CN102207452A

CN102207452A - 作物冠层光谱指数测量***及方法

Info

Publication number: CN102207452A
Application number: CN 201110059665
Authority: CN
Inventors: 李民赞; 李修华; 张锋; 张彦娥; 郑立华; 李树强
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-10-05

Abstract

本发明公开了一种作物冠层光谱指数测量***与方法，包括：测量子***，由多个相同结构的测量单元组成，用于采集光学信号，测量该光学信号的光强之后进行处理，将处理后得到的数据发送给控制子***，所述光学信号包括作为入射光的太阳光以及所述太阳光在作物冠层的反射光，所述处理包括放大和采样处理；控制子***，用于接收来自测量子***的数据，并利用该数据计算作物冠层的光谱反射率；控制子***还嵌入了作物冠层光谱指数计算模型，根据所述光谱反射率和计算模型来计算植被指数，并且显示和存储计算结果。本发明简化了作物冠层光谱指数测量***的结构，提出了一种新的作物冠层光谱指数计算模型，并简化了测量方法，提高了测量结果的准确度。

Description

作物冠层光谱指数测量***及方法

技术领域

本发明涉及传感技术与光谱测量技术领域，特别涉及一种作物冠层光谱指数测量***及方法。

背景技术

植被长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上，利用作物冠层叶片的反射光谱可以计算多种植被指数，如RVI(Ratio VegetationIndex，比值植被指数)、NDVI(Normalized Differential VegetationIndex，归一化植被指数)、GVI(Greenness Vegetation Index，绿度植被指数等)，估计作物冠层叶片的叶绿素含量或氮素含量，进而判断作物长势。

测量作物的光谱反射率的方法有多种。美国ASD(AnalyticalSpectral Devices)公司生产用于测量地物光谱反射率的系列光谱辐射仪，包括全光谱便携式光谱分析仪(波长范围：350～2500nm)以及手持便携式光谱分析仪(波长范围：300～1100nm)等，这些仪器测量精度和光谱分辨率都很高，但它们的色散元件都是采用全息反射光栅，使得仪器价格昂贵，从几万到几十万不等，非常不适于农业生产的应用。这些仪器的操作也非常复杂，以地物光谱仪为例，研究人员需要背负近10kg的仪器和笔记本电脑在现场进行测量，要想得到相关植被指数，还必须从植被光谱反射率曲线中提取出相关敏感波段的反射率，最后通过特定的计算才能得出。这些造价昂贵、操作不便、分析方法复杂等因素大大限制了这些仪器在农业生产方面的应用。

日本研制的叶绿素计(SPAD-502)是一款应用广泛的便携式仪器，用于田间的作物氮素营养水平诊断及指导施肥。它由发光二极管(light emitting diodes)发射红光(峰值波长大约650nm)和近红外光(峰值大约在940nm)。透过样本叶的发射光到达接收器，将透射光转换成为相似的电信号，经过放大器的放大，然后通过A/D转换器转换为数字信号，微处理器利用这些数字信号计算出一种光谱指数即SPAD值，显示并自动存储。但这款仪器只能测量单一叶片，无法测量冠层，无法对作物长势作综合评价，虽然其属于便携式仪器，操作简便，但也有无法对较大面积农田进行快速测量的缺陷，另外，该仪器仅采用了2个波段，所能检测的光谱指数太少。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：简化作物冠层光谱指数测量装置的结构，增加通道数(波长数)、提出新的冠层光谱指数计算模型，将多个测量装置通过无线通信装置连接形成测量***，提高光谱指数测量范围和农田适用性，并简化测量方法，提高测量结果的准确度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种作物冠层光谱指数测量***，包括：

测量子***，由多个相同结构的测量单元组成，用于采集光学信号，测量该光学信号的光强之后进行处理，将处理后得到的数据发送给控制子***，所述光学信号包括作为入射光的太阳光以及所述太阳光在作物冠层的反射光，所述处理包括放大和采样处理；

控制子***，用于接收来自测量子***的数据，并利用该数据计算作物冠层的光谱反射率，再根据所述光谱反射率和嵌入在控制子***中的用于计算作物冠层光谱指数的模型来计算光谱指数，并且显示和存储计算结果。

