植物叶面积无损测量方法及手持活体叶面积测量仪开发

1、 植物叶面积无损测量方法及植物叶面积仪的开发1、 植物叶面积仪简介概述：为了快速、无损、准确地测量植物叶面积，浙江托普云农科技股份有限公司研制出了植物叶面积仪。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O98，测量精度为948，为叶片叶面积测量提供了一种新的测量方法和装置。二、植物叶面积仪的功能特点：植物叶面积仪的测量功能：1、可以即时测量叶

2、片的面积、周长、长度、宽度、长宽比、形状因子。2、可根据测量对象调整光的颜色，可测新鲜绿叶、枯叶或其他颜色叶面。3、无需校准。4、虫洞不影响测量结果。设置功能：设置显示项，可以任意选定和显示各测量项目。数据查看：可翻阅仪器内存中的历史测量数据。计算功能：上位机可计算叶面积的累加值、平均值。时间功能：仪器内部自带时间、日期功能；可随测量数据保存测量时间。传输功能：迷你USB接口进行数据传输；USB采用免安装驱动程序。系统信息查看：电池电压低压自动报警、仪器固件版本等信息。供电功能：可充电锂电池，工作时间长，易维护，安全可靠，电源管理。便携功能：整机高度一体化，操作简单；适合室内和野外使用。存储功

3、能：内置大容量数据储存器，最多可存5000组测量数据。 植物叶面积仪上位机软件功能：1、可将存储记录的数据已EXCEL格式备份保存，用以查看分析。2、数据报表、图形报表均可选择时段进行查询查看，并可通过计算机打印。3、图形可进行放大、缩小操作，并可进行平均值计算，也可导成BMP格式进行保存。三、植物叶面积仪的技术参数：传感器：定制接触式图像传感器 最大测量厚度：3mm 植物叶面积仪传感器参数：测量单位：毫米，平方毫米最大测量长度：2000mm最大有效测量宽度：213mm扫描速度：150mm/s面积测量精度：小于±2%面积分辨率：0.1mm²长度分辨率：1mm宽度分辨率：0.

4、1mm植物叶面积仪主机参数：显示器：122×32点阵，2行，中英文界面显示数据存储：5000组测量数据接口：USB2.0电源：3.74AH可充电锂离子电池电量：一次充电可扫描500次以上四、植物叶面积仪不同型号的区别：型号功能区别YMJ-A无计算机接口，可在主机上存储数据并查看YMJ-B有计算机接口，除了在主机上存储数据外，还可以将数据传输到计算机，软件可打印，转成EXCEL格式五、使用植物叶面积仪的注意事项： 植物叶面积仪是一款使用方便、快速测量和储存叶片面积的便携式仪器。大屏幕液晶显示，触摸操作，人性化设计、使用简单、测量精确度极高，可对植物叶片及其它片状物体进行面积测量，而且能

5、单张叶片测量，也能多张叶片同时测量，大大提高了工作效率。能广泛应用于农业林业科研院所及农林高校及其他农林气象等企事业单位。但在使用植物叶面积仪过程中必须要注意以下几个方面：1、 仪器的使用必须配置sd卡，sd卡出厂的时候插在仪器左侧面的卡槽里，sd卡用户如有丢失，可自行更换新的，不同的卡对仪器使用不影响，但必须要有sd卡，否则开机就一直处于欢迎界面而无法进入到功能界面，不能正常使用仪器。2、 叶片的测量，只要能扫描出阴影的，都会计入到面积，比如叶柄，如果测量的时候不能算入叶柄的面积，则放置叶片前一定要先把叶柄摘除。3、 叶片测量的时候一定要把盖子盖上，否则影响扫描。4、 叶片要干净，以免弄脏仪

6、器影响到仪器的性能。5、如叶片带有泥土和水滴弄脏了仪器的玻璃面和盖板缓冲垫，要及时清除干净。六、植物叶面积仪的测量方法：1、 仪器开机：按开机按钮开机，为了确保测量精度，开机后必须预热3分钟。预热完毕后请按屏幕提示要求进行校准。当需要精确测量，可在开机预热40分钟后使用。2、 仪器的校准：仪器校准功能是测量过程中随温度升高，电压下降等参数变化时确保测量精度的一种自动校准方法，仪器在使用前必须进行校准；校准方法如下：先按“”键进行校准选择界面，按该键后将弹出选择操作栏目。按“”键进行校准，按“测试”取消出校准；在确定校准前，必须保证仪器测试台面干净，不能放置任何样品。满量程校准后提示在10秒内放

7、入样品时候，将绿色校准片放入仪器正中间位置。注意：校准片范围才是有效测量范围；校准功能应用于开机校准，也可在测量结果不理想后进行校准。自动校准速度快，不影响用户的检测速度。3、 测量：校准后，按“测量”键开始测量，所测得的结果直接在屏幕上显示。注意：1、被测样品必须放置于测量平板的正中心位置处；注意：2、如要对同一样品重复测量，根据仪器测量原理，请不要直接多次按“测量”键。该方法测得的结果不能作为真实测试结果。如须要重复测量，请每测量一次的间隙中打开测量仪的上盖2-5秒再盖上发光板，按“测量”键即可执行多次重复测量结果。否则测量结果。4、 数据保存：每一次测量结果系统均自动保存。如须长期保存则

8、按“保存”键将数据保存在仪器FLASH存储器中，按“查看”键可以进行历史记录的查看。5、 数据查看：按“查看”键后，系统进入数据查看界面。按：“”键进行上翻页查看，按“”键进行下翻页查看操作。如须退出查看功能，按“测试”键退出查看。7、 植物叶面积仪器整体设计：11 植物叶面积仪仪器检测原理与结构设计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245 mmX 350 toni，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变化，利用挡光程度与光电感应电压值的大小

