一种基于无人机的防护林带分层叶面积密度测定装置和方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本技术涉及林学与生态学技术领域，尤其涉及一种基于无人机的防护林带分层也面积密度测定装置和方法。背景技术：2.防护林是公益林的一种，主要用于防灾减灾、改善区域环境条件，保护人民生活和生产环境安全。其中农田防护林是最常见的防护林之一，主要以带状形式(林带)布置于农田周围，通过自身类似于栅栏的结构改变农田地区风的行为、降低风速，从而形成有利于农业生产的局域小气候条件、保障作物稳产增产。农田防护林降低风速的功能取决于自身的三维结构特征，定量评估林带结构特征并明确其与林带防风功能之间的关系，是设计、建设与经营高效农田防护林的关键。林带的三维结构特征包括内部特征和外部特征，其中内部特征主要由叶面积密度(lad，定义为某一高度上单位空间内叶面积的总和，单位为m2/m3)及其垂直分布决定。由于林带分层叶面积密度测定困难，常常基于叶面积密度在冠层内均匀分布的假设，以叶面积指数(lai，定义为某单位面积上叶片的面积之和，单位为m2/m2)除以冠层长度得到的平均叶面积密度替代。但林带实际叶面积密度在冠层内并不是均匀分布的，并且是决定林带空气动力学作用过程中的重要结构参数，因此准确测定林带分层叶面积密度是十分必要的。3.目前已有的植被叶面积密度测量方法中，主要由直接测量和间接测量两种方法。直接测量方法一般指，利用可移动塔在不同高度处进行破坏性采集叶片、或完全伐倒抽样的林木并对采集不同高度分层内的叶片进行叶面积测算，然后换算成叶面积密度及其垂直分布的方法。这类方法采用破坏性取样，并且操作繁琐、工作量大，实施起来较为困难。间接测量方法包括使用半球摄影技术、激光传感技术、激光雷达等技术、在植被不同高度处测量。这类方法一般需要通过探杆、伸缩杆、支架塔、升降架等辅助设备，将用于采集激光信号或图像信息的传感器设备抬升至不同的测量高度进行测量。这类方法存在操作复杂、辅助设备成本高且不便携等问题。尤其是对于高度近20～25m的防护林带来说，测量所用的辅助设备需要有更高的伸缩高度和更强的支撑力，势必导致辅助设备的移动不便。另外，由于将传感器深入到冠层内部，测量人员无法实时判断所收集信号和图像的质量，因此会导致冠层内测量环境不适宜时的测量低效率问题。技术实现要素：4.本技术的目的是为了解决现有技术中上述的问题，本技术提供了一种基于无人机的防护林带分层也面积密度测定装置和方法，可以灵活、高效、无损测量林带分层叶面积密度，为农田防护林空气动力学研究提供重要参数、并为农田防护林的科学建设和经营提供依据。5.为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：6.一种基于无人机的防护林带分层叶面积密度测定装置，7.装置包括：无人飞行器、相机云台、运动相机和鱼眼镜头；在无人飞行器的上表面固定连接相机云台，相机云台上固定连接运动相机，鱼眼镜头固定安装在运动相机上，调整相机云台使得鱼眼镜头垂直向上，无线控制装置与无人飞行器的控制系统和运动相机的控制系统无线连接。8.在一些技术方案中，使用二维调节平台替代相机云台，二维调节平台包括：x向调节台和y向调节台；x向调节台包括：x向底座和x向移动板，x向底座设有四个用于连接无人飞行器上表面的通孔，x向底座的两侧分别向上延伸形成有x向支撑板，两个x向支撑板分别向内侧形成有四个x向滑杆，x向移动板通过其两侧形成的共四个x向滑杆孔与四个x向滑杆配合实现悬空滑动；x向滑杆上均套设有x向弹簧，x向弹簧的一端与x向支撑板连接，x向弹簧的另一端与x向移动板连接；一个x向支撑板的外侧壁上设有x向电机，x向电机的输出轴与x向驱动杆连接，x向驱动杆外侧设有外螺纹与x向移动板上设置的x向内螺纹孔配合实现x向移动板的x向左右移动；x向调节台和y向调节台的结构相同，y向调节台的尺寸比x向调节台小，y向调节台的y向底座固定安装在x向移动板上表面。