CN100480679C - 测量作物冠层色素比值的方法及测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明属植物生理仪器领域。它是一种利用作物冠层反射光谱作物冠层色素比值的新方法及设计的测量仪，能快速、方便地测定作物的SIPI值，准确地对作物冠层特征色素比值进行评估，对判断作物长势和指导氮肥使用有着重要作用。它利用日光(太阳光)作光源，通过六个相同的具有特殊光谱响应特性的光电传感器，在近红外、红光和蓝光三个特征波长处，分别对日光入射光和植被的反射光进行探测，测得的信号经A/D转换后，由微控制器按SIPI值的计算公式求出SIPI值，然后根据SIPI计算得出表征作物生长状态的结果，所得结果由液晶显示器显示。测量结果可以保存在仪器中，并且可以通过RS232串口传送到PC机上进行进一步的分析。这种探测方法及仪器对日光照明条件要求较低、结构简单、重量轻、成本低、使用方便，适合于大批量生产和应用。

Description

测量作物冠层色素比值的方法及测量仪

技术领域

本发明属植物生理仪器领域，特别涉及一种利用作物冠层反射光谱测量作物冠层色素比值的方法以及基于此方法而设计的仪器，能快速、方便地测定作物的冠层色素比值，准确地对作物生长状态情况进行评估，再根据在不同生长时期作物对水、肥的需求量实施变量施肥和灌溉，对指导作物栽培有着重要作用。

背景技术

关于遥感作物养分含量监测前人已经做了大量的研究，Blackmer等(1996)认为单叶的反射光谱和投射光谱受氮素缺乏的影响；Daughtry(2000)提出可以运用作物冠层的反射光谱进行冠层叶绿素含量等的评价。以往的研究，主要是将冠层光谱与同目标实验室内测定的氮素含量之间进行统计分析，筛选敏感波段和波段组合进行冠层生化组分的遥感监测。本研究经过大量试验数据分析得出可以运用结构不敏感植被指数(SIPI)来反演作物冠层的色素比值含量，色素比值我们选用类胡萝卜素和叶绿素的比值。冠层结构不敏感植被指数(SIPI)于1995年由等提出。将SIPI定义为：

SIPI＝(R800-R445)/(R800-R680)   (1)

其中R₈₀₀，R₆₈₀，R₄₄₅分别为在波长为800nm，680nm和445nm处的光谱反射率数值。大量研究表明近红外波段800nm可以用来降低叶片表面和叶片内部的部分的结构的影响。波段445nm和680nm分别是类胡萝卜素和叶绿素a的吸收峰。本文采用冠层结构不敏感植被指数(SIPI)来反演冠层类胡萝卜素和叶绿素a的比值。作物在环境胁迫等造成生理、生化物质变化进而生长状况发生变化的情况下，作物体内的类胡萝卜素和叶绿素a的相对含量发生变化，所以作物体内的类胡萝卜素和叶绿素a的相对含量可以反映作物的生长状态。

由图1可知，开花期冠层结构不敏感植被指数与冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值之间在不同品种不同肥水条件下存在极显著的线性相关水平，方程的决定系数为0.7207，样本数目为64个。实验的关于类胡萝卜素和叶绿素a的变化关系的研究结果如Merzlyak(1999)的研究结果相一致。均认为作物在胁迫和衰老情况下叶绿素的衰减速度较类胡萝卜素快。图1表明可以运用冠层结构不敏感植被指数(SIPI)进行作物的冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值反演。

目前，常采用地物光谱仪进行SIPI的测量，该测量方法所需设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，测量数据还需要进行二次处理，所以难以推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量作物冠层作物冠层色素比值的新方法，根据这种方法设计的作物冠层色素比值测试仪重量轻、体积小、成本低，结构简单、使用方便、适合于大批量生产和应用。

一种测量作物冠层色素比值的新方法，采用日光作为被动光源，在三个特征波长处分别对太阳入射光和被测植被的反射光进行探测，测得太阳入射光和植被反射光在蓝光、红光和近红外三个特征波段的辐射信号强度，将这六个辐射模拟信号经A/D转换，并由微控制器按冠层结构不敏感植被指数(SIPI)的计算公式进行处理，求出SIPI值，最终计算结果通过液晶显示器显示。另外，可以对测量结果进行存储和上传。本方法的关键点在于采用干涉滤光片进行滤光以产生本发明中所需的三个特征波长。

