冠层分析仪--叶面积指数(LAI)自动测量仪器汇总

冠层分析仪叶面积指数（LAI）自动测量仪器1.LAISmartLAISmart系统充分利用当前成熟的智能终端设备的成像与高性能计算功能，实现植被叶面积指数实时计算；并且提供操作与数据处理选择，方便根据实际情况进行测量设置。LAISmart由硬件和软件组成，其中硬件包括信息采集智能终端、用户操作控制台与仪器支架；软件包括信息采集软件模块、无线传输控制模块以及实时计算存储模块。LAISmart具有数据实时计算功能，用户可以即时看到数据处理结果，同时，LAISmart支持数据无线传输，在有手机网络信号的情况下，数据可以根据用户的设置，远程传输到远端服务器，在保证测量数据安全的情况下，提供了数据实时共享的可能性。2.LAI-Net植物联网观测矩阵——LAINet是由多个Zigbee无线传感器网络节点组成，通过在研究区部署多个观测节点，形成一种密集的观测矩阵，能够实现长时间序列的大范围内的叶面积指数自动测量。出发点传统的植被冠层分析系统均是依靠人工手持式的进入观测场地进行测量，这种传统的方式比较适合小范围内的较低时间频次的测量。当需要进行大的空间范围、较高的时间频次的观测的时候，传统的方式需要消耗大量的人力和物力，且未必能够获取到满足要求的地面观测数据。例如，在对遥感卫星获取的地面植被叶面积指数验证的时候，为了获取与卫星对应的空间范围与时间范围的数据，传统的依靠单点的观测方法，会显得力不从心。系统组成利用当前应用较为广泛的无线传感器网络（物联网）技术，开发的一种植被联网观测矩阵，简称LAINet。LAINet是由部署在植被研究区的一系列无线传感器节点组成，各个节点一方面能够实现独立的观测，另一方面又可以通过ZigBee网络自动组网，因此，在整个研究区域之内，形成一个自组网的植被冠层观测矩阵，网络的部署结构如图所示。LAINet由三类传感器节点组成，分别为：（1）冠层上节点，用来接收太阳的下行总辐射；（2）冠层下节点，用来接收植被冠层的透过辐射；（3）数据汇聚节点，用来接收并无线发射上述两类节点的测量数据。LAINet的测量原理植被（以森林为例）在太阳的照射下，会在地面形成阴影，根据阴影在视场内的比例可以推算植被间隙率。而在一天之内，由于太阳运动造成太阳入射光线的方向变化，地面投影的比例会随着太阳角度的变化而不同，即可以获取多个角度的冠层间隙率。不同太阳角度下的冠层阴影（上：相机在冠层上部看到图像，相机高度29米；下：相机在冠层下部看到图像，其中黑色部分为树干，相机高度4.5米。）适用的植被类型（农作物、森林、草地）3.LAIPhotoLAIPhoto是一种基于无线摄像技术的植被生长状况实时监测网络系统。LAIPhoto系统由多个监测节点与数据无线传输模块组成。能够实时获取不同生长条件下的植被图像，利用数据自动处理程序，可以提取植被覆盖度、叶面积指数、植被物候期等多种地表植被参数。针对当前叶面积指数（LAI）测量仪器主要适用于均匀植被类型的缺陷，我们开发了基于无线成像模式的叶面积指数自动测量仪器，即LAIPhoto。LAIPhoto适用于植被生长初期，植被冠层较低、空间分布非常稀疏的情况。当前国内外植被冠层叶面积指数测量仪器均是利用植被冠层对太阳光的投射特性来估计叶面积指数的，在植被稀少的情况下，仪器在冠层下部很难扑捉到准确的冠层透过率，因此，这种情况下，利用冠层透射原理来测量叶面积指数便得非常困难。但是，在植被稀疏的情况下，冠层在太阳直射光照射下，会投下非常明显的阴影，而冠层的阴影面积比与冠层叶面积指数之间具有直接的关系。因此，LAIPhoto是一种适合植被冠层非常稀疏的情况下的叶面积指数测量仪器。LAIPhoto由部署在野外的无线成像传感器以及无线图像采集与传输系统组成。LAIPhoto部署图通过植被图像精细分类算法，系统能够自动提取不同光照条件下的植被冠层阴影在图像中所占的比例，根据植被阴影比例随太阳天顶角变化规律，自动计算植被叶面积指数。LAISmart系统能够根据用户的需求，将测量数据自动远程传输到用户服务器（计算机）上，一方面保证了用户数据的安全，另一方面减轻了用户野外收集数据的成本。LAIPhoto在计算得到LAI的同时，可以计算植被冠层覆盖度（FVC），并可以进一步分析得到植被物候期信息。4.VINetVINet是由三通道反射率传感器以植被指数（VegetationIndex）植被指数主要反映植被在不同波段反射与土壤背景之间差异的指标，植被指数能用来定量说明植被的生长状况。VINet有两个特点，一是能同时测量3个波段反射率，分别是蓝色波段（B），红色波段（R），近红外波段（N）。VINet的另外一个特点是，VI数据采集基于无线传感器网络，用户可以远程实现对数据实时采集，无需到现场手工采集数据。根据以上3个波段反射率，VINet能够计算得到如下植被指数：（1）归一化植被指数。NDVI=（N-R)/(N+R)。NDVI是众所周知的一种植被指数，检测植被生长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等；-1=NDVI=1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。NDVI能反映出植物冠层的背景影响，如土壤、潮湿地面、学、枯叶、粗超度等，且与植被覆盖有关；（2）比值植被指数：RVI=R/N。RVI也是众所周知的一种植被指数，是绿色植物的灵敏指示参数，与LAI、叶干生物量(DM)、叶绿素含量相关性高，可用于检测和估算植物生物量。（3）差值植被指数：DVI=NIR-R（4）红绿比值指数（RedGreenRatioIndex——RG）：RG应用于植物生长周期（物候）研究，冠层胁迫性检测和作物估产。及数据自动采集无线传输模块组成。能够实时计算多种植被指数，实现对植被生长状况的长期自动监测。