可攜式多通道作物葉片氮素營養指標無損監測裝置的製作方法

2023-05-27 20:30:31 2

專利名稱：可攜式多通道作物葉片氮素營養指標無損監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及針對作物(水稻和小麥)葉片氮素營養指標的可攜式無損、實時監測裝置，屬於作物生產技術領域，專用於作物田間生產的實時監測和精確施肥管理。
背景技術：
作物氮素營養指標無損監測是精確農業的重要技術支撐之一，其目的是為了實時掌握作物生長狀況，及時發布監測診斷預報，以指導氮肥的定量管理和精確投入，並為預測作物單產和總產提供重要依據和參考。
氮素是作物生長必須的6種大量元素之中最重要的元素，是作物體內葉綠體和蛋白質構成的必須元素。氮素的缺乏會嚴重影響作物的長勢、產量和品質，施用氮素化肥已是我國作物高產的主要農作技術之一。但是，我國是氮肥消耗量最大、也是過量施氮最嚴重的國家，單位耕地面積上年均用量為184kg/hm2，是世界平均水平的3倍。過量施氮不僅降低食品安全質量；導致氮肥利用率降低(麥類作物和秋熟作物的氮肥損失率分別為14％～55％和18％～53％)，生產成本增高；還造成水體汙染，水資源和水產資源遭到破壞，引起嚴重的環境問題。運用可攜式作物氮素營養指標無損監測裝置指導田間精確施肥是解決施氮失當問題的重要技術支撐。
傳統的作物生長監測以實驗室破壞性分析為基礎，時效性弱。化學分析法費時煩瑣，對植株具有破壞性，不適宜于田間實時監測和指導；田間速測法精度過低。
作物的含氮量與葉片的色澤密切相關，根據不同含氮量作物冠層反射率曲線特性的分析，可得到作物的氮素營養指標和其它多種農學參數。Stone等人(Transactions of ASAE，1996)用可攜式光纖光譜儀測量光譜反射率，採用NDVI值來評價氮利用率和氮肥需要量。Blackmer等(Agronomy Joumal，1996)的研究發現氮素影響葉片的反射光譜和透射光譜。這些研究成果奠定了基於光譜的作物生長監測的理論基礎，並首先在農業空間信息遙感上得到成功應用(如大面積估產等)，為宏觀決策提供數據支持。但遙感信息的獲取受到大氣窗口等多種因素的制約，滯後性嚴重，時效性差，不能用于田間生產的實時監測和施肥指導，昂貴的遙感信息費用也直接制約其在田間生產中的應用。
本課題組以不同年份、不同品種、不同施氮水平的田間試驗為基礎，利用MSR-16型光譜儀，綜合分析了作物葉片氮含量和氮積累量與冠層反射光譜的定量關係，明確了作物葉片氮含量和氮積累量的特徵光譜參數，並確立了葉片氮素營養的定量光譜監測方程(朱豔等，生態學報.2006；朱豔等，植物生態學報.2006；李映雪等，應用生態學報，2006)，從而為研製可攜式作物葉片氮素營養指標無損監測裝置提供了理論基礎。
利用作物的光譜反射率作為測量手段的裝置有多種。美國ASD(Analytical SpectralDevices)公司生產的用於測量地物光譜反射率的系列光譜輻射儀，其測量精度和光譜解析度都很高，但它們的色散元件都是採用全息反射光柵，導致儀器價格昂貴，適用於科學研究但不適用于田間農業生產，特別是不適用於生產一線人員使用。
另有一種可攜式農作物長勢監測裝置(專利號93237680.0)，利用雙積分球測量光譜以獲取農作物葉片光譜反射量與透射量，通過處理運算得到能反映葉片含水量、葉綠素含量等指標參數。但該裝置需攜帶光源、電機、電機帶動的多光譜轉盤等設備，限制了其在農田現場實時測量的可能性。
美國CROPSCAN公司的地物光譜儀能用於測量和獲取植物反射光譜，為研究植物光譜特徵、生長指標與估產的農學機理研究提供光譜數據資料，但不具備監測氮素的功能。日本研製生產了可攜式葉綠素計(SPAD-502，Konica Minolta Sensing，Inc.)，用于田間作物氮素營養的診斷和指導施肥，但在生產應用中其讀數值(SPAD值)必須建立校正曲線或改進算法才能適應監測的需要，這需要實驗室的配合，因而也不是快速和非破壞性的監測診斷方法。
