[發(fā)明專利]作物冠層光譜指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110059665.6
• 申請(qǐng)日: 2011-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN102207452A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李民贊;李修華;張鋒;張彥娥;鄭立華;李樹強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/25
• 分類號(hào): G01N21/25;G08C17/02
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感技術(shù)與光譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種作物冠層光譜指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

植被長(zhǎng)勢(shì)、營(yíng)養(yǎng)等信息能夠反映在光譜反射率上，利用作物冠層葉片的反射光譜可以計(jì)算多種植被指數(shù)，如RVI(Ratio?VegetationIndex，比值植被指數(shù))、NDVI(Normalized?Differential?VegetationIndex，歸一化植被指數(shù))、GVI(Greenness?Vegetation?Index，綠度植被指數(shù)等)，估計(jì)作物冠層葉片的葉綠素含量或氮素含量，進(jìn)而判斷作物長(zhǎng)勢(shì)。

測(cè)量作物的光譜反射率的方法有多種。美國(guó)ASD(AnalyticalSpectral?Devices)公司生產(chǎn)用于測(cè)量地物光譜反射率的系列光譜輻射儀，包括全光譜便攜式光譜分析儀(波長(zhǎng)范圍：350～2500nm)以及手持便攜式光譜分析儀(波長(zhǎng)范圍：300～1100nm)等，這些儀器測(cè)量精度和光譜分辨率都很高，但它們的色散元件都是采用全息反射光柵，使得儀器價(jià)格昂貴，從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等，非常不適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。這些儀器的操作也非常復(fù)雜，以地物光譜儀為例，研究人員需要背負(fù)近10kg的儀器和筆記本電腦在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，要想得到相關(guān)植被指數(shù)，還必須從植被光譜反射率曲線中提取出相關(guān)敏感波段的反射率，最后通過(guò)特定的計(jì)算才能得出。這些造價(jià)昂貴、操作不便、分析方法復(fù)雜等因素大大限制了這些儀器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用。

日本研制的葉綠素計(jì)(SPAD-502)是一款應(yīng)用廣泛的便攜式儀器，用于田間的作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平診斷及指導(dǎo)施肥。它由發(fā)光二極管(light?emitting?diodes)發(fā)射紅光(峰值波長(zhǎng)大約650nm)和近紅外光(峰值大約在940nm)。透過(guò)樣本葉的發(fā)射光到達(dá)接收器，將透射光轉(zhuǎn)換成為相似的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器的放大，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，微處理器利用這些數(shù)字信號(hào)計(jì)算出一種光譜指數(shù)即SPAD值，顯示并自動(dòng)存儲(chǔ)。但這款儀器只能測(cè)量單一葉片，無(wú)法測(cè)量冠層，無(wú)法對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)作綜合評(píng)價(jià)，雖然其屬于便攜式儀器，操作簡(jiǎn)便，但也有無(wú)法對(duì)較大面積農(nóng)田進(jìn)行快速測(cè)量的缺陷，另外，該儀器僅采用了2個(gè)波段，所能檢測(cè)的光譜指數(shù)太少。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：簡(jiǎn)化作物冠層光譜指數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，增加通道數(shù)(波長(zhǎng)數(shù))、提出新的冠層光譜指數(shù)計(jì)算模型，將多個(gè)測(cè)量裝置通過(guò)無(wú)線通信裝置連接形成測(cè)量系統(tǒng)，提高光譜指數(shù)測(cè)量范圍和農(nóng)田適用性，并簡(jiǎn)化測(cè)量方法，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種作物冠層光譜指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括：

測(cè)量子系統(tǒng)，由多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的測(cè)量單元組成，用于采集光學(xué)信號(hào)，測(cè)量該光學(xué)信號(hào)的光強(qiáng)之后進(jìn)行處理，將處理后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制子系統(tǒng)，所述光學(xué)信號(hào)包括作為入射光的太陽(yáng)光以及所述太陽(yáng)光在作物冠層的反射光，所述處理包括放大和采樣處理；

控制子系統(tǒng)，用于接收來(lái)自測(cè)量子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)計(jì)算作物冠層的光譜反射率，再根據(jù)所述光譜反射率和嵌入在控制子系統(tǒng)中的用于計(jì)算作物冠層光譜指數(shù)的模型來(lái)計(jì)算光譜指數(shù)，并且顯示和存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果。

其中，所述測(cè)量子系統(tǒng)的測(cè)量單元和測(cè)量單元之間通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)和指令。

其中，所述測(cè)量單元包括傳感器，傳感器包括上部和下部的共2×N個(gè)光學(xué)通道，N≥4，其中上部的N個(gè)光學(xué)通道用于測(cè)量太陽(yáng)光，下部的N個(gè)光學(xué)通道用于測(cè)量作物冠層反射光，每個(gè)光學(xué)通道包括凸透鏡、濾光片、光電探測(cè)器以及外壁，所述凸透鏡、濾光片和光電探測(cè)器均位于所述外壁內(nèi)。

其中，所述濾光片位于凸透鏡和光電探測(cè)器之間，所述光電探測(cè)器為光電二極管。

其中，測(cè)量太陽(yáng)光的N個(gè)光學(xué)通道的表面還貼有漫射片。

其中，所述控制子系統(tǒng)包括JN5139芯片。

其中，所述傳感器還包括依次連接的信號(hào)放大電路、A/D采樣電路和射頻無(wú)線發(fā)送電路，且所述信號(hào)放大電路與所述光電探測(cè)器連接。

本發(fā)明提供了一種利用所述的系統(tǒng)進(jìn)行作物冠層光譜指數(shù)測(cè)量的方法，包括以下步驟：

S1、利用所述測(cè)量子系統(tǒng)采集光學(xué)信號(hào)，測(cè)量該光學(xué)信號(hào)的光強(qiáng)之后進(jìn)行處理，將處理后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制子系統(tǒng)，所述光學(xué)信號(hào)包括作為入射光的太陽(yáng)光以及所述太陽(yáng)光在作物冠層的反射光，所述處理包括放大和采樣處理；

S2、利用同一波長(zhǎng)通道的反射光光強(qiáng)和太陽(yáng)光光強(qiáng)之比，計(jì)算作物冠層的光譜反射率：

其中，λ＝λ_i，i＝1，......N，N≥4，且為正整數(shù)；