一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器及方法
2023-09-12 06:27:35
專利名稱：一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器及方法
技術領域：
本發明屬於植物營養檢測領域，尤其涉及一種基於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，它可以用於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，減少環境汙染，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徵，而這些圖像特徵與植物葉片的生理特徵(如植被指數、吸水率等)有著密切的關係，通過建立兩者之間的關係，對植物生長狀況進行檢·測。這種方法需要很複雜的硬體系統，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。植物冠層光譜特徵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。由於植物營養狀況能影響到葉面積、冠層形態、內在生理特徵，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，經植被指數轉換後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於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。由於一天之中，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採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；當太陽入射角大於零時，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於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。一種基於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。所述基於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後，得到修正後的檢測值作為輸出。基於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，而其餘部位的光學傳感器(處於陰影區)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；對於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；探頭可用於發射並採集光信號，光學傳感器安裝在探頭的頂面便於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於探頭側壁，以避免對頂面的幹涉和遮擋。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。本發明還提供了一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法，解決了太陽角對植物冠層信息光譜檢測方法影響較大，致使葉綠素、氮素測量精度較低的問題。一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法，包括以下步驟(I)獲取太陽入射角度；(2)利用植物冠層信息光譜檢測儀獲取標準校驗樣本的葉綠素檢測值，所述標準校驗樣本是指SPAD值分布均勻且取平均值的樣本；根據樣本校正模型，得到校正係數；所述樣本校正模型為
^ 凡OK=^—其中，ys(l為標準校驗樣本的葉綠素SPAD值，yv0為植物冠層信息光譜檢測儀測得的標準校驗樣本的葉綠素SPAD值，Θ為太陽入射角度，K為校正係數；(3)利用植物冠層信息光譜檢測儀獲取待測植物的實際檢測值；所述實際檢測值為氮素或葉綠素實際檢測值；
(4)基於公式ys = K Θ yv，根據獲取的太陽入射角度、樣本校正係數及待測植物的實際檢測值，獲得太陽角修正後的檢測值；其中，ys為太陽角修正後的檢測值，yvS植物冠層信息光譜檢測儀的實際檢測值，K為校正係數，θ為太陽入射角度。步驟(3)也可置於步驟⑴或(2)之前。太陽入射角是指太陽直射光線與壁面法線之間的夾角。現有技術中，獲取太陽入射角度的方法較多，如影子長度法等。為了實現太陽入射角度的快速、準確測量，優選利用呈圓形點陣分布的光學傳感
器獲取太陽入射角度；具體方法如下利用呈圓形點陣分布的光學傳感器獲取太陽光感應
IS S
光強，將光電傳感器陣列感應光強轉化為電壓，基於公式~ =得到太陽入射· max
角；其中，Θ為太陽入射角度，Θ值不為O ;Um為電壓值；Umax是θ值為O時，轉化得到的電壓值。與現有技術相比，本發明具有以下優點(I)本發明的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀只需在原有儀器的基礎上安裝太陽入射角度檢測裝置，即可實現對太陽角的修正，克服了太陽角對儀器檢測結果的影響，檢測精度聞;(2)本發明的基於太陽角修正後的植物冠層信息光譜檢測儀環境適應能力更強，適用範圍更廣；(3)本發明提供的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法，簡便、可靠，通過對太陽角的修正，可提高植物冠層信息光譜檢測方法對葉綠素、氮素的檢測精度。
具體實施例方式實施例I 10一種基於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，探頭頂部設有呈圓形點陣分布的50個單元光學傳感器，光學傳感器上方罩有透光板，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。應用儀器對植物葉綠素進行檢測的具體步驟如下首先，利用探頭頂部呈圓形點陣分布的光學傳感器獲取太陽入射角度Θ。同時，探頭髮射光譜至待測植物，並採集反射光譜，獲取待測植物的葉綠素實際檢測值yv。其次，數據處理單元根據獲取的太陽入射角度Θ和通過標準校驗樣本獲取的樣本校正係數K，對所述植物冠層信息光譜檢測儀的葉綠素實際檢測值^進行修正，得到太陽角修正後的葉綠素檢測值ys。為了更好的比較說明本發明儀器的性能，同時利用植物冠層信息光譜檢測儀器(芬蘭CROP SCAN儀)和日本美能達公司生產的SPAD502高精度儀對待測植物的葉綠素含量進行檢測。在不同的太陽入射條件下，對不同的待測植物分別利用三種儀器進行多次試驗，得到的數據如表I所示。表I分別列舉了在10種不同的太陽入射角條件下10個實施例的
試驗數據。表I實施例相關數據表
權利要求
1.一種基於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，其特徵在於，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。
2.如權利要求I所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，其特徵在於，所述太陽入射角度檢測裝置為呈圓形點陣分布的若干個光學傳感器。
3.如權利要求I所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，其特徵在於，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。
4.如權利要求3所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，其特徵在於，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於探頭側壁。
5.如權利要求I所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，其特徵在於，所述光學傳感器陣列單元的個數為20 100個。
6.如權利要求I所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀器，其特徵在於，所述光學傳感器上方罩有透光板。
7.一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟 (1)獲取太陽入射角度； (2)利用植物冠層信息光譜檢測儀獲取標準校驗樣本的葉綠素檢測值，所述標準校驗樣本是指SPAD值分布均勻且為一固定值的樣本；根據樣本校正模型，得到校正係數，所述樣本校正模型為 K=^ 其中，ys(l為標準校驗樣本的葉綠素SPAD值，yv0為植物冠層信息光譜檢測儀測得的標準校驗樣本的葉綠素SPAD值，Θ為太陽入射角度，K為校正係數； (3)利用植物冠層信息光譜檢測儀獲取待測植物的實際檢測值；所述實際檢測值為氮素或葉綠素實際檢測值； (4)基於公式ys= K Θ yv，根據獲取的太陽入射角度、樣本校正係數及待測植物的實際檢測值，獲得太陽角修正後的檢測值；其中，ys為太陽角修正後的檢測值，yv為植物冠層信息光譜檢測儀的實際檢測值，K為校正係數，Θ為太陽入射角度。
8.如權利要求7所述的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法，其特徵在於，步驟(I)中，利用呈圓形點陣分布的光學傳感器獲取太陽入射角度；具體方法如下利用呈圓形點陣分布的光學傳感器獲取太陽光感應光強，將光電傳感器陣列感應光強轉化為電 is S壓，基於公式0 =，得到太陽入射角；其中，θ為太陽入射角度，θ值不為o;um max為電壓值；umax是Θ值為O時，轉化得到的電壓值。
全文摘要
本發明公開了一種基於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；本發明還公開了一種基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法；本發明的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測儀檢測精度高，環境適應能力強；本發明的基於太陽角修正的植物冠層信息光譜檢測方法克服了太陽角對檢測結果的影響，操作方便，可大大提高檢測精度。
文檔編號G01N21/25GK102841059SQ20121032014
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者聶鵬程, 李曉麗, 何勇, 吳迪 申請人:浙江大學