[發明專利]一種全天候光環境自適應作物生長檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201910156808.1
• 申請日: 2019-03-01
• 公開（公告）號: CN109932339B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 孫紅;邢子正;張智勇;高德華;劉寧;馬旭穎
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47;H04B10/40
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王慶龍;苗曉靜

1.一種全天候光環境自適應作物生長檢測裝置，其特征在于，包括環境光監測模塊，被動光源接收模塊、光源發射模塊、主動光源接收模塊和主控芯片；

所述被動光源接收模塊用于采集太陽光在作物冠層形成的反射光譜，所述光源發射模塊用于發射光信號，所述主動光源接收模塊用于采集光源發射模塊發射的光信號在作物冠層形成的反射光譜；

所述環境光監測模塊用于實時檢測環境光照強度，并根據預設切換閾值，切換被動光源接收模塊和主動光源接收模塊的工作；

其中，切換閾值的獲取方式為：持續測量作物的NDVI值，然后依次減少環境光照強度，對不同光強下作物的NDVI值進行一階導運算，當一階導運算值出現明顯波動時，將對應的環境光照強度值作為切換閾值；所述主控芯片用于根據主動光源接收模塊和/或被動光源接收模塊采集的數據，實時計算作物的NDVI值；

所述主控芯片包括數據匹配單元，所述數據匹配單元用于獲取主動光源接收模塊和被動光源接收模塊采集的數據，并進行數據匹配；

所述數據匹配具體包括：

以根據被動光源接收模塊采集數據獲得的NDVI值作為標準，改變環境光照強度，使光照強度達到切換閾值，裝置切換至主動光源接收模塊的工作方式下，在不同的光照強度下，對根據主動光源接收模塊采集數據獲取的NDVI值進行均值濾波，與標準NDVI進行差分運算，建立不同光照與差值之間數據補償模型，對主動光源接收模塊測量的NDVI值進行補償。

2.根據權利要求1所述的全天候光環境自適應作物生長檢測裝置，其特征在于，所述裝置還包括無線傳輸模塊，所述主控芯片通過無線傳輸模塊連接上位機，所述主控芯片還用于將計算獲得的作物NDVI值傳輸至上位機。

3.根據權利要求1所述的全天候光環境自適應作物生長檢測裝置，其特征在于，所述主控芯片還包括內置存儲SD卡，所述內置存儲SD卡用于存儲主動光源接收模塊和被動光源接收模塊采集的數據。

4.根據權利要求1所述的全天候光環境自適應作物生長檢測裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括電源管理模塊，所述電源管理模塊包括太陽能充電單元和電池；所述太陽能充電單元連接電池的一端，進行太陽能充電；所述電池的另一端連接主控芯片。

5.一種全天候光環境自適應作物生長檢測方法，其特征在于，包括：

S1，采集太陽光在作物冠層形成的反射光譜；

S2，實時檢測環境光照強度，當環境光照強度達到預設切換閾值時，啟動光源發射模塊發射光信號，并采集光源發射模塊發射的光信號在作物冠層形成的反射光譜；

S3，根據太陽光在作物冠層形成的反射光譜和/或光信號在作物冠層形成的反射光譜，實時計算作物的NDVI值；

在執行步驟S2之前，需要設定啟動光源發射模塊的切換閾值；

其中，設定切換閾值進一步包括：持續測量作物的NDVI值；采用光強度傳感器實時測量環境光照強度，依次減少環境光照強度，對不同光強下作物的NDVI值進行一階導運算，當一階導運算值出現明顯波動時，將對應的環境光照強度值作為切換閾值；

當主動光源與被動光源發生切換時，通過數據補償模型進行數據的匹配校正和數據補償；

其中，數據補償模型為：

式中，NDVI為矯正后的NDVI值，NDVI_b為根據被動光源接收模塊采集數據獲得的NDVI值，NDVI_z為根據主動光源接收模塊采集數據獲取的NDVI值，L為環境光光強，L_y為變換閾值，k,b系數的值由實驗結果給出。

6.根據權利要求5所述的全天候光環境自適應作物生長檢測方法，其特征在于，在步驟S3之后，所述方法還包括：

根據作物的NDVI值，計算作物的葉綠素含量和氮素含量。

7.根據權利要求6所述的全天候光環境自適應作物生長檢測方法，其特征在于，所述根據作物的NDVI值，計算作物的葉綠素含量和氮素含量，具體包括：

作物的葉綠素含量：L＝x·NDVI+y

式中，L是作物葉綠素含量的值，x,y系數的值由實驗結果給出；

作物的氮素含量：N＝x·NDVI+y

式中，N是作物氮素含量的值，x,y系數的值由實驗結果給出。