9.在一些技术方案中，鱼眼镜头为鱼眼镜头夹片。10.在一些技术方案中，鱼眼镜头与运动相机通过连接装置固定连接，连接装置包括：转接板和转接板两侧分别向下延伸形成的夹持板；两个夹持板位于运动相机的两侧，夹持板上形成有至少两个螺纹孔，紧固螺钉穿过螺纹孔将连接装置固定在运动相机上，转接板上设有通孔以供运动相机上部壳体穿过，在转接板通孔的外部、转接板的上表面形成有圆环形凸起，圆环形凸起的顶部形成有圆环形强磁体，圆环形凸起的外侧面形成若干锥形凹陷。11.在一些技术方案中，圆柱形壳体的底部形成有用于容置连接装置的圆环形凸起和圆环形强磁体的环形凹槽，在圆柱形壳体内的环形凹槽的外侧均布有若干磁吸固定机构，若干磁吸固定机构数量与若干锥形凹陷数量相同，圆环形强磁体和圆环形凸起完全插入环形凹槽内，圆环形强磁体吸引钢块，钢块贴合在圆环形强磁体上，连接在钢块后面和圆柱形壳体之间的复位弹簧被处于拉伸状态，钢块通过弯曲连杆带动锥形定位块向圆环形凸起运动，旋转鱼眼镜头直至锥形定位块落入锥形凹陷中。12.在一些技术方案中，在转接板的下表面靠近运动相机边缘的位置设置填充带，填充带的材料为可塑性好的高分子合成树脂。13.在一些技术方案中，鱼眼镜头包括：从物面至像面依次设置的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7、第八透镜l8和第九透镜l9，第一透镜l1、第二透镜l2和第九透镜l9为具有负光焦度的弯月透镜，第四透镜l4和第六透镜l6为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜l3、第五透镜l5、第七透镜l7、第八透镜l8为具有正光焦度的双凸透镜，各透镜均为塑料球面透镜，第五透镜l5和第六透镜l6为第一胶合透镜组，第八透镜l8和第九透镜l9为第二胶合透镜组；14.鱼眼镜头还需满足如下条件：15.11《f《11.35，f为鱼眼镜头镜头焦距；-11《f1《-10.5，-8.4《f2《-7.9，-7.6《f4《-7.2，6.0《f8《6.3，-8.2《f9《-8.0，f1、f2、f4、f8、f9分别位第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4、第八透镜l8、第九透镜l9的焦距；24.5≤ttl≤25，ttl为空气中光学总长；全视场角》180°；光圈f＝2.2；以上长度单位均为mm。16.一种基于无人机的防护林带分层叶面积密度测定方法，包括：(1)，确定林冠分层下缘高度，并换算出各分层林冠从下向上各分层的下缘实际高度；(2)，使用测定装置从下向上依次获取上述各高度处鱼眼镜头照片，测定装置从林带冠层顶部飞出林带；(3)基于计算林冠结构信息的专业软件从鱼眼镜头照片中提取对应的叶面积指数值；(4)使用得到的林带各林冠分层的叶面积指数计算分层叶面积密度。17.在一些技术方案中，以分层下缘所在高度为y轴变量、以分层叶面积密度为x轴变量，绘制得到林带的分层叶面积密度随高度分布图。18.本技术具有如下优点：19.(1)本技术使用了无线控制装置与无人飞行器的控制系统和运动相机的控制系统连接实现无线通讯，在无人飞行器的上表面固定摄像装置，可以快速高效获取图像进行分析，且拍摄过程不受无人飞行器影响；20.(2)为了进一步提高测定装置的性能，本技术创造性地提出了可自动调节平衡的防抖动的二维调节平台，x向移动板和y向移动板的悬空设计可以起到很好的防抖的作用，降低整个二维调节平台的刚度，x向弹簧和y向弹簧也可以进一步起到缓冲的作用，吸收振动能量；还可以通过二维调节平台的调节实现测定装置的平衡，从而有效避免由于不平衡而引起的抖动；21.(3)本技术提出的鱼眼镜头与运动相机的连接装置，可以避免使用鱼眼镜头夹片带来的不稳定因素，提供了连接的强度，且方便拆卸；各部件均采用一种对称的形式可以有效避免由于重量分布不均而引起无人飞行器的不平衡；22.