其中，所述测量子***的测量单元和测量单元之间通过无线通信***传递数据和指令。

其中，所述测量单元包括传感器，传感器包括上部和下部的共2×N个光学通道，N≥4，其中上部的N个光学通道用于测量太阳光，下部的N个光学通道用于测量作物冠层反射光，每个光学通道包括凸透镜、滤光片、光电探测器以及外壁，所述凸透镜、滤光片和光电探测器均位于所述外壁内。

其中，所述滤光片位于凸透镜和光电探测器之间，所述光电探测器为光电二极管。

其中，测量太阳光的N个光学通道的表面还贴有漫射片。

其中，所述控制子***包括JN5139芯片。

其中，所述传感器还包括依次连接的信号放大电路、A/D采样电路和射频无线发送电路，且所述信号放大电路与所述光电探测器连接。

本发明提供了一种利用所述的***进行作物冠层光谱指数测量的方法，包括以下步骤：

S1、利用所述测量子***采集光学信号，测量该光学信号的光强之后进行处理，将处理后得到的数据发送给控制子***，所述光学信号包括作为入射光的太阳光以及所述太阳光在作物冠层的反射光，所述处理包括放大和采样处理；

S2、利用同一波长通道的反射光光强和太阳光光强之比，计算作物冠层的光谱反射率：

其中，λ＝λ_i，i＝1，......N，N≥4，且为正整数；

S3、根据所述光谱反射率和控制子***内嵌的用于计算作物冠层光谱指数的模型计算光谱指数，并且显示和存储计算结果。

其中，所述模型为：

XVI = a_{0} + Σ_{i = 1}^{N} a_{i} r_{λi}

XVI为光谱指数，a_i表示计算系数，r_λi为第i个波长的光谱反射率。

其中，在4个波段分别采集所述太阳光和反射光，所述4个波段的中心波长分别为550nm、650nm、766nm以及850nm。

(三)有益效果

本发明通过确定合适波段数和各波段中心波长，能够获得多个光谱指数，同时又简化了测量方法和测量仪器；通过***的机械结构的合理设计，方便了滤光片的更换从而便于调整敏感波段；通过合理地设计***的硬件电路，降低了制造成本；通过设置漫射片，消除了或降低了太阳光入射角度对测量结果的影响，提高了测量结果的准确度；通过无线方式连接测量子***与控制子***，结构简单，便于使用；以无线传感器网络的形式可以实现对大田作物的实时、多点测量；将太阳光测量通道独立出来，降低了***的制造成本；通过在控制子***的芯片中嵌入长势预测模型，能够利用光谱指数得到更多的其它数据，从而有利于实时地对特定作物长势及推荐施肥量做出明确判断。

附图说明

图1是本发明实施例的***结构示意图；

图2是本发明实施例的***结构实物图；

图3为传感器的结构框图；

图4为光学通道的部分结构图；

图5中A和B分别是光学通道的凸透镜的侧向图以及外盖的俯视图；

图6中A和B分别是光学通道的滤光片和光电探测器的侧向图以及底座的俯视图；

图7是光电检测器的结构图；

图8是传感器的电路图；

图9是控制子***的硬件结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例的***结构示意图，图2为本发明实施例的***结构实物图(箭头表示无线连接)，由图1、2可知，该***主要由控制子***和测量子***组成。控制子***只包含一个控制器，负责将从各个传感器节点发送过来的数据进行计算、显示、以及存储等。测量子***则包括多个测量单元，每个测量单元包括传感器，传感器包括2×N(N≥4)个光学通道，其中上部的N个光学通道用于测量太阳光，下部的N个光学通道用于测量作物冠层反射光；多个测量单元形成传感网络，负责光学信号的采集、放大、发送，传感器可以在4个光学波段处进行测量，各光谱波段中心波长确定为550nm、650nm、766nm以及850nm。由于本***采用太阳光作为光源，为了获得作物冠层的光谱反射率，除了用传感器对作物冠层反射光进行测量外，还需要用传感器对入射光的各相应波长的光强进行测量。传感器包括上部光学通道和下部光学通道，各4个，上部光学通道用于采集入射光，下部光学通道用于采集反射光。

