DRTC01全自動葉面積指數(shù)觀測儀

（1）概述

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

（2）系統(tǒng)組成

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

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

?           魚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)及以內(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；采用成像區(qū)域中各像素點的藍色分量值對成像區(qū)域圖像進行灰度化，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表示該像素點灰度化后的灰度值，B表示該像素點的藍色分量；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個灰度值和波谷處之后K個灰度值所涵蓋的所有像素點的平均灰度值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波峰，求取該波峰灰度值到灰度值值所涵蓋的所有像素點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)計算模塊用于根據(jù)去噪后的成像區(qū)域二值化圖像計算葉面積指數(shù)；采集節(jié)點用于將前端節(jié)點發(fā)送的葉面積指數(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點； 匯聚節(jié)點將接收的葉面積指數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機；上位機在接收到葉面積指數(shù)后，將其存入數(shù)據(jù)庫中，并提供查詢接口供工作人員查詢。

（3）技術(shù)指標
測量參數(shù)：植被冠層葉面積指數(shù)
波段范圍：傳感器中心波長：492nm；半高波寬：9-12nm
測量模式：全自動測量，每小時將自動輸出一組數(shù)據(jù)
聯(lián)網(wǎng)方式：觀測節(jié)點（圓形）無線網(wǎng)絡(luò)頻率為433MHz無線通訊；匯聚節(jié)點支持433MHz無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS無線網(wǎng)絡(luò)；
配置有在線校準驗證三維掃描激光雷達，具體技術(shù)指標：點云數(shù)據(jù)速率為300000 點/秒；距離誤差：＜2厘米；激光人眼安全級別：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1個，冠層下節(jié)點5個，匯聚節(jié)點1個，三維掃描激光雷達1套，防護機箱1個，太陽能供電系統(tǒng)1套，支架1套。
配件：標配電纜長度10米，其他電纜長度可定制。

（4）葉面積指數(shù)的計算方法

葉面積指數(shù)計算模塊中葉面積指數(shù)的計算方法為：

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)計其中黑白像素的數(shù)量，計算冠層孔隙度：

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下背景的像素個數(shù)，Nl (θ)表示在視角θ下葉片的像素個數(shù)，θ＝57 .5 °；

計算葉面積指數(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行相互作用的一個重要器官，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。

對于葉面積指數(shù)的測量方法，可分為直接測量和間接測量。直接測量的方式是直接針對葉片的表面積進行測量，測量結(jié)果的可靠性可以保障，但是測量的時間代價和成本代價往往較高。間接測量與直接測量不同，間接測量并不直接關(guān)注葉片本身的面積長寬數(shù)據(jù)，而是通過測量與葉片相關(guān)的其他參數(shù)來推斷出葉片的面積。

間接測量目前有5種方法，分別是點接觸法、消光系數(shù)法、經(jīng)驗公式法、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量法如CI-100和輻射測量法如LAI2000。但傳統(tǒng)間接測量方式對某些危險環(huán)境或者需要持續(xù)檢測的情況卻不太適用。

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

為實現(xiàn)上述目的，本系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葉面積指數(shù)測量系統(tǒng)包括前端節(jié)點、采集節(jié)點、匯聚節(jié)點和上位機，其中：

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

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

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

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

通過采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)研究區(qū)域的葉面積指數(shù)自動獲取，解決使用者每次去實地使用冠層分析儀獲取葉面積指數(shù)的不便，通過對冠層圖像處理算法的改進。

可以進一步解決通過遙感圖像法反演葉面積指數(shù)時獲取圖像成本高的問題；

通過采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)多組數(shù)據(jù)同時獲取，解決了人工測量僅能在同一時刻獲取一組數(shù)據(jù)的問題；本系統(tǒng)通過提取57 .5度環(huán)得到成像區(qū)域，然后采用藍色分量進行成像區(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)的問題；

在前端節(jié)點直接計算葉面積指數(shù)再通過采集節(jié)點上傳，有效解決了傳統(tǒng)方法中采用一個器件拍攝圖像后直接處理圖像的方法對設(shè)備要求高，所需裝置昂貴的問題，同時相較于需要上傳圖像然后在PC機上處理計算葉面積指數(shù)的方法而言具有更高的效率。

前端節(jié)點用于拍攝冠層圖像，并根據(jù)冠層圖像計算得到葉面積指數(shù)，發(fā)送給采集節(jié)點。圖2是本實施例中前端節(jié)點的具體實施方式結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，本實施例中，前端節(jié)點包括魚眼攝像頭模塊，冠層圖像處理模塊和葉面積指數(shù)計算模塊。魚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，拍攝時應(yīng)避免太陽光直射進入鏡頭，魚眼攝像頭采用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)計算模塊。

冠層圖像處理算法是前端節(jié)點1中的重要部分，其性能是前端節(jié)點的關(guān)鍵，本實施例中設(shè)計了一種運行效率更高的算法，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)及以內(nèi)的圖像作為成像區(qū)域，即將獲取的冠層圖像分割為18個同心圓，從外向內(nèi)數(shù)第7個圓環(huán)及以內(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。

采用成像區(qū)域中各像素點的藍色分量值對成像區(qū)域圖像進行灰度化，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表示該像素點灰度化后的灰度值，B表示該像素點的藍色分量。

本系統(tǒng)中，之所以采用藍色分量進行灰度化，是因為葉子的吸收光譜在藍色波段吸光能力較強，藍光通過葉片后光強有較大的損失，可以增加照片對比度，有利于準確講照片中的葉子和天空分割開來，從而提高測量精度。

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個灰度值和波谷處之后K個灰度值所涵蓋的所有像素點的平均灰度值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，由于魚眼攝像頭白平衡等原因，會自動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，則該二值化閾值達到一定程度后無法繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致大量葉子錯誤分割為天空。因此本系統(tǒng)引入閾值 以解決此問題，閾值 的具體大小是根據(jù)實驗得到的經(jīng)驗值。

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

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)計其中黑白像素的數(shù)量，計算冠層孔隙度：

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下背景的像素個數(shù)，Nl (θ)表示在視角θ下葉片的像素個數(shù)，本系統(tǒng)中θ＝57 .5°。

計算葉面積指數(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)計算模塊采用STM32F407芯片實現(xiàn)，STM32F407是由ST(意法半導(dǎo)體)開發(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，可以使前端節(jié)點1更易實現(xiàn)小型化，運行更有效率，方便野外部署。

采集節(jié)點：

采集節(jié)點2用于將前端節(jié)點1發(fā)送的葉面積指數(shù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點3。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一種基于傳感器、以Ad-Hoc方式組成多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，其能夠?qū)υ趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息進行實時的、協(xié)作的感知、收集和處理，且能夠?qū)⑻幚磉^的信息傳遞給觀察者。在某些可能對監(jiān)控人員構(gòu)成直接威脅的情況下，使用無線傳感器網(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)、長時間反饋檢測目標的情況，容易因人為因素產(chǎn)生結(jié)果誤差，使用無線傳感器設(shè)備進行無人監(jiān)控可以有效避免上述問題。因此本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的葉面積指數(shù)間接測量方式與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用無線方式對計算的葉面積指數(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，利用無線設(shè)備可以快速搭建網(wǎng)絡(luò)，耗時短、成本低、覆蓋范圍廣，當不需要監(jiān)控時可以回收設(shè)備并繼續(xù)使用，節(jié)點位置也可以靈活變動的優(yōu)點，可以有效解決傳統(tǒng)間接測量方式帶來的諸多問題。

圖1

圖2