(4)鱼眼镜头通过合理设置各透镜的形状和焦距，优化光阑位置，实现可见光波段良好的成像效果，有助于减小图像畸变，且透镜更易加工，成本较低，更加有利于叶片成像。附图说明23.图1所示为本技术的基于无人机的防护林带分层叶面积密度测定装置的结构示意图；24.图2所示为二维调节平台中的x向调节台的侧视图的剖视图；25.图3所示为二维调节平台中的x向调节台的俯视图；26.图4所示为二维调节平台中的x向调节台的另一种侧视图剖视图；27.图5所示为二维调节平台的俯视图；28.图6所示为鱼眼镜头与运动相机的连接装置的侧视图的剖视图；29.图7所示为鱼眼镜头与运动相机的连接装置的结构示意图；30.图8所示为鱼眼镜头的外壳结构示意图；31.图9所示为鱼眼镜头外壳与连接装置连接的磁吸固定机构的放大示意图；32.图10所示为鱼眼镜头的结构示意图；33.图11所示为划分林带分层及采集照片作业示意图；34.图12所示为林带的第1、5、9层高度处采集得到的鱼眼镜头照片以及使用软件处理林带的第1、5、9层高度处采集得到的鱼眼镜头照片示意图；35.图13林带的分层叶面积密度随高度分布图。具体实施方式36.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部。37.本技术在辽宁省沈阳市沈北区农田地区的一条农田防护林带开展，林带为杨树防护林带，长约200m，宽约12m，共有4行，株行距为2.0m×3.5m。38.如图1所示，一种基于无人机的防护林带分层也面积密度测定装置，包括：无人飞行器4、相机云台3、运动相机2和鱼眼镜头1；在无人飞行器4的上表面固定连接相机云台3，相机云台3上固定连接运动相机2，鱼眼镜头1固定安装在运动相机2上，调整相机云台3使得鱼眼镜头1垂直向上，无线控制装置与无人飞行器4的控制系统和运动相机的控制系统连接。39.具体的测定装置的设备信息参见下表：[0040][0041]鱼眼镜头1选用的是鱼眼镜头夹片，无线控制装置可选用手机、pad、pda或笔记本电脑等；使用无线控制装置遥控运动相机2开启拍照模式，使用无线控制装置遥控无人飞行器4从起飞平台起飞；使用无线控制装置控制无人飞行器4，从下向上依次悬停于不同的预定高度处，并通过鱼眼镜头采集照片，直到从林带冠层顶部飞出林带。[0042]使用如图1中所示的相机云台3虽然可以实现运动相机2的灵活调整，但是这样的设计的调整方式很容易引起无人飞行器4的不平衡从而影响图片的采集，因此本技术提出了一种如2-5所示的可自动调节平衡的防抖动的二维调节平台。[0043]二维调节平台包括：x向调节台5和y向调节台；如图2和3所示，x向调节台5包括：x向底座51和x向移动板53，x向底座51设有四个用于连接无人飞行器4上表面的通孔60，x向底座51的两侧分别向上延伸形成有x向支撑板52，两个x向支撑板52分别向内侧形成有四个x向滑杆58，x向移动板53通过其两侧形成的共四个x向滑杆孔57与四个x向滑杆58配合实现悬空滑动；x向滑杆58上均套设有x向弹簧59，x向弹簧59的一端与x向支撑板52连接，x向弹簧59的另一端与x向移动板53连接；一个x向支撑板52的外侧壁上设有x向电机54，x向电机54的输出轴与x向驱动杆55连接，x向驱动杆55外侧设有外螺纹与x向移动板53上设置的x向内螺纹孔56配合实现x向移动板53的x向左右移动。如图5所示，x向调节台5和y向调节台的结构相同，y向调节台的尺寸比x向调节台5小，y向调节台的y向底座固定安装在x向移动板53上表面；运动相机2安装在y向调节台的y向移动板上。x向移动板53和y向移动板的悬空设计可以起到很好的防抖的作用，降低整个二维调节平台的刚度，x向弹簧59和y向弹簧也可以进一步起到缓冲的作用，吸收一部分振动能量，避免无人飞行器4通过二维调节平台将振动传递至运动相机2和鱼眼镜头1。经过有限元分析知道，通过合理选择底座和支撑板的尺寸和比例关系可以很好地起到隔振的作用。