根据上述方法而设计的作物冠层色素比值测量仪包括如附图4中六个光电探测器38、39、40、47、48、49，光学镜头53、54、55，A/D转换器42，单片机43，显示器44，六个窄带干涉滤光片35、36、37、50、51、52；六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为光学特性相同的两个滤光片，它们的中心波长分别位于近红外(0.795—0.805μm)和红光(0.665—0.675μm)及蓝光(0.44—0.45μm)波段；测量太阳入射光信号的三个光电探测器前分别耦合近红外滤光片37、红光滤光片36和蓝光滤光片35，滤光片35、36、37前设有漫射体32、33、34，以减小日光入射角度的影响；测量植被反射光信号的三个光电探测器前设有成像物镜53、54、55，成像物镜将距离1.3m左右的植被目标成像在光的探测器的光敏面上，在成像物镜和光电探测器中间设置近红外滤光片52、红光滤光片51和蓝光滤光片50。探测器和光学部分通过镜筒连接成一个密闭整体。

仪器上的存储电路能将测量的数据存储在仪器上，用户可以通过RS232串口将数据上传到上位机PC上进行进一步分析和处理。

仪器上的单片机上扩展LCD显示、掉电后数据不丢失的EEPROM存储器、串行A/D转换器、信号调理电路等。

仪器的操作面板跟仪器主体分离，操作面板固定在仪器手柄上，靠近操作者，方便使用。另外，手柄跟仪器主体的连接器具有3个旋转自由度。

该仪器的工作原理如下：利用日光(太阳光)作光源，通过6个光电传感器，在近红外和可见光三个特定波长处，分别对日光入射光和待测植被的冠层反射光进行探测，测得的六个参数，经模拟—数字转换后，由单片机进行处理得到SIPI值，所得结果由液晶显示器(LCD)显示。在本应用中，若仪器测得445nm特征波长处的入射光信号为E₄₄₅、对应波长植被反射光信号为E_R445；680nm特征波长处的入射光信号为E₆₈₀、对应波长植被反射光信号为E_R680；800nm特征波长处的入射光信号为E₈₀₀、对应波长植被反射光信号为E_R800，则有：

$R_{800}=k_{800}\frac{E_{R800}}{E_{800}};$ $R_{680}=k_{680}\frac{E_{R680}}{E_{680}};$ $R_{445}=k_{445}\frac{E_{R445}}{E_{445}}$

式中k₈₀₀、k₆₈₀和k₄₄₅为比例常数(仪器参数)，由仪器的光学***(入射部分和反射部分)、光电传感器及其适配放大器及其电路的特性参数决定。若令k₆₈₀＝k₁k₈₀₀，k₄₄₅＝k₂k₈₀₀就有

$\mathrm{SIPI}=\frac{k_{800}\frac{E_{R800}}{E_{800}}-k_{445}\frac{E_{R445}}{E_{445}}}{k_{800}\frac{E_{R800}}{E_{800}}+k_{680}\frac{E_{R680}}{E_{680}}}=\frac{E_{445}{E}_{R800}-k_2{E}_{R445}{E}_{800}}{E_{445}{E}_{R800}+k_1{E}_{R445}{E}_{800}}---\left(2\right)$

公式(2)表明：只要确定仪器的待定特征常数k₁，k₂就可由六个光电传感器测得的信号求得SIPI值，进而得出作物冠层色素比值。

上述特殊光谱响应特性的光电传感器的作用是测量特定波长的光的能量。从SIPI的计算公式可以看出来，测量SIPI的关键点是求出三个特定波长的能量，三个特征波长的能量的测量是通过光电传感器实现的。光电传感器由窄带干涉滤光片、硅光电传感器及其适配放大器等组成。窄带干涉滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，其只允许中心波长附近通带内的光通过，这就产生了三个特征波长。六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于近红外(0.795—0.805μm)和红光(0.665—0.675μm)波段及蓝光(0.44—0.45μm)，干涉滤光片的带宽应保证在通带内光谱反射率没有明显变化，以保证SIPI的测量精度。六个硅光电传感器与六个窄带干涉滤光片组成三组光电传感器，分别用于近红外、红光和蓝光三个特征波长处入射光和植被的反射光的探测，硅光电传感器在近红外和可见光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照明条件下有足够大信号输出和线性度。三个入射光电传感器安装在仪器的上方，用来测量入射日光的强度；三个反射光电传感器安装在仪器的下方，面向被测植被，用于测量植物反射光的强度。

上述光学***的作用是保证测量的高度和面积。光学***包括入射日光信号传感器前面的毛玻璃、光圈和植被反射光传感器前面的接收物镜。接收物镜的焦距决定了采用的测量高度。光学***和光电传感器通过镜筒固定为一个整体。

上述仪器的待定特征常数k₁，k₂的确定，可通过对在近红外、红光和蓝光三个特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得，参考板的尺寸应与仪器探测范围相符。另外，也可以用地物光谱仪求得反射率来标定。

上述仪器的A/D转换器、存储器、显示器、单片机等部分的作用是将硅光电传感器适配放大电路输出的模拟信号经模拟—数字转换器转换变为数字信号，再由单片计算机按公式(3)计算，求出SIPI值由液晶显示器(LCD)，最后，根据SIPI值与肥水条件线性相关系求出生长状况进行显示。测量数据可以存储在仪器的存储器中，并能通过电平转换电路将数据上传到PC。

