植物叶面积无损测量方法及手持活体叶面积测量仪开发

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1、托普仪器——致力于中国农业仪器的发展植物叶面积无损测量方法及手持活体叶面积测量仪开发摘要：为了快速、无损、准确地测量植物叶面积，浙江托普仪器研制出了手持活体叶面积测量仪。它是一种利用多晶硅光电感应板与平板均匀发光光源照射系统构成的叶面积测量装置。通过试验，建立了植物叶片叶面积与光源光强、光源对叶片透射率、环境温度、光电感应板的光电感应电压值间的BP神经网络关系。结果表明：该仪器可测量不同形状、厚度、软硬程度、叶片大小的植物叶片面积，模型预测值与实际值决定系数R2为O．98，测量精度为94．8％，为叶片叶面积测量提供了一种

2、新的测量方法和装置。关键词：神经网络，无线网络，植物叶面积，无损检测，手持活体叶面积测量仪0引言植物叶面积是衡量作物群体结构的重要指标之一，是植物生长状态诊断及其生长预测模型中重要的参数之一，也是实际管理的重要依据【l引。叶面积也是影响植物光合作用的一个重要因素，与植物氮含量也存在一定的相关性。马新明等【4】提出了叶面积与变量施氮间的关系，建立了相应的模型并得到较好的验证。另外，叶面积是体现作物生长发育和生理生态的重要指标，也是研究作物栽培、遗传育种等必需参考的因素【5】。因此，手持活体叶面积测量仪快速准确地测量植物叶面

3、积能够有效地提高研究效率。随着科技的发展，植物叶面积测量由最初的坐标纸法、系数法、复印称重法、器测法、估计法等【6】传统手段到利用计算机技术检测叶面积，测量精度和可靠性有了较大的提高。利用计算机检测目前主要有计算机图像检测和光谱扫描等方法【7{】，S．Malone、左欣等分别提出了一种基于图像处理的叶面积测量方法【9．101。该方法测量叶面积精度高，且无破坏性。但是图像的获取操作比较复杂，每一次拍摄图片均须要在等距离检测位置处获取叶片图像。操作困难，测量可靠性差且成本较高。马泽清【ll】等提出了利用C12110冠层分析仪

4、、鱼眼镜头数码照片影像分析方法测量叶片面积，该方法克服了普通成像图像处理测量法存在的弊端，但成本高，操作过程复杂，推广比较困难。冯冬霞【12】研究了一种高精度便携式光电扫描式叶面积仪，在测量精度方面有较大的提高，但外界因素对精度影响较大。因此，开发一台便携式的使用简单、性能可靠、测量精度高、成本低的手持活体叶面积测量仪具有重要意义。本文提出了一种新的测量方案，并开发了相应的测量仪器。利用双晶硅光电感应板和平面发光板构成检测系统，采用标准计算法和仪器实际所测得的各项参数建立BP神经网络模型，通过模型运算得出被测叶片面积。1

5、仪器整体设计1．1仪器检测原理与结构设计公司自产产品主要有土壤仪器类、农业气象仪器类、植保仪器类、农药残留仪器类、果品品质仪器类、植物生理仪器类、种子仪器类、培养箱仪器类、作物品质仪器类、农业物联网等百余种，拥有国内强大的农业仪器产品群。托普仪器——致力于中国农业仪器的发展手持活体叶面积测量仪检测原理如图l所示，实物图如图2所示。仪器感光板尺寸为245mmX350toni，均匀发光板与多晶硅光电传感器相对。多晶硅光电感应板在光源照射下产生一定的感应电压，当夹入植物叶片时，叶片将部分照射光线遮挡，光电感应板的感应电压也随之

6、变化，利用挡光程度与光电感应电压值的大小关系计算被测叶面积大小。但由于光源针对不同种类、不同厚度、不同颜色的植物叶片透光率不同，且多晶硅光电感应板的光电效应与温度也存在一定关系[13-14】，因此，要利用上述原理准确测量植物叶片面积，必须考虑到光源对叶片的透射率与测量时多晶硅光电感应板的温度系数。为了克服上述因素的影响，将光电传感器5作为光源光强传感器，实时检测平板光源的发光光强蜀；光电传感器4作为透光率传感器置于多晶硅光电感应板正中心位置，用于检测仪器对被测叶片的透光率局。温度传感器3置于多晶硅光电传感板上，检测得温度

7、系数为为，光电感应板所测得的电压AD转换值为五，将上述参数通过传感器检测后作为变量置于模型中，通过建立人工神经网络模型克服各因素对测量结果的干预。公司自产产品主要有土壤仪器类、农业气象仪器类、植保仪器类、农药残留仪器类、果品品质仪器类、植物生理仪器类、种子仪器类、培养箱仪器类、作物品质仪器类、农业物联网等百余种，拥有国内强大的农业仪器产品群。托普仪器——致力于中国农业仪器的发展手持活体叶面积测量仪1．2仪器硬件电路设计根据叶面积测量原理，采用ARMCortexM3内核的STM32F103ZET6芯片为仪器核心，光电感应板

8、电压信号、温度传感器信号、光源对叶片透光率传感器信号、光源光强信号通过8路电子选通开关进行选择性采样，经16位AD转换芯片AD7705将相应传感器信号进行AD转换，各路采集信号通过BP网络运算后将测量结果显示在LCD显示屏上。并将测量结果保存到FLASH存储器中，可通过USB接口与PC机通讯并进行数据读取，也可将测量