同时操作人员或者无线控制装置还可以通过无人飞行器4的飞行姿态分析测定装置是否存在不平衡，如存在不平衡，无线控制装置向二维调节平台的x向电机54和y向电机发送指令调节二维调节平台上设置的运动相机2和鱼眼镜头1的位置，从而实现测定装置的平衡，这样可以有效避免由于不平衡而引起的抖动，从而提高采集图片的质量。图2所示的x向滑杆孔57与x向内螺纹孔56并不位于一个剖面内，图中为了方便示出而将其示于一个剖面内。[0044]如图4所示，其示出的x向调节台5与图2所示的x向调节台5基本相同，不同之处在于x向底座51的下表面设置有梯形凹槽61，凹槽设置可以降低二维调节平台的重量，如有需要还可以在梯形凹槽61内填充吸振材料层。[0045]在上述技术方案中，鱼眼镜头夹片与运动相机2的连接也不稳定，这将影响采集图片的质量，因此，本技术还提出了一种如6-9所示的鱼眼镜头1与运动相机2的连接装置7。[0046]如图6和7所示，连接装置7包括：转接板74和转接板74两侧分别向下延伸形成的夹持板71；两个夹持板71位于运动相机2的两侧，夹持板71上形成有至少两个螺纹孔72，紧固螺钉穿过螺纹孔72将连接装置7固定在运动相机2上，转接板74上设有通孔以供运动相机2上部壳体穿过，在转接板74通孔的外部、转接板74的上表面形成有圆环形凸起75，圆环形凸起75的顶部形成有圆环形强磁体76，圆环形凸起75的外侧面形成若干锥形凹陷77；在运动相机2与连接装置7接触的上表面具有光滑的曲面而不是平面时，可以在转接板74的下表面靠近运动相机2边缘的位置设置填充带73,填充带73的材料为可塑性较好的高分子合成树脂。这样可以提高连接装置7与运动相机2连接的稳定性。[0047]如图8所示为鱼眼镜头的外壳8结构示意图，鱼眼镜头1的外壳8包括：圆柱形壳体81以及形成在壳体81内部的腔体82，腔体82用于容置镜片组(图中镜片仅为示意)，壳体81的下部设有磁吸固定机构用于与连接装置7的圆环形凸起75和圆环形强磁体76配合实现鱼眼镜头1的锁紧固定。图9所示为鱼眼镜头外壳与连接装置连接的磁吸固定机构的放大示意图(对图8左下部的局部放大)，圆柱形壳体81的底部形成有用于容置连接装置7的圆环形凸起75和圆环形强磁体76的环形凹槽83，在圆柱形壳体81内的环形凹槽83的外侧均布有若干磁吸固定机构，若干磁吸固定机构数量与若干锥形凹陷77数量相同，圆环形强磁体76的圆环形凸起75完全插入环形凹槽83内，圆环形强磁体76吸引钢块86，钢块86贴合在圆环形强磁体76上，此时连接在钢块86后面和圆柱形壳体81之间的复位弹簧87被处于拉伸状态，钢块通过弯曲连杆84带动锥形定位块85向圆环形凸起75运动，旋转鱼眼镜头1直至锥形定位块85落入锥形凹陷77中。这样的连接设计可以避免使用鱼眼镜头夹片带来的不稳定因素，提供了连接的强度，且方便拆卸；并且各部件均采用一种对称的形式可以有效避免由于重量分布不均而引起无人飞行器4的不平衡，使得无人飞行器4可以平稳飞行，提高采集图片的质量。[0048]图10所示为鱼眼镜头的结构示意图，高分辨率鱼眼镜头包括：从物面至像面依次设置的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7、第八透镜l8和第九透镜l9，第一透镜l1、第二透镜l2和第九透镜l9为具有负光焦度的弯月透镜，第四透镜l4和第六透镜l6为具有负光焦度的双凹透镜，第三透镜l3、第五透镜l5、第七透镜l7、第八透镜l8为具有正光焦度的双凸透镜，各透镜均为塑料球面透镜，第五透镜l5和第六透镜l6为第一胶合透镜组，第八透镜l8和第九透镜l9为第二胶合透镜组；irf为窄带红外滤光片，位于第九透镜l9的像侧，可滤除杂散光，保证成像质量。