附图说明

为了近一步理解本发明的特点和优点，需要参照以下说明及附图。

图1是开花期冠层结构不敏感植被指数与冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值之间和不同品种不同肥水条件的关系；

图2是作物冠层色素比值测量仪的外形结构图；

图3是作物冠层色素比值测量仪的原理框图；

图4是作物冠层色素比值测量仪内部结构示意图；

图5为作物冠层色素比值测量仪电路图。

图6为作物冠层色素比值测量仪电路板元件布局图。

具体实施方式

将作物冠层色素比值测量仪垂直向下距植被冠层1.3米处，其对应地面视场范围为1m×1m，若传感器38接收的太阳光在(0.44—0.45μm)波段的光谱辐射强度为45watts/(m²)，传感器39接收的太阳光在(0.665—0.675μm)波段的光谱辐射强度为90watts/(m²)，传感器40接收的太阳光在(0.795—0.805μm)波段的光谱辐射强度为80watts/(m²)，传感器47接收的植被冠层在(0.44—0.45μm)波段的光谱反射强度为2.25watts/(m²)，传感器48接收的植被冠层在(0.665—0.675μm)波段的光谱反射强度为45watts/(m²)，传感器49接收的植被冠层在(0.665—0.675μm)波段的光谱反射强度为20watts/(m²)，那么由公式(2)可以计算此时植被冠层在蓝光波段的光谱反射率为5％，在红光波段的光谱反射率为50％，在红外光波段的光谱反射率为25％，由公式(1)计算植被冠层的SIPI值为-0.8。然后根据SIPI值跟色素比值的关系，求出表征作物的生长状态的参数。这个参数可以被显示、存储和上传。

使用时应避免身体对太阳光的遮挡，并且建议测量者穿深色衣服，减少衣服反射光对冠层反射光的影响。

下面我们详细说明仪器的实现方法：

图1是开花期冠层结构不敏感植被指数与冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值之间和不同品种不同肥水条件的关系。这个关系是大量光谱试验数据的总结，最终显示的结果就是由这个关系求出的。

图2是便携式作物冠层色素比值测量仪的外形结构图，图中1为445nm入射光传感器，2为670nm入射光传感器，3为800nm入射光传感器，这三个传感器垂直向上，测量日光在三个特征波长处的入射光强度。图中4为仪器电源开关，本仪器采用电池供电。图中5是RS232串口，可以通过串口线跟计算机的串口连接，完成测量数据的上传。图中6为445nm反射光传感器，7为670nm反射光传感器，8为800nm反射光传感器，这三个传感器垂直向下，测量选定植被的冠层在特征波长处的反射光能量。图中9为仪器跟手柄11之间的连接器，它具有3个方向的旋转自由度，用来调整仪器跟手柄的角度和高度。图中10为操作面板，操作面板固定在手柄11上，方便操作人员的操作。操作面板10上有液晶显示器13和操作按键12，液晶显示器显示测量结果，按键用来对仪器进行各种操作。图中14为被测植被，本发明中规定测量面积为1m×1m，测量高度为1.3m。

图3是便携式作物冠层色素比值测量仪的原理框图，图中15为用于测量红外光特征波长处的入射光信号的传感器、16为用于测量红外光特征波长处的植被反射光信号的传感器、17为用于测量红光特征波长处的入射光信号的传感器、18为用于测量红光特征波长处的植被反射光信号的传感器、19为用于测量红光特征波长处的入射光信号的传感器、20为用于测量红光特征波长处的植被反射光信号的传感器、21～26为光电传感器的适配电路、27为带多路模拟开关的A/D(模拟—数字)转换器、28为单片计算机、29为用于显示标识作物生长状况的数值得液晶显示器、30是进行数据存储得存储器、31为数据上传而采用的串口电平转换芯片。

