[發(fā)明專利]一種全天候光環(huán)境自適應(yīng)作物生長(zhǎng)檢測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910156808.1
• 申請(qǐng)日: 2019-03-01
• 公開（公告）號(hào): CN109932339B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫紅;邢子正;張智勇;高德華;劉寧;馬旭穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/47
• 分類號(hào): G01N21/47;H04B10/40
• 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: 王慶龍;苗曉靜

本發(fā)明實(shí)施例提供一種全天候光環(huán)境自適應(yīng)作物生長(zhǎng)檢測(cè)裝置及方法，該裝置包括環(huán)境光監(jiān)測(cè)模塊，被動(dòng)光源接收模塊、光源發(fā)射模塊、主動(dòng)光源接收模塊，主控芯片和電源管理模塊。該方法通過(guò)被動(dòng)光源接收模塊采集太陽(yáng)光在作物冠層形成的反射光譜。在光照強(qiáng)度較弱且達(dá)到切換閾值時(shí)，啟動(dòng)光源發(fā)射模塊發(fā)射光信號(hào)，并通過(guò)主動(dòng)光源接收模塊采集光源發(fā)射模塊發(fā)射的光信號(hào)在作物冠層形成的反射光譜。根據(jù)太陽(yáng)光在作物冠層形成的反射光譜和/或光信號(hào)在作物冠層形成的反射光譜，實(shí)時(shí)計(jì)算作物的NDVI值。本發(fā)明結(jié)合使用被動(dòng)光源和主動(dòng)光源測(cè)量作物的NDVI值，避免了傳統(tǒng)作物生長(zhǎng)檢測(cè)設(shè)備測(cè)量值易受環(huán)境干擾的缺陷，提高了作物生長(zhǎng)檢測(cè)裝置的可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明實(shí)施例涉及導(dǎo)線接線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全天候光環(huán)境自適應(yīng)作物生長(zhǎng)檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，就需要精準(zhǔn)掌握作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物情形。葉綠素是作物合成有機(jī)物的重要器官，因此，葉綠素又被稱為作物生長(zhǎng)的指示劑，通過(guò)檢測(cè)作物葉片的葉綠素含量可以診斷作物的生長(zhǎng)狀態(tài)。

目前的葉綠素化學(xué)分析方法所需時(shí)間長(zhǎng)，不利于快速檢測(cè)。研究表明，作物冠層的光譜反射率與葉綠素含量有著密切的關(guān)系，因而可以通過(guò)光譜分析的方法對(duì)植物葉綠素含量進(jìn)行快速、無(wú)損的檢測(cè)。光譜分析技術(shù)的應(yīng)用可以減少傳統(tǒng)人工的測(cè)量葉綠素時(shí)間，提高檢測(cè)的效率。光譜分析技術(shù)具有無(wú)損、快速和低成本的特點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，光譜分析技術(shù)通過(guò)獲取作物冠層的光譜信息，尋找作物的敏感波段，利用作物的反射光譜等特性進(jìn)行作物長(zhǎng)勢(shì)、營(yíng)養(yǎng)的監(jiān)測(cè)，為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供支撐。

本領(lǐng)域內(nèi)已有的產(chǎn)品分為被動(dòng)光源式光譜學(xué)探測(cè)設(shè)備和基于主動(dòng)光源的作物光譜學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

一、被動(dòng)光源式光譜學(xué)探測(cè)設(shè)備有：

(1)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的作物營(yíng)養(yǎng)智能檢測(cè)儀可以采集550、650、766和860nm波長(zhǎng)，4個(gè)波段光譜信息，每個(gè)光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)相同，能夠同時(shí)采集作物冠層的反射光和太陽(yáng)入射光，并通過(guò)信號(hào)IV轉(zhuǎn)換，濾波放大，再由A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入微控制器，并計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)。最終通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，后續(xù)數(shù)據(jù)建模用于檢測(cè)葉綠素含量。

(2)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了720nm和810nm兩波段的便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)診斷儀器，該儀器利用太陽(yáng)光做光源，采用濾光片分光，結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，上行光傳感器用于接收太陽(yáng)光720nm和810nm波段的輻射信息并進(jìn)行余弦矯正，下行光傳感器用于接收對(duì)應(yīng)波段作物冠層反射光輻射信息。通過(guò)上下接收的光輻射信息，計(jì)算作物的植被指數(shù)DVI(Difference Vegetation Index)，作為葉綠素含量檢測(cè)的數(shù)據(jù)源。

這些產(chǎn)品通常適用于晴天每天10:00-15:00之間太陽(yáng)光照條件下，以太陽(yáng)光為光源，采集植物冠層反射光強(qiáng)，通過(guò)白板標(biāo)定獲取反射率值，并基于NDVI計(jì)算公式(2-1)，計(jì)算出N D V I值，通過(guò)分析葉綠素與NDVI之間的關(guān)系建立葉綠素檢測(cè)模型，提供葉綠素診斷數(shù)據(jù)支持。

式中，R_nir為近紅外的反射率，R_red為紅光的反射率。

被動(dòng)光源式光譜學(xué)探測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是：在天氣晴朗的情況，能夠快速，準(zhǔn)確的對(duì)作物生長(zhǎng)信息進(jìn)行測(cè)量；缺點(diǎn)是：由于設(shè)備是以太陽(yáng)作為光源，采集作物冠層的反射光譜信息，測(cè)量的數(shù)據(jù)容易受到天氣的干擾，且測(cè)量的時(shí)間窗口短，不能在陰天、陽(yáng)光不充足的時(shí)間段等情況下使用。

二、基于主動(dòng)光源的作物光譜學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備是指設(shè)計(jì)發(fā)光電路，通過(guò)主動(dòng)發(fā)光照射植物，并同步采集對(duì)象光信號(hào)，以減少環(huán)境光的影響。此類型設(shè)備有：