[0049]高分辨率鱼眼镜头还需满足如下条件：[0050]11《f《11.35，f为鱼眼镜头镜头焦距；-11《f1《-10.5，-8.4《f2《-7.9，-7.6《f4《-7.2，6.0《f8《6.3，-8.2《f9《-8.0，f1、f2、f4、f8、f9分别位第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4、第八透镜l8、第九透镜l9的焦距；24.5≤ttl≤25，ttl为空气中光学总长；全视场角》180°；光圈f＝2.2；以上长度单位均为mm。[0051]鱼眼镜头还可以包括孔径光阑sto，孔径光阑sto位于第四透镜l4和第五透镜l5之间。[0052]通过合理设置各透镜的形状和焦距，优化光阑位置，实现可见光波段良好的成像效果，有助于减小图像畸变，且透镜更易加工，成本较低，更加有利于叶片成像。[0053]以一具体实施例对鱼眼镜头进行说明，各透镜的光学参数如下表所示。[0054]透镜焦距/mml1-10.82l2-8.03l311.08l4-7.37l54.67l6-10.75l77.66l86.21l9-8.13[0055][0056][0057]表中，表面序号1至8分别对应为第一透镜l1至第四透镜l4上沿物面至像面依次分布的各镜面，表面序号9至16分别对应为第五透镜l5至第九透镜l9上沿物面至像面依次分布的各镜面，且双胶合透镜的胶合面记为同一表面序号，irf为红外滤光片，sto为孔径光阑。[0058]图11为划分林带分层及采集照片作业示意图；基于无人机的防护林带分层叶面积密度测定方法包括：(1)，确定林冠分层下缘高度；测量得到林带的平均树高h＝22.0m，平均枝下高h＝1.8m，得到林冠长度h-h＝20.2m。将林带的林冠在垂直方向上均匀分为10个分层(即n＝1,2,3…,n，n＝10)，则每一层高度为2.02m，为计算方便，取2.0m为单层的高度。[0059][0060]根据式1换算出各分层林冠从下向上各分层的下缘实际高度，结果如下表所示。[0061][0062](2)，使用无线控制装置遥控运动相机2开启拍照模式，使用无线控制装置遥控无人飞行器4从起飞平台起飞；采集鱼眼镜头照片；升至第一个分层的下缘高度l1＝1.8m处悬停(如图2所示)，使用无线控制装置观察运动相机2镜头内的影像质量，在无近距离障碍物且曝光条件合适的情况下，使用无线控制装置遥控运动相机2拍照，获得在这一高度垂直向上的林冠鱼眼镜头照片。使用无线控制装置控制航拍无人机，从下向上依次悬停于3.8m、5.8m、7.8m、9.8m、11.8m、13.8m、15.8m、17.8m、19.8m处，并采集鱼眼镜头照片，直到从林带冠层顶部飞出林带。对林带采集的高质量鱼眼镜头照片如图12中(a)-(c)所示。[0063]图12所示为林带的第1、5、9层高度处采集得到的鱼眼镜头照片以及使用gap light analyzer 2.0软件处理林带的第1、5、9层高度处采集得到的鱼眼镜头照片示意图；(3)提取叶面积指数；使用无线控制装置将运动相机2中存储的鱼眼镜头照片导出为jpg格式并保存至手机内存，再转移至计算机内存。使用计算机预先安装好的基于半球摄影原理计算林冠结构信息的专业软件gap light analyzer 2.0，经过适当参数调整匹配，从鱼眼镜头照片中提取对应的叶面积指数值，过程如图12中(d)-(f)所示。[0064]计算分层叶面积密度。使用得到的林带各林冠分层的叶面积指数，通过[0065]式2计算得到各林冠分层的叶面积密度ladn。林带各林冠分层的如表3所示。[0066][0067]林带各林冠分层的叶面积指数值lai4ring_n和叶面积指数值ladn下表所示。[0068][0069]以分层下缘所在高度为y轴变量、以分层叶面积密度ladn为x轴变量，绘制得到图13林带的分层叶面积密度随高度分布图。[0070]以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应包含在本技术的保护范围之内。









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