國家農業信息化工程技術研究中心研製了歸一植被差異指數(NDVI)儀，可用於測量冬小麥的NDVI值，並反演出冬小麥的葉面積和葉綠素密度，但該儀器不能直接示出作物葉片氮素含量和氮積累量等綜合生長指標。中國農業大學研製了溫室作物實時診斷儀，該儀器適宜於對單個葉片作接近測量或對單株園藝植物作接近測量，不針對大田作物冠層的監測。
綜上所述，針對作物氮素營養等生長指標，目前還沒有一個簡便、快捷和令人滿意的田間實時無損監測裝置，並用於指導農業生產。本發明裝置時效性高，無需化學藥品，具有便攜、快速、簡便和非破壞性的優點，特別適合于田間實時監測和精確施肥的田間管理。

發明內容
技術問題本發明的目的在於克服現有監測裝置的缺陷，研製出一種可攜式多通道作物葉片氮素營養指標無損監測裝置，具備適於農業生產一線人員田間操作、實時無損監測和田間實時管理指導的特點。
技術方案1、一種可攜式多通道作物葉片氮素營養指標無損監測裝置，主要由支架、光譜信號採集總成和主機三個部分組成(如圖1)，光譜信號採集總成和主機之間由信號線路連接；光譜信號採集總成、主機都通過接頭與支架連接固定；可在田間監測現場將這三個部分組合成監測裝置；監測結束後可再拆分成三個部分，以便於攜帶、保護和運輸；其特徵在於(1)支架由可調伸縮支承杆和角度調節器組成(如圖1)；可調伸縮支承杆能夠根據田間作物高度和監測範圍(視場)的要求，任意調節支撐杆的長度；角度調節器連接光譜信號採集部件和可調伸縮支承杆，能夠根據田間現場監測的操作要求任意調節光譜信號採集部件相對於可調伸縮支承杆的角度；(2)光譜信號採集總成由光譜信號採集部件(如圖2)和外殼組成(如圖1)；外殼用於固定光譜信號採集部件，並通過接頭與支架上的角度調節器相連接；光譜信號採集部件由四個入射光管、四個反射光管和管座構成，管座用於固定四個入射光管和四個反射光管；四個入射光管的結構相同(如圖3)，由乳玻璃、物鏡、窄帶幹涉濾光片和光電探測器組成；四個反射光管的結構相同(如圖4)，由窗口玻璃、物鏡、窄帶幹涉濾光片、場鏡和光電探測器構成；窄帶幹涉濾光片只允許給定波長的光波通過，8個窄帶幹涉濾光片分成4組，每組包含相同的兩隻濾光片，分別組裝於入射光管和反射光管，4組濾光片的中心波長分別位於610nm、660nm、810nm、1220nm，幹涉濾光片的帶寬為±10nm；四個入射光管和四個反射光管構成了8個採集通道，每個通道的光電探測器的輸出電流信號經由信號連接線路傳至主機內的模擬信號調理模塊(如圖5)；(3)主機由主機外殼、硬體系統和軟體系統構成；①主機外殼用於固定硬體系統，通過接頭與可調伸縮支承杆連接；主機外殼上設有水平儀；②硬體系統(圖5)由模擬信號調理模塊、A/D轉換模塊、單片機模塊、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊和電源管理模塊組成。模擬信號調理模塊的前端是光管中的光電探測器，後端是A/D轉換模塊；A/D轉換模塊的後端是單片機模塊；單片機模塊接收並按設定程序處理來自A/D轉換模塊的數字量；融合有葉片氮素營養的定量光譜監測方程和參數調校算法的軟體程序固化在單片機模塊裡；存儲模塊與單片機模塊相連；顯示模塊與單片機模塊相連；鍵盤模塊與單片機模塊相連；通訊模塊是單片機模塊和外部計算機的數據通訊接口；電源管理模塊是整個硬體系統的供電和監視模塊，當電源電壓降低到設定程度後，該模塊產生低電壓報警，提醒更換電池。
③軟體系統採用C51單片機語言編寫；在軟體系統中融合了葉片氮素營養的定量光譜監測方程和參數調校算法；軟體系統設計框圖如圖6所示。
有益效果本發明與已有裝置相比，具有以下的特點和有益效果(1)稻、麥是我國的主栽糧食作物，針對稻、麥生產過程中的氮素施肥精確管理對增強我國糧食安全、降低環境汙染和提高農業效益具有關鍵作用；本發明裝置將稻麥葉片氮素營養的定量光譜監測方程和校正參數算法方程融合在軟硬體系統中，直接應用於水稻和小麥生長過程中的氮素營養指標監測；本發明裝置時效性高，無需破壞性測量和化學藥品，具有快捷、無損、實時和便于田間現場監測的優點；監測結果既可即時讀取，用於指導農田現場的施氮管理；又可輸入計算機用於現場或室內會商分析，為精確農業的決策提供數據支持，特別適合于田間實時監測和精確施肥的田間管理。