传感器主要负责光学信号的收集、光电转化以及电信号的处理、放大、采集、发送等工作。图3为1个传感器的结构框图。下面将分别从光学通道、硬件电路方面作详细介绍。

光学通道的设计：

上、下各4个通道分别在相同的波段处对入射光与反射光的光强进行测量，光强用来计算作物冠层的反射率。

为了高效地收集目标范围内的光线，光学通道主要由凸透镜、滤光片、光电探测器以及密闭的机械外壁组成(如图4所示)。凸透镜的直径为12.5mm，焦距也为12.5mm，被放置在光学通道的最外侧以扩大探测的目标范围。滤光片直径大小为12.7mm，峰值透过率75％，半带宽为20nm，将其放在凸透镜与光电探测器之间有效地节省了空间，缩短了光学通道的长度。4个通道内，滤光片的中心波长分别为550nm、650nm、766nm及850nm。光电探测器包括PIN型Si光电二极管，感应面积为3.6*3.6mm²，此光电二极管光谱响应范围为400～1100nm，响应灵敏度最高可达0.5A/W，且速度快，响应频率可高达MHz以上。

由于光学通道的数量比较多，为了更好地满足便携轻便及安装简单等要求，采用了4个光学通道的一体化设计，如图5、6所示。4个光学通道在一个直径为50mm、高度为20mm的圆柱形硬铝胚子中通过车床加工而成。为了方便滤光片的更换，光学通道还包括底座与外盖两部分，结构紧凑，重量轻，二者之间以及底座与传感器外壳之间通过螺母固定，安装简单方便，可以在不打开外壳的情况下拆卸光学通道外盖，进一步方便了滤光片的更换。

由于采用太阳光作为光源，随着时间的推移，太阳光入射角度也将发生很大的变化，为了降低其对测量结果带来的负面影响，上部通道除了包含上述元件外，在各通道的表面还贴了1片漫射片。漫射片的主要作用是将透过它的单一角度入射光变成向四面八方均匀散射的出射光。

硬件电路设计：

传感器的硬件电路还包括依次连接的模拟开关、信号放大电路、A/D采样电路和射频无线发送电路(A/D采样电路和射频无线发送电路嵌入在JN5139主控芯片上)，且所述信号放大电路与所述光电探测器连接。图8为电路图。为了提高光电探测器的响应速度，光电探测器工作时，在其负极增加一个反向偏置电压(例如为3V)，当光线照射至光电二极管的敏感面上时，将会从正极产生一个感应电流I，并通过负载R1转化成电压信号。S1～S4分别代表从4个光学通道内的各个光电探测器出来的电压信号。由于每一路信号都非常微弱，都需要进行放大才能进行下一步的AD采样。如果每一路信号都使用独立的放大与A/D采样电路，将使电路变得庞大、重复、复杂且成本较高。在此，首先采用4选1模拟开关ADG704对需要处理的信号进行选择，将选择出的信号进行放大、采样等，这样实现了对后续的放大、采样电路的分时复用，使电路变得更加紧凑，简洁与实用。ADG704为3V单电源供电，接通电阻低至2.5Ω，开关速度最慢也能达到20ns。放大电路中也采用了3V单电源供电的放大器OPA333，其具有很低的偏置电压(最大10μV)，很低的偏置电流(最大200pA)和超低的功耗(静态电流17μA)，封装小，需要的***元器件少。

传感器具体的工作过程是：通过设置模拟开关依次选择相应的通道，开始进行数据采集。每个通道重复采集10次后求平均值。然后选取下一通道继续采集，当所有通道信号都采集完毕，将传感器的编号及采集的数据通过射频无线发送电路发送至控制子***。

图9为控制子***的硬件结构图，主要包括控制模块MCU(MicroController Unit，多点控制单元)、键盘输入单元、液晶显示模块、U盘模块与电源调理单元。

控制子***包括JN5139无线通信模块，除了都利用了它无线通信的功能外，控制子***主要负责计算、显示和存储数据，所以会更多的用到JN5139的UART接口，通用数字IO口，以及Flash闪存等。

