一種測量歸一化植被差異指數的方法及儀器的製作方法

2023-06-12 13:01:26

專利名稱：一種測量歸一化植被差異指數的方法及儀器的製作方法
技術領域：
本發明屬光學儀器領域，特別涉及一種測量歸一化植被差異指數的方法及儀器，能快速、方便地測定農作物的NDVI值，準確地對作物氮肥吸收情況進行評估，再根據在不同生長時期作物對氮肥的需求量實施變量施肥，對指導氮肥使用有著重要作用。
背景技術：
施用氮肥是農作物增產的重要手段，在植物體內，氮是蛋白質、核酸和葉綠素的重要成分，關係著植物體的細胞增長和新細胞形成，植物缺氮時，葉片中的葉綠素含量低下，葉色淺綠，光合作用也隨之減弱，從而使碳水化合物的合成量減少，導致植物生長緩慢，植株矮小。但植物吸收氮過多時，常常表現為組織柔軟，葉色濃綠，莖葉徒長，貪青遲熟，易倒狀，並易遭病蟲危害，最終也會造成減產。由於植被的含氮量與葉片色澤密切相關，根據對不同含氮量植被光譜反射率曲線特性的分析，發現可由某些波長的反射率分析得到植被的含氮量。美國俄克拉荷馬州立大學Dr.MarvinStone等人用可攜式光纖光譜儀測量光譜反射率的方法，開展了用NDVI來獲取氮利用率NUE(nitrogen use efficiency)和氮肥需要量的研究，並取得成果。
歸一化植被差異指數NDVI的定義為NDVI=IR-RIR+R---(1)]]>式中ρR為某紅外光特徵波長處的植被反射率，ρIR為某紅光特徵波長處植被的反射率。目前，常採用地物光譜儀進行NDVI的測量，該測量方法視場角較小、對日光照明條件有較高要求，而且設備結構複雜、重量較大、價值昂貴、操作困難，所以難以推廣。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於測量歸一化植被差異指數(NDVI)的新方法，根據這種方法設計的NDVI測試儀重量輕、體積小、成本低，結構簡單、使用方便、適合於大批量生產。
該儀器的工作原理如下利用日光作光源，通過四個具有特殊光譜響應特性的光電探測器，在近紅外和紅光兩個特定波長處，分別對入射光和植被的反射光進行探測，測得的四個參數，經模擬—數字轉換後，由單片機進行處理得到NDVI值，所得結果由液晶顯示器(LCD)顯示。若儀器測得紅光特徵波長處的入射光信號為ER、對應波長植被反射光信號為ERR、紅外光特徵波長處的入射光信號為EIR、對應波長植被反射光信號為EIRR，則有RR=KRERRER;]]>RIR=KIREIRREIR---(2)]]>式中kR和kIR為比例常數，由儀器的光學系統、光電探測器及其適配放大器的特性參數決定。若令kIR＝kRk，就有NDVI=KRERRER-KIREIRREIRKRERRER+KIREIRREIR=ERREIR-KEIRRERERREIR+KEIRRER---(3)]]>公式(3)表明只要確定儀器的待定特徵常數為k，就可由四個光電探測器測得的信號求得NDVI。
實現上述測試方法而設計的NDVI測試儀，包括特殊光譜響應特性的四個光電探測器1、2、3、4，光學鏡頭19、20，模擬—數字轉換器9，單片機10，顯示器11，四個窄帶幹涉濾光片14、15、17、18，四個窄帶幹涉濾光片14、15、17、18分為兩組，每組為光學特性相同的兩個濾光片，它們的中心波長分別位於植被光譜反射率曲線斜率最大處兩端的近紅外(0.77-0.86μm)和紅光(0.65-0.68μm)波段；測量太陽入射光信號的兩個光電探測器前分別耦合近紅外濾光片14和紅光濾光片15，濾光片14、15前設有漫射體12、13，以減小日光入射角對信號幅度造成的影響；測量植被反射光信號的兩個光電探測器3、4前設有成像物鏡19、20，成像物鏡19、20將距離1-1.5m處的植被目標成像在光的探測器3、4的光敏面上，在成像物鏡19、20和光電探測器3、4中間設置近紅外濾光片17和紅光濾光片18。
