘要：农作物冠层的结构参数，如叶面积指数与平均叶倾角，是影响太阳辐射在农田内进行重新分配的重要参数。在农业工程中，以玉米与小麦为例，这些参数的测量以传统的手持仪器为主，需要消耗较大的人力和时间，难以被应用于大区域尺度、长时间序列结构参数获取。该文设计并实现了一种基于无线传感器网络技术的农

2、作物结构参数自动测量系统。系统由冠层上、下部光强测量节点、数据汇聚节点以及数据无线传输的路由节点组成，通过测量不同太阳高度角下冠层透过率来求解冠层的结构参数。数值模拟结果与野外实测结果表明，该文所』【}j的结构参数反演算法稳定，测量系统可以较好的探测一天之中不同太阳高度角卜^的植被冠层太阳辐射透过率，基于方向透过率计算得到的叶面积指数与LAl2000仪器测量结果有较好的相关性，平均叶倾角和理论分布模式计算结果基本一致。该系统可以应用于对大区域尺度卜的农作物长时间序列连续观测，提高农作物结构参数测量的自动化程度。关键词：农作物，结构参数，测量，无线传感器网络，冠层doi：10．3969／j．is

3、sn．1002—6819．2012．02．028中图分类号：430文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一02—0160—06屈永华，王锦地，董健，等．农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验[J]．农业工程学报，2012，28(2)：160～165．QuYonghua，WangJindi，DongJian，eta1．Designandexperimentofcropstructuralparametersautomaticmeasurementsystem[J]．TransactionsoftheCSAE，2012，28(2)：160一165．(inChinesewithEn

4、glishabstrac00引言农作物通过截获太阳辐射获得光能进行光合作用，而农作物冠层结构参数，如叶面积指数(1eafareaindex，LAI)与平均叶倾角，是影响太阳辐射在冠层内进行最新分配的重要因素。因此，获取农作物结构参数信息是研究农作物生长发育状态及其蓄积生物量的一个重要途径。叶面积指数的获取方法有直接量测法和问接量测法【l】，其中直接法包括破坏性测量法和手工原位量测以及落叶法。间接测量大多摹于光学原理，通过获取植被冠层截获的光能量的多少来推断LAI取值，如通过测量入射光在冠层中的衰减量估算LAI【Ⅻ。而目前常用的植被冠层分析仪，即是属于一种间接测量方法，它们是通过测量植被冠层内的

5、方向间隙率，根据间隙率与叶面积指数和叶倾角分布的关系来估计结构参数。目前能够对植被结构参数间接测量的商业化仪器有2种类型，一种是通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层透过率，如TRAC，SunScan和Demon[孓¨，一种是利用半球成像技术来获取视场内的植被与背景信息，通过分类的方法统计各自的象素数来计算冠层内的方向间隙率，如LAl2000冠层分析仪和通常的鱼眼相机方法【4’8】。而冠层平均叶倾收稿15期：2011-06．23修订H期：2011-08—11项目资助：国家863计划项目f2009AAl22101)作者简介：屈永华(1972一)，男，博士，研究方向为定量遥感。北京北京师范大学地

6、理学与遥感科学学院。100875bEmail：qyh@bnu．edu．ca角的测量方法目前还是以手工测量为主。虽然问接测量仪器的出现在一定程度上提高了植被结构参数的状取效率，然而，当利用当前传统测量仪器面向大区域、长时间序列产植被结构参数获取心用时，仍然是通过设计一定的采样方案，选择合适的时问，依靠人工到野外进行逐点测量。靠人工采样获取植被结构参数的方法从根本上制约了这类仪器难以在大空问尺度上进行长时间序列的连续观测。正如在目前的农业及生态观测网络中，虽然人们一致认为叶面积指数为一个重要的地表参数，然而只有很少站点常规观测能提供较小空间范罔内、若干离散时间点．卜的叶面积指数数据【9011，而能

7、够提供连续时间序列平均叶倾角观测数据的站点则很少有报道。相对于传统的手持测量设备，基于无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)技术的数据自动测量与采集系统的应用征越来越受到人们的关注。WSN是一种新型的信息获取和处理技术，它具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，充分利用无线传感器网络的技术特点，可以很好地实现近距离对农作物生长状况的持续观测【12】。本文将传统的农作