9、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

10、型克服各因素对测量结果的干预。12植物叶面积仪仪器硬件电路设计根据叶面积测量原理，采用ARM CortexM3内核的STM32F103ZET6芯片为仪器核心，光电感应板电压信号、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，也可将测量结果通过无线模块发送给PC机。具体硬件结构框图如图3所示。13植物叶面积仪仪器软件设计本文研制的叶面积测量仪系统软

11、件以模块化程序设计思想编程，通过系统结构主程序调用方式实现测量和数据处理等操作。主要分为以下几个模块：AD数据采模块；无线数据传输模块；模型运算处理模块；人机交互模块；FLASH存储器读写模块，通过系统主程序流程进行管理调控，主程序流程图如图4所示。仪器开机预热后进入待测状态。用户按键选择各项操作，仪器进入测量程序后，用户可执行多次测量并取平均值。通过选择其它按键可分别执行数据查看、USB与PC机接口通信、无线数据发送等操作。2植物叶面积仪测量模型的建立21植物叶面积仪试验方法本文采用12节中提出的原理方案进行试验，具体方案为：采集桑树叶、枫叶、香樟树叶、葫芦藓叶片各50片，共200片叶片。其

12、中160个样本用于训练BP网络，40个样本用于模型预测。利用浙江托普仪器生产的YMJ-D型的手持活体叶面积测量仪测量样本面积Ys并记录。将制备好的样本置于仪器测量位置处，通过AD转换获取每个样本的透光率参数和感光电压参数、测量温度数据并记录，并建立这些数据量之间的映射表。通过改变测量环境的温度，重复上述实验，并记录相关数据，建立数据映射表。22植物叶面积仪模型建立人工神经网络技术15-171是以生物神经网络原理为基础，模拟人脑行为的一种并行信息处理方法。本文根据实际须求选用BP网络。BP网络结构如图5所示，它由输入层、隐含层和输出层组成。采用具有一定阈值特性的可连续微分的Sigmoid函数作为

13、神经元的激发函数分析测量本仪器测量叶面积指数的各种影响因素，分别把X1、X2、X3作为输入神经元，Y作为输出神经元。从现有射表中提取160组数据作为训练样本，并分别进行训练，获得各自的连接权值和阈值。存储连接权系数，构成模型知识库，并将知识库移植到仪器系统软件中。31 BP神经网络模型的处理结果在BP网络中，其中输入神经元为4个，1个输出神经元，将数据经过标准化处理后，Sigmoid参数选取09，取4个隐含神经元，训练1 000次，得到结果如表l的映射关系，由于篇幅限制，本文选取典型的10个样本列于表1。其拟合残差值000034。从表1可以看出，BP神经网络训练后的拟合值与实际测量值准确率为9

14、71，符合仪器的检测精度。32 BP网络运算模型的预测能力把40个预测样本在仪器检测后的各参数输入BP神经网络进行运算，得到如图6所示的预测结果。在图6中，预测值与实际值的决定系数达到098，达到测量仪器模犁预测要求。这说明：建立的BP神经网络运算模型具有较好的数据处理与预测效果，可以将模型移植到MCU中。33基于BP神经网络算法的仪器测量性能将BP神经网络模型移植到仪器系统软件中后，选取30个厚薄程度、检测温度均不相同的环境进行仪器测量试验，将测量值与浙江托普仪器生产的YMJ-D型的手持活体叶面积测量仪(测量精度为04 cm2)测量值相比，得到如图7所示的测量值相关性。此外，针对叶面积测量的

15、测量环境因素不一，本文设计了仪器的满量程自动校准和标准样本校准方法。测量不同大小的叶片面积时选用不同大小的校正样本，此外，仪器还具有多次测量后取平均值的功能。可将误差尽可能减小，能有效克服不同工作环境和叶片种类造成的各种测量误差。仪器在具有抗干扰能力的同时，也能将各种测量结果保存到FLASH存储器内，记录完整的测量结果，并可通过无线或USB口或串口发送数据，将已测信息发送给PC机。34植物叶面积仪仪器的精度将20个校验叶片裁剪成不同大小的正方形或长方形样本，用游标卡尺测量样本面积。然后利用本文开发的叶面积仪器进行对比试验，实验结果如表2所示。因篇幅所限，本文列出部分样本的实际值与仪器测量值之间

16、的关系。得出如式(2)所示的测量精度§=948。35植物叶面积仪结果与讨论通过建立BP神经网络模型测量植物叶片面积不仅可以建立难于数学描述的F线性系统关系，而且可通过大量样本训练消除仪器自身传感器等方面造成的系统误差，是一种较好仪器数据处理方法。由于仪器无移动部件并利用光电感应方式测量，因此，本仪器具有无损检测、使用方便等特点。本文开发的手持活体叶面积测量仪仪器与美国的CIDCI-203高精度叶面积仪相比，本文仪器可测量任何形状、卷曲程度、软硬度的叶片面积，而CIDCI20则只适合测量叶面平整、叶面较硬的叶片。且本文仪器的成本仅为CIDCI203仪器价格的十分之一，具有明显经济性。4、 植物叶面积仪结论采用均匀发光板与多晶硅光电感应板测量植物叶面积的方法简单可行，利用BP人工神经网模型检测方法有效地克服了各光源强度、植物叶片厚度、颜色、测量仪器温度变化对测量精度的影响。本文仪器的测量值与实际值决定系数达到098，具有较好的重复性，为植物叶面积测量提供了