(2)本發明裝置採用四波段(610nm、660nm、810nm、1220nm)八通道設計，通過四個波段間的相互配合，監測冠層葉片氮含量、氮積累量和葉面積指數三個指標，不僅從根本上保證了高監測精度，還為作物的氮素營養水平分析提供了三個不同方面的數據指標，保證了監測結果的可靠性和穩定性；(3)本發明裝置根據田間操作使用的要求和特點，採用固定化和密封化設計方案，將用於光譜信號採集和轉換的多個零件(如濾光片、透鏡、乳玻璃、探測器等)固定安裝在密閉的光管內，構成光管單元，再將八個光管固定在管座內，構成光譜信號採集部件，在整個部件內沒有電機和轉盤等轉動和活動的零件，提高了裝置的可靠性和穩定性，適于田間操作和攜帶運輸；四

圖1為本發明裝置的整體結構示意圖；圖2為本發明裝置的光譜信號採集部件示意圖；圖3為本發明裝置的入射光管結構示意圖；圖4為本發明裝置的反射光管結構示意圖；圖5為本發明裝置的主機硬體結構示意6為本發明裝置的主機軟體系統設計框圖；圖注說明1-4.入射光管 5-8.反射光管 9.光譜信號採集總成 10.可調伸縮支承杆 11.主機12.探測區域 13.光信號輸入接口 14.水平儀 15.電源開關 16.串行接口17.主機外殼 18.主機面板 19.LCD顯示器 20.鍵盤按鍵 21.角度調節器22.管座 23.乳玻璃 24.物鏡 25.窄帶幹涉濾光片 26.光電探測器27.窗口玻璃 28.物鏡 29.窄帶濾光片 30.場鏡 31.光電探測器五具體實施方式
(一)本發明裝置的田間應用與操作1、田間組裝首先，通過接頭將主機11與支架的可調伸縮支承杆10連接固定，再將光譜信號採集總成9通過接頭與支架上的角度調節器21連接；用信號連接線將光譜信號採集總成9和主機11上的信號線接入口13；根據田間作物的高度和監測要求調節可調伸縮支承杆10的長度，以滿足監測視場，即探測區域12的大小要求；根據操作者的操作需要調整角度調節器21的角度，將隨機配備的水平標尺放置在光譜信號採集總成9的頂面，配合主機外殼17上的水平儀14調水平。
2、參數調校將隨機配備的標準白板置於光譜信號採集總成9的正下方，依據主機11上水平儀調節整個裝置使之處於水平，按動鍵盤按鍵20(圖1)中的參數校正鍵(圖6)，裝置自動完成參數調校，主機11將調校參數自動保存，供主機軟體系統自動調用。
3、田間監測按下主機上的電源開關15，裝置啟動，顯示屏19顯示」OK」。田間監測時，操作者手持支架，並選定監測點，使光譜信號採集總成9位於作物冠層上方，通過觀察主機上的水平儀14調節支架，使光譜信號採集總成處於水平。操作者根據監測指標的需要，選擇並按動主機面板18上的按鍵(在每個按鍵上都有功能標註，如小麥氮含量、小麥氮積累量等，如圖6)，裝置自動完成監測，並在顯示屏19上顯示監測結果，同時把監測結果保存在存儲器中。當電池電量低於設定製時，裝置自動報警，提醒及時更換電池。
4、拆卸裝箱田間監測工作完成後，分別從支架上拆卸光譜信號採集總成9和主機11，連同隨機配備的標準白板和水平標尺一起裝箱，以便於攜帶和保存。
(二)本發明裝置的工作原理(圖5)1、光譜信號採集光譜信號採集由光譜信號採集部件(如圖2)中的管座22、四個入射光管1-4和四個反射光管5-8完成，分別構成了四個入射光譜信號採集通道和四個反射光譜信號採集通道。四個入射光管的結構相同(如圖3)，由乳玻璃23、物鏡24、窄帶幹涉濾光片25和光電探測器26組成；入射光管1-4位於光譜信號採集總成9的上方，用於採集來自太陽的光譜信息；四個反射光管的結構相同(如圖4)，由窗口玻璃27、物鏡28、窄帶幹涉濾光片29、場鏡30和光電探測器31構成；四個入射光管分別採集610nm、660nm、810nm和1220nm波段的太陽入射光譜信號；四個反射光管分別採集610nm、660nm、810nm和1220nm波段的作物冠層反射光譜信號；每個波段由反射光管和入射光管2個通道構成，總計有四個波段八個採集通道。下面以660nm波段為例說明光譜信號採集原理位於光譜信號採集總成上方的660nm波段的入射光管採集太陽入射光譜信號(如圖1和圖2)。