[發明專利]一種基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器及方法

有效

• 申請號: 201210320141.2
• 申請日: 2012-09-03
• 公開（公告）號: CN102841059A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 聶鵬程;李曉麗;何勇;吳迪
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于植物營養檢測領域，尤其涉及一種基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器及方法。

背景技術

植物葉片生理指標的無損檢測主要是指對葉綠素、氮素、水分等的測定，它可以用于實時檢測植物的生長發育與健康狀態，分析水分和肥力狀況，通過檢測，不僅可以精確調節肥料和水的供給情況，實現精確施肥，節省資源，減少環境污染，而且可以科學指導栽培工作，以便能夠保障栽培植物健康生長和良好發育，提高作物產量。

目前葉片無損檢測的方法有圖像法和光譜法。圖像主要是依靠機器視覺方法獲得的植物葉片某些靜態或者動態的圖像特征，而這些圖像特征與植物葉片的生理特征(如植被指數、吸水率等)有著密切的關系，通過建立兩者之間的關系，對植物生長狀況進行檢測。這種方法需要很復雜的硬件系統，不能做到方便攜帶，最主要的是可檢測的參數比較少，模型的精度比較低，因此目前應用得不是很廣泛。

利用植物冠層光譜信息進行營養含量的測定是目前應用較多的一種光譜檢測方法。植物冠層光譜特征是植物光譜特性與背景土壤光譜特性的綜合，隨著植物冠層的發育，土壤光譜特性的作用逐漸下降，而在植物衰老時，土壤背景的作用又逐漸增大。一般葉面積指數(LAI)達到3左右時，冠層在可見光和中紅外波段的光譜反射率基本穩定，而在近紅外波段，LAI達到5～6時光譜反射率才能飽和。由于植物營養狀況能影響到葉面積、冠層形態、內在生理特征，而且不同營養元素的影響程度也不一，因此，利用冠層光譜分析可以診斷植物營養狀況。

目前，氮素營養對冠層光譜特性影響的研究最為系統和深入。隨著氮素營養水平的提高，光譜反射率在可見光和中紅外波段降低，而在近紅外波段卻增加。不同氮素營養水平下的冠層光譜反射率存在著明顯差異，經植被指數轉換后差異更為顯著和穩定，利用冠層光譜測試可以區分作物的氮素營養水平。

植物冠層信息光譜檢測儀是一種基于植物冠層光譜信息對植物營養含量進行測定的儀器，測定時以太陽光作為光源。由于一天之中，太陽所處位置不同，太陽入射角也隨之不斷變化。現有植物冠層信息光譜檢測儀中，探頭位置固定不變，太陽入射角的變化會導致探頭采集到的太陽光反射信號強弱不同，進而影響氮素和葉綠素等營養素含量的檢測結果。當太陽入射角為零時，測量誤差最小；當太陽入射角大于零時，測量誤差變大，太陽入射角越大，測量誤差越大。

發明內容

本發明提供了一種基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀，解決了植物冠層信息光譜檢測儀測量誤差大的問題。

一種基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，包括探頭和數據處理單元，設有太陽入射角度檢測裝置，所述探頭和太陽入射角度檢測裝置的信號輸出端均接入數據處理單元。

所述基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器的工作原理為：通過太陽入射角度檢測裝置獲取太陽入射角度；利用植物冠層信息光譜檢測儀中的原有檢測模型獲取植物氮素和葉綠素含量的檢測值；所述檢測值在數據處理單元中經太陽入射角度修正后，得到修正后的檢測值作為輸出。基于太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器可消除太陽入射角對檢測數據的影響，從而提高檢測數據的準確性。

所述太陽入射角度檢測裝置優選為呈圓形點陣分布的若干個光學傳感器；其測量太陽入射角的原理具體如下：

呈圓形點陣分布的光學傳感器，可感應不同入射角時的太陽光光強；圓形點陣中，太陽光照射到的光學傳感器獲得的感應光強較強，而其余部位的光學傳感器(處于陰影區)獲得的感應光強較弱。

當太陽入射角不同時，點陣中接受太陽光照射的部位不同；太陽入射角越小，點陣光學傳感器的感應光強越大，反之則相反；當太陽入射角為0°時，點陣光學傳感器的感應光強最大。所述點陣光學傳感器是指點陣中所有的光學傳感器，下同。

點陣光學傳感器的感應光強，只與太陽光的入射角有關，而與入射方向無關；對于不同的太陽入射方向，雖然點陣中接受光照的部位不同，但只要太陽入射角度相同，則點陣光學傳感器的感應光強是相同的。因此，根據點陣光學傳感器的感應光強，可獲得太陽入射角度。

所述探頭具有底面帶光路通道的殼體，所述光學傳感器安裝在探頭的頂面；探頭可用于發射并采集光信號，光學傳感器安裝在探頭的頂面便于太陽入射角度的獲取。所述探頭與數據處理單元通過數據線連接，所述數據線在探頭上的數據接口位于探頭側壁，以避免對頂面的干涉和遮擋。

為了更為精確的測得太陽入射角，所述光電傳感器陣列的單元個數20～100個。

為了保護點陣光學傳感器免受外界環境的影響，所述光學傳感器上方罩有透光板；透光板將光學傳感器密封。