1. 简介
叶面积指数无线传感器网络(以下简称LAINet)是一种分布式的叶面积指数观测设备。LAINet由冠层上、冠层下和汇聚节点组成。通过部署在冠层下的多个冠层下测量植被冠层透过辐射强度,通过冠层上节点测量太阳下行辐射强度,通过汇聚节点将观测数据无线传输到远程服务器系统。
LAINet原始测量数据是冠层上、下节点的辐射强度,通过LAINet后台处理算法计算得到每个样方的叶面积指数。
2. LAINet提供的数据
处理后的逐日与7天滑动平均的叶面积指数。
3. 叶面积指数无线传感器网络观测数据处理流程
Ÿ LAINet节点原始观测到的光照数据(Level0):仪器自动获取的每个节点逐日逐小时的光照数据。
Ÿ Level0数据由仪器自动采集,自动保存到服务器数据库中,数据库表的名称为Light_table,字段结构如表1所示。
表 1 原始光照数据(Level0)表字段含义
字段名称中文含义Coll_ID记录IDLightNode_ID节点IDColl_Time采集时间(年月日时分秒)LX_Chi第X(1-9)个光照传感器的第i(1-2)个通道数据Vbat电压值*10Seq数据序列号
Ÿ LAINet计算得到的一级数据(Level1):利用LAINet软件(算法附后),逐节点计算每天LAI。计算结果自动保存到数据库中,数据库表名为LAIResult,字段结构如表2所示。
表 2 LAINet一级数据(Level1)表结构
字段名称中文含义idID号,无意义nodeRegion节点所在的试验区(例如Zhangye,Ejin)coll_date采集日期doy日期对应的DOYnodeID节点IdmeanLAI9个光照传感器LAI均值stdLAI9个光照传感器LAI标准差chXLAI第X(1-9)个传感器LAI计算值.共有9个这样字段
Ÿ LAINet后处理数据(Level2):首先对无效值识别与填充,然后进行7天滑动平均以消除天气变化对LAI计算的影响
将Level1 数据从数据库中导出,另存为excel文件,调用LAINet的后处理程序,将Level1中无效的数据去除(例如标记为-999为反演失败的或者没有配套的冠层上与冠层下观测数据),基于滑动平均算法,对逐日的LAI进行滑动平均,用于消除每日观测的噪声。
文件命名为:
XXXXLAIResultAll_smoothed.xls,其中XXXX为试验区的名称,如中游为zhangye,下游为ejin。
每个excel表格是由多个sheet组成,每个sheet按照节点ID进行命名,即每个节点的计算结果保存为一个sheet。在每个sheet中,总共有两列,分别对应是DOY和平滑后的LAI。
Ÿ LAINet分区聚合数据(Level3):对有多个LAINet节点的观测子区,节点的均值为该子区的最终观测值。
每个sheet按照子区进行命名,即每个子区的计算结果保存为一个sheet。在每个sheet中,总共有4列,其中前两列,分别对应是DOY和平滑后的LAI;第三列对应手工观测值,第四列为LAI观测值,用于对LAINet值进行验证。
4. 数据质量检验
图 1 黑河中游三个子区三种观测方法(破坏性采样得到的真值-Ground Truth、LAI-2000与LAINet)的观测值时间序列。
通过对时间序列上三种测量方法的比较图 1,可以发现:
· LAINet观测值具有稳定的时间序列特征,没有出现明显的异常跳动现象
· 在3个子区,在DOY=191天之前,LAINet观测值持续增大,在191天有个局部极值点,随后有降低后又持续增大的现象
· 与地面真值比较,LAINet值没有明显的系统偏差,但子区1的LAINet值更接近真值
· 与LAI-2200C比较,LAINet的时序稳定性要优于LAI-2200C
将同时有LAINet,LAI-2200C和破坏性采样的数据进行点对点比较,可以分析基于仪器测量方法的偏差情况图 2。
图 2 与地面真值比较,LAINet与LAI-2000C两种测量方法的偏差柱状图
可以发现,与地面真值比较,大多数的LAINet的测量误差小于LAI-2200C测量误差。 它们的最大误差分别是1.15和1.10;最小误差分别是:0.09和0.36。
图 3 LAINet与LAI-2000C所有测量点的平均偏差
通过对所有点的偏差进行平均,得到两种仪器的综合观测偏差图 3,可以发现LAINet比LAI-2000C有更好的观测精度。
参考文献:
1. Qu, Y.H., Zhu, Y.Q., Han, W.C., Wang, J.D., Ma, M.G. Crop Leaf Area Index Observations With a Wireless Sensor Network and Its Potential for Validating Remote Sensing Products. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2014, 7, 431-444.
2. 屈永华, 王锦地, 董健, 姜富斌. 农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验. 农业工程学报 2012, 28, 160-165.
附录:LAINet算法简述
LAINet核心算法由以下步骤组成,详细算法请参考发表的论文(屈永华 等,2012):
1. 读取节点经纬度坐标和数据获取时间,计算太阳高度角;
2. 读取冠层下节点读数和冠层上节点读数,计算冠层透过率;
3. 结合高度角信息,得到p(h),其中p为透过率,h为太阳高度角;
4. 多个时间的观测数据,即p(h)i构成一个多角度观测序列;
5. 通过解算多角度透过率模型,得到冠层叶面积指数。
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