液晶显示模块使用的是LMC128642ZK，它与JN5139通过2根通用数字IO口连接(1根数据线，1根时钟线)，采用串行方式通信。

键盘输入单元采用的是9键矩阵式键盘，主要功能包括复位、存储标准板数据、存储植被数据、改变存储序列号、查看上一条记录、查看下一条记录等。除了复位按键不需要通过软件识别外，其他都是以数字IO口产生中断的方式让***识别并进入相应的子程序。

考虑到该控制子***在此主要与多点传感器网络一起应用，在节点多，测量频率高的情况下，控制子***接收到的数据量也会急速增加，这样一来，JN5139内部集成的128KB Flash将无法满足数据存储的要求，因此该控制子***通过串行接口外接一个U盘模块成功地解决了数据存储的问题，也使数据的存储方式变得更加灵活、便捷与通用。

由于MCU、U盘模块、液晶显示模块等都支持3.3V供电，大大简化了电源调理单元的设计。电源调理单元采用SP6201调节器。它有很高的输出电压精度，误差不超过2％；功耗也非常的低。供电电池采用1300mA·h的扁平锂电池，其容量大、体积小、便于集成，还能反复充电使用。

下面简单介绍一下JN5139芯片。其内嵌了低速率、低功耗同时也是低成本的ZigBee无线通信技术，大部分应用情况下，ZigBee协议采用的是全球通用的2.4GHz的ISM频段，这个频段在中国也是免申请和免使用费的。它的最大传输速率为250Kb/s，非常适合传感器数据采集和控制数据的传输；并且它还具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH性三种网络拓扑结构，网络节点容量最高能达到65535个，具有非常强大的组网优势。

利用本***测量并计算得到的4个波段的光谱反射率，可以计算出多个作物冠层的光谱指数。当在中心波长分别为550nm、650nm、766nm以及850nm的四个波段采集太阳光和反射光时，可以计算得到本发明推荐的光谱指数为：

XVI＝a₀+a₁R₅₅₀+a₂R₆₅₀+a₃R₇₆₆+a₄R₈₅₀

也可以计算已被广泛采用的植被指数，举例如下：。

(1)比值指数1：RV₁＝R₆₅₀/R₇₆₆

(2)比值指数2：RV₂＝R₆₅₀/R₈₅₀

(3)绿比值指数1：GRV₁＝R₅₅₀/R₇₆₆

(4)绿比值指数2：GRV₂＝R₅₅₀/R₈₅₀

(5)归一化差值指数1：

(6)归一化差值指数2：

(7)绿归一化差值指数1：

(8)绿归一化差值指数2：

其中，a_i(i＝1，2，3，4)表示光谱指数计算系数，其可任意设置，R_j(j＝550，650，766，850)表示在波长(550nm，650nm，766nm，850nm)处的反射率。

以上光谱指数只是本***所能测量得到的光谱指数的举例，利用4个波段的作物冠层反射率，可以计算出更多的作物冠层光谱指数。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，所述测量子***的测量单元和测量单元之间通过无线通信***传递数据和指令。

3.如权利要求2所述的作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，所述测量单元包括传感器，传感器包括上部和下部的共2×N个光学通道，N≥4，其中上部的N个光学通道用于测量太阳光，下部的N个光学通道用于测量作物冠层反射光，每个光学通道包括凸透镜、滤光片、光电探测器以及外壁，所述凸透镜、滤光片和光电探测器均位于所述外壁内。

4.如权利要求3所述作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，所述滤光片位于凸透镜和光电探测器之间，所述光电探测器为光电二极管。

5.如权利要求3所述作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，测量太阳光的N个光学通道的表面还贴有漫射片。

6.如权利要求1所述的作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，所述控制子***包括JN5139芯片。

7.如权利要求3所述的作物冠层光谱指数测量***，其特征在于，所述传感器还包括依次连接的信号放大电路、A/D采样电路和射频无线发送电路，且所述信号放大电路与所述光电探测器连接。

8.一种利用权利要求1～7任一项所述的***进行作物冠层光谱指数测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，λ＝λ_i，i＝1，......N，N≥4，且为正整数；

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述模型为：

XVI = a_{0} + Σ_{i = 1}^{N} a_{i} r_{λi}

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在4个波段分别采集所述太阳光和反射光，所述4个波段的中心波长分别为550nm、650nm、766nm以及850nm。