太陽光首先通過圖3中的乳玻璃23實現餘弦校正，然後經物鏡24匯聚，在經過中心波長為660nm窄帶幹涉濾光片25後，只有中心波長為660nm(半寬為±10nm)的太陽光被光電探測器26接收感測，並轉換為相應強度的電流信號；位於光譜信號採集總成的下方的660nm波段的反射光管採集作物冠層反射光譜信號(如圖1和圖2)；冠層反射光經過圖4中的窗口玻璃27後，由物鏡28作光場變換，在經過中心波長為660nm窄帶幹涉濾光片29後，只有中心波長為660nm(半寬為±10nm)的作物冠層反射光通過場鏡30變換光場後被光電探測器31接收感測，並轉換為相應強度的電流信號；其餘三個波段的入射光和反射光的信號採集遵循同樣的原理；2、模擬信號調理與A/D轉換每個光管(通道)的光電探測器的輸出電流信號是模擬電流信號，經由信號連接線路並通過主機11上的信號線接入口13傳至主機內的模擬信號調理模塊(如圖5)，由該模塊硬體電路將模擬電流信號轉換為電壓信號，並實施放大、去噪聲和濾波處理；經過處理的模擬信號經A/D轉換模塊(圖5)後，被轉換成數位訊號供單片機模塊處理；3、氮素營養指標的計算、存儲、顯示與通信葉片氮素營養的定量光譜監測方程(如下式1-式10)和參數校正算法(式11和式12)融合在軟體程序裡，軟體程序則固化在單片機模塊硬體電路裡；單片機硬體電路接收來自A/D轉換模塊的數位訊號(如圖5)；操作者根據監測指標的需要按動鍵盤模塊(圖6)上相應的按鍵，軟體依據定量光譜監測方程計算所對應的氮素營養指標，並把計算結果送往存儲模塊和顯示模塊(圖5)；田間監測完畢後，通過數據通信模塊(圖5)將數據存儲模塊中的數據上傳至外部計算機中。
1)歸一化植被指數NDVI(Differential vegetation index)的定義為NDVI(1,2)=R1-R2R1+R2---(1)]]>式中，Rλ1和Rλ2表示某特徵光波段處作物冠層的反射率，由主機程序依據接收到的光譜信號求算；2)比值植被指數RVI(ratio vegetation index)的定義為RVI(1,2)=R1R2---(2)]]>3)葉片氮素營養定量光譜監測方程本課題組以不同年份、不同品種、不同施氮水平的田間試驗為基礎，利用MSR-16型光譜儀，綜合分析了作物葉片氮素營養指標與冠層反射光譜的定量關係，明確了作物葉片氮含量和氮積累量的特徵光譜參數(即610nm、660nm、810nm、1220nm)，並確立了葉片氮素營養的定量光譜監測方程，為本發明裝置的提供了理論基礎；定量光譜監測方程如下水稻氮含量YY＝3.742×NDVI1.0968(3)小麥氮含量YY＝4.6138×NDVI1.5992(4)其中，NDVI(1220,610)=R1220-R610R1220+R610---(5)]]>水稻氮積累量YY＝0.3618×RVI(810，610)+1.265(6)小麥氮積累量YY＝0.4776×RVI(810，660)0.9143(7)水稻和小麥的葉面積指數(LAI)Y＝0.208×RVI(810，660)+0.579(8)其中，RVI(810,660)=R810R660---(9)]]>RVI(810,610)=R810R610---(10)]]>
上述定量光譜方程融合在單片機軟體系統的數據運算模塊裡，由單片機根據鍵盤指令調用對應的方程，計算相應的氮素營養指標參數。
4)特徵光波段處作物冠層的反射率Rλ和調校參數的算法R=kERE---(11)]]>式中，Eλ為某特徵波長處的太陽入射光信號，ERλ為對應波段處作物冠層的反射光信號，k為相應波段處的比例常數，由裝置的光學系統、光電探測器、信號調理放大電路及其他電路的特性參數決定；λ分別取610nm、660nm、810nm和1220nm；k的算法如下k=ER1E2ER2E1---(12)]]>式中，λ1和λ2是指不同的2個波段。
k的算法和方程(11)融合在單片機軟體系統的修正參數標定模塊，在田間監測前，通過該模塊和標準白板自動完成k的求算。
權利要求