上述特殊光譜響應特性的光電探測器由窄帶幹涉濾光片、矽光電二極體及其適配放大器等組成。窄帶幹涉濾光片只允許中心波長附近通帶內的光通過，四個窄帶幹涉濾光片分為兩組，每組為特性相同的兩濾光片，它們的中心波長分別位於植被光譜反射率曲線斜率最大處兩邊的近紅外(0.77-0.86μm)和紅光(0.65-0.68μm)波段，紅光波段為植被葉綠體峰值吸收區域，幹涉濾光片的帶寬應保證在通帶內光譜反射率沒有明顯變化，以保證NDVI的測量精度。四個矽光電二極體與四個窄帶幹涉濾光片組成兩組光電探測器，分別用於近紅外和紅光兩特徵波長處入射光和植被的反射光的探測，矽光電二級管在近紅外和紅光特徵波長處具有較高的光譜靈敏度，其光敏面尺寸要保證在不同的日光照明條件下有足夠大信號輸出和線性度。用於入射日光信號探測的兩個光電探測器安裝在儀器的上方，用於植被反射光探測的兩個光電探測器安裝在儀器的下方面向植被。
上述光學系統包括入射日光信號探測器前面的毛玻璃、光闌和植被反射光探測器前面的接收物鏡。
上述儀器的待定特徵常數k的確定，可通過對在近紅外和紅光兩特徵波長處光譜反射率相等的參考板標定求得，參考板的尺寸應與儀器探測範圍相符。由於RR＝RIR，公式(1)可知NDVI＝0，根據式(3)就可得到待定特徵常數的計算公式K=ERREIREREIRR---(4)]]>上述模擬—數字轉換器、單片機及顯示器的作用是將矽光電二極體適配放大器輸出的模擬信號，經模擬—數字轉換器轉換為數位訊號，再由單片計算機按公式(3)計算，求出NDVI值出液晶顯示器(LCD)顯示。


圖1是植被光譜反射率曲線，它可由地物光譜儀測得，圖中A為葉綠體吸收峰區域，B為水吸收峰區域，C為紅光特徵波長，D為近紅外光特徵波長，在這兩特徵波長處的植被光譜反射率與植被含氮量密切相關；圖2是可攜式NDVI測量儀的原理框圖，圖中1為用於測量紅光特徵波長處的入射光信號的探測器、2為用於測量紅光特徵波長處的植被反射光信號的探測器、3為用於測量紅外光特徵波長處的入射光信號的探測器、4為用於測量紅外光特徵波長處的植被反射光信號的探測器，5～8為光電探測器的適配電路、9為帶多路模擬開關的A/D(模擬—數字)轉換器、10為單片計算機、11為用於顯示NDVI值的液晶顯示器。
圖3是可攜式NDVI測量儀結構示意圖，使用時如圖所示垂直向下，12和13為毛玻璃或乳白玻璃的漫射體，以減小日光入射角對信號幅度造成的影響，在此漫射體下方的14、15為相應波長範圍(650-680nm、770-860nm)的窄帶幹涉濾光片，以濾去其它波長的太陽入射光，1和2為兩個相同的光電探測器，以測量濾光片12和13對應的紅光(650-680nm)和近紅外光(770-860nm)特徵波長處的太陽光照強度，19和20為兩個相同的接收物鏡，設計視場角(FOV)，使儀器所要求的探測範圍(如1m×1m)，在儀器離植被一定距離處(如1.2m)成像在物鏡焦平面的矽光電二極體3和4的光敏面上，17和18為與14和15同樣的幹涉帶通濾光片，位於接收物鏡19、20和光電探測器3、4中間，以挑選濾光片17、18相應的紅光(650-680nm)和近紅外光(770-860nm)特徵波長處的植被反射光，這樣光電探測器3和4分別接收植被在650-680nm和770-860nm光譜範圍的反射光，16為3個1.5伏的普通乾電池，它為NDVI儀提供能源，9為帶多路模擬開關的A/D(模擬—數字)轉換器，它將4個光電探測器的模擬信號轉換為數位訊號，並輸出給單片機10，單片機10接收4個光電探測器獲取的紅光(650-680nm)和近紅外光(770-680nm)特徵波長範圍的太陽光照強度和植被反射光強，根據公式(3)計算NDVI值，11為顯示屏，它顯示單片機輸出的NDVI值。