图4是便携式作物冠层色素比值测量仪内部结构示意图，使用时如图所示垂直向下，32、33和34为麿砂玻璃的漫射体，以减小日光入射角对信号幅度造成的影响，在此漫射体下方的35、36和37为相应波长范围(0.795—0.805μm)、(0.665—0.675μm)和(0.44—0.45μm)的窄带干涉滤光片，以滤去其它波长的太阳入射光只让特征波长处的光通过，38、39和40为三个相同的光电传感器，以测量滤光片35、36和37对应的蓝光(0.44—0.45μm)红光(0.665—0.675μm)和近红外光(0.795—0.805μm)特征波长处的太阳光照强度，53、54和55为三个相同的接收物镜，设计视场角(FOV)，使仪器所要求的探测范围(如1m×1m)，在仪器离植被一定距离处(如1.3m)成像在物镜焦平面的硅光电传感器47、48和49的光敏面上，50、51和52为与35、36和37同样的干涉窄带滤光片，位于接收物镜53、54、55和光电传感器47、48、49中间，以产生滤光片50、51、52相应的蓝光(0.44—0.45μm)、红光(0.665—0.675μm)和近红外光(0.795—0.805μm)特征波长处的植被反射光，这样光电传感器47、48和49分别接收植被在蓝光(0.44—0.45μm)、红光(0.665—0.675μm)和近红外光(0.795—0.805μm)光谱范围的反射光，41为1个9伏的普通干电池，它为作物冠层色素比值诊断仪提供能源，42为带多路模拟开关的A/D转换器，它将6个光电传感器的模拟信号转换为数字信号，并输出给单片机43，单片机43接收6个光电传感器获取的蓝光(0.44—0.45μm)、红光(0.665—0.675μm)和近红外光(0.795—0.805μm)特征波长范围的太阳光照强度和植被反射光强，根据公式(3)计算SIPI值，44为显示屏，它显示单片机输出的SIPI值，测量数据可以存储在数据存储器45中，需要的时候可以通过串口46将测量数据传送到上位机PC上。

图5为作物冠层色素比值测量仪电路图，56为串口电平转换电路，核心芯片是美信的MA×232。57为单片机核心电路，包括复位电路、看门狗监控电路、时钟电路等。58为模数转换电路，采用了德州仪器德12位串行精度的AD，接口简单，精度满足要求。59为光电传感器及适配电路，放大电路接成电路放大形式。60为存储器电路，采用了具有IIC总线的EEPROM，断电数据不丢失。61为液晶接口电路，本发明中采用了4位段式液晶，数据接口为串行格式。62为电源电路，本发明中采用7805将电池的9v直流电转换为5v供给***使用。63为按键接口电路。

图6为作物冠层色素比值测量仪电路板元件布局图。图中64为操作按键；65为运算放大器；66为钳位二极管；67为滑动电阻器；68为存储器；69为微控制器：70为液晶显示器接口；71为电平转换器；72复位和看门狗芯片；73为A/D转换器；74为晶振；75为串口。

Claims (5)

1、一种测量作物冠层色素比值的方法，其特征在于：采用日光作为被动光源，在三个特征波长处分别对太阳入射光和被测植被的反射光进行探测，测得太阳入射光和植被反射光在蓝光、红光和近红外三个特征波段的辐射信号强度，所述近红外波段为0.795—0.805μm波段，红光为0.665—0.675μm波段，蓝光波段为0.44—0.45μm，将这六个辐射模拟信号经A/D转换，并由微控制器按冠层结构不敏感植被指数(SIPI)的计算公式机型处理，求出SIPI值，最终计算结果通过液晶显示器显示，另外，对测量结果进行存储和上传；本方法的关键点在于采用干涉滤光片进行滤光以产生本发明中所需的三个特征波长。

2、一种根据权利要求1而设计的作物冠层色素比值测量仪，其特征在于：它包括六个光电探测器(38、39、40、47、48、49)，三个光学镜头(53、54、55)，A/D转换器(42)，单片机(43)，显示器(44)，六个窄带干涉滤光片(35、36、37、50、51、52)；六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为光学特性相同的两个滤光片，它们的中心波长分别位于近红外波段为0.795—0.805μm波段和红光波段为0.665—0.675μm波段及蓝光波段为0.44—0.45μm波段；测量太阳入射光信号的三个光电探测器前分别耦合近红外滤光片(37)、红光滤光片(36)和蓝光滤光片(35)，近红外滤光片(37)、红光滤光片(36)和蓝光滤光片(35)前分别设有漫射体(32、33、34)，以减少日光入射角度的影响；测量植被反射光信号的三个光电探测器前分别设有成像物镜(53、54、55)，成像物镜将距离1.3m左右的植被目标成像在光的探测器光敏面上，在成像物镜和光电探测器中间设置近红外滤光片(52)、红外滤光片(51)和蓝光滤光片(50)，探测器和光学部分通过镜筒连接成一个密闭整体。

3、根据权利要求2所述的作物冠层色素比值测量仪，其特征在于：仪器上的存储电路能将测量的数据存储在仪器上，用户通过RS232串口将数据上传到上位机PC上进行进一步分析和处理。

4、根据权利要求2所述的作物冠层色素比值测量仪，其特征在于：单片机上扩展LCD显示、掉电后数据不丢失的EEPROM存储器、串行A/D转换器、信号调理电路。

5、根据权利要求2所述的作物冠层色素比值测量仪，其特征在于：操作面板根仪器主体分离，操作面板固定在仪器手柄上，靠近操作者，另外，手柄根仪器主体的连接器具有3个旋转自由度。

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