1.一種可攜式多通道作物葉片氮素營養指標無損監測裝置，主要由支架、光譜信號採集總成和主機3個部分組成，支架由可調伸縮支承杆和角度調節器組成，光譜信號採集總成和主機之間由信號線路連接，光譜信號採集總成通過接頭與角度調節器連接，主機通過接頭與可調伸縮支承杆連接固定，其特徵在於(1)光譜信號採集總成由光譜信號採集部件和外殼組成；外殼用於固定光譜信號採集部件，並通過接頭與支架上的角度調節器相連接；光譜信號採集部件由4個入射光管、4個反射光管和管座構成，管座用於固定4個入射光管和4個反射光管；4個入射光管的結構相同，由乳玻璃、物鏡、窄帶幹涉濾光片和光電探測器組成；4個反射光管的結構相同，由窗口玻璃、物鏡、窄帶幹涉濾光片、場鏡和光電探測器構成；窄帶幹涉濾光片只允許給定波長的光波通過，8個窄帶幹涉濾光片分成4組，每組包含相同的兩隻濾光片，分別用於入射光管和反射光管，它們的中心波長分別位於610nm、660nm、810nm、1220nm，幹涉濾光片的帶寬為±10nm；4個入射光管和4個反射光管構成了8個採集通道，每個通道的光電探測器的輸出電流信號經由信號連接線路傳至主機內的模擬信號調理模塊；(2)主機由主機外殼、硬體系統和軟體系統構成；①主機外殼用於固定硬體系統，通過接頭與可調伸縮支承杆連接；主機外殼上設有水平儀；②硬體系統由模擬信號調理模塊、A/D轉換模塊、單片機模塊、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊和電源管理模塊組成，模擬信號調理模塊的前端是光管中的光電探測器，後端是A/D轉換模塊；A/D轉換模塊的後端是單片機模塊；單片機模塊接收並按設定程序處理來自A/D轉換模塊的數字量；融合有葉片氮素營養的定量光譜監測方程和參數調校算法的軟體程序固化在單片機模塊裡；存儲模塊與單片機模塊相連；顯示模塊與單片機模塊相連；鍵盤模塊與單片機模塊相連；通訊模塊是單片機模塊和外部計算機的數據通訊接口；電源管理模塊是整個硬體系統的供電和監視模塊，當電源電壓降低到設定程度後，該模塊產生低電壓報警，提醒更換電池；③軟體系統採用C51單片機語言編寫；軟體固化在單片機硬體系統中；在軟體系統中融合了葉片氮素營養的定量光譜監測方程和參數調校算法，分別為式1至式10水稻氮含量YY＝3.742×NDVI1.0968(1)小麥氮含量YY＝4.6138×NDVI1.5992(2)其中，NDVI(1220,610)=R1220-R610R1220-R610---(3)]]>水稻氮積累量YY＝0.3618×RCI(810，610)+1.265(4)小麥氮積累量YY＝0.4776×RVI(810，660)0.9143(5)水稻和小麥的葉面積指數(LAI)Y＝0.208×RVI(810，660)+0.579 (6)其中，RVI(810,660)=R810R660---(7)]]>RVI(810,610)=R810R610---(8)]]>特徵光波段處作物冠層的反射率Rλ的方程R=kERE---(9)]]>式中，Eλ為某特徵波長處的太陽入射光信號，俄ERλ為對應波段處作物冠層的反射光信號，k為相應波段處的調校參數，由裝置的光學系統、光電探測器、信號調理放大電路及其他電路的特性參數決定；λ分別取610nm、660nm、810nm和1220nm；其中，k的算法如下k=ER1E2ER2E1---(10)]]>式中，λ1和λ2分別指2個不同的波段。
全文摘要
本發明涉及一種基於冠層反射光譜的作物葉片氮素營養指標無損監測和裝置，屬於作物生產技術領域，專用於作物田間生產的實時監測和精確施肥管理指導。主要由支架、光譜信號採集總成和主機3個部分組成；光譜信號採集採用4波段8通道設計，硬體系統由模擬信號調理模塊、A/D轉換模塊、單片機模塊、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通訊模塊和電源管理模塊組成，軟體系統採用C51單片機語言編寫。監測冠層葉片氮含量、氮積累量和葉面積指數3個指標，不僅保證了高監測精度，還為作物的氮素營養水平分析提供了3個不同方面的數據指標，保證了監測結果的可靠性和穩定性；具備適於農業生產一線人員田間操作、實時無損監測和田間實時管理指導的特點。
文檔編號G01N33/00GK101021472SQ200710019340
公開日2007年8月22日 申請日期2007年1月17日 優先權日2007年1月17日
發明者曹衛星, 徐志剛, 朱豔, 焦學磊, 田永超, 姚霞, 戴廷波 申請人:南京農業大學