圖4為NDVI的數字電路圖，21為AT89C2051單片機與顯示器電路，22為MAX1248模擬——數字轉換器，23為LM308光電探測器及適配電路。
具體實施例方式
將NDVI垂直向下距植被冠層1.2米處，其對應地面視場範圍為1m*1m，若探測器1接收的太陽光在650-680nm波段的光譜輻射強度為45watts/(m2)，探測器2接收的太陽光在770-860nm波段的光譜輻射強度為90watts/(m2)，探測器3接收的植被冠層在650-680nm紅光波段的光譜反射強度為2.25watts/(m2)，探測器4接收的植被冠層在770-860nm近紅外波段的光譜反射強度為45watts/(m2)，那麼由公式(2)可以計算此時植被冠層在紅光波段的光譜反射率為5％，在近紅外波段的光譜反射率為50％，由公式(1)計算植被冠層的NDVI值為0.818。
權利要求
1.一種測量歸一化植被差異指數的方法，其特徵在於它利用太陽光作為光源，在四個相同的光電探測器前耦合兩組近紅外和紅光波段的幹涉濾光片，分別對太陽入射光和植被的反射光進行探測，測得太陽入射光和植被反射光在紅光和近紅外波段的輻射信號，將這四個輻射信號經模擬——數字轉換，並由單片機按歸一化植被差異指數(NDVI)的計算公式處理，求出NDVI值，輸出結果到液晶顯示器LCD顯示。
2.一種實現權利要求1所述方法而設計的NDVI測試儀器，其特徵在於它包括四個光電探測器(1)、(2)、(3)、(4)，光學鏡頭(19)、(20)，模擬-數字轉換器(9)，單片機(10)，顯示器(11)，四個窄帶幹涉濾光片(14)、(15)、(17)、(18)；四個窄帶幹涉濾光片(14)、(15)、(17)、(18)分為兩組，每組為光學特性相同的兩個濾光片，它們的中心波長分別位於植被光譜反射率曲線斜率最大處兩端的近紅外(0.77-0.86μm)和紅光(0.65-0.68μm)波段；測量太陽入射光信號的兩個光電探測器前分別耦合近紅外濾光片(14)和紅光濾光片(15)，濾光片(14)、(15)前設有漫射體(12)、(13)，以減小日光入射角對信號幅度造成的影響；測量植被反射光信號的兩個光電探測器(3)、(4)前設有成像物鏡(19)、(20)，成像物鏡(19)、(20)將距離1-1.5m處的植被目標成像在光的探測器(3)、(4)的光敏面上，在成像物鏡(19)、(20)和光電探測器(3)、(4)中間設置近紅外濾光片(17)和紅光濾光片(18)。
全文摘要
一種測量歸一化植被差異指數的方法及儀器，能快速、方便地測定農作物的NDVI值，準確地對作物氮肥吸收情況進行評估，對指導氮肥使用有著重要作用。它利用日光作光源，通過四個具有特殊光譜響應特性的光電探測器，在近紅外和紅光兩個特徵波長處，分別對入射光和植被的反射光進行探測，根據測得的信號，經模擬—數字轉換後，由單片機按NDVI值的計算公式求出歸一化植被差異指數，所得NDVI結果由液晶顯示器(LCD)顯示。這種探測方法及儀器對日光照明條件要求低、視場角大、結構簡單、重量輕、使用方便、成本低，適合於大批量生產。
文檔編號G01N21/35GK1566928SQ0314880
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月12日 優先權日2003年6月12日
發明者趙春江, 周漢昌, 薛緒掌, 姜三平, 劉良雲 申請人:北京農業信息技術研究中心