CN104655573A - 一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，包括箱体，以及布置在箱体中的光源和高光谱扫描系统，所述箱体中安装有放置待测植物的转盘，所述光源为发射覆盖待测植物侧表面光线的线光源。本发明的植物侧表面冠层高光谱扫描系统能够一次性准确的获取被测物侧表面的高光谱信息，解决了现有技术仅获得植物顶部冠层光谱信息的不完整性问题，达到了准确，高效，全方位的高光谱信息获取的目的。
Description
技术领域
本发明涉及植物光谱分析领域，尤其涉及一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统。
背景技术
作物长势信息是调控作物生长、监测作物养分诊断、分析和预测作物产量的重要基础和根据。植物冠层叶片的叶绿素、养分和内部各种化学指标等的信息是营养状态的反映和作物长势状况的诊断指标，是对肥水定位、定量管理的决策依据，实时准确地获取这些生长信息是精准农业实现的基础和关键。
实时、精准获取作物冠层的光谱信息是对作物生理研究的一个有效途径。高光谱成像技术能够同时获取被测物的光谱和空间图像信息，可以用来提高对农作物和植被类型的识别能力，还可以用来监测农作物长势和反演农作物的理化特性。
该方法主要利用获取的植物的冠层图像信息和独特的光谱曲线特征，来研究作物的光谱特征与其生理生化特性之间的关系。近些年，作物的高光谱数据在提取作物生理生化特征、提取作物冠层信息、估产以及预测病虫害等许多方面都表现出巨大的应用潜力，这为推农作物生产高效、安全、合理施肥和喷药提供科学依据。例如：申请公布号为CN 103091296 A专利申请提供了一种基于光谱成像技术的植物健康状况检测方法及其装置。
由于现有的高光谱作物冠层扫描大都是置于对被测植物的顶部，然后来获取作物的顶部冠层叶片的光谱反射率。然而植物体的外形只要是锥形和柱形较多，从顶部测量来看，位于植物中部以下的叶片由于被上层叶片所遮住，其光谱信息无法得到，这样使得整株植物个体冠层光谱信息无法完全获取。同时，在植物冠层光谱信息获取过程中，只能得到面向冠层扫描仪的植物光谱信息，而很多的叶片背部信息和其他器官(茎，叶柄等)，其各种指标未能被有效获取，这样降低了植物冠层光谱信息获取的效率。另外，近地的多光谱波段植物冠层扫描仪主要是以获取植物冠层的光谱信息为主，没有将植物在扫描过程中的图像信息考虑其中。
发明内容
针对现有的植物冠层扫描仪的弊端，同时为了能够更加全面的获取被测植物侧表面，从顶端到底部多尺度的冠层光谱和图像信息，设计了一种植物侧表面冠层高光谱扫描系统，可使得待测植物旋转一圈，获得被测植物体侧表面的高光谱图像信息，避免了植物顶部冠层信息获取中出现的盲点和不完整性。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，包括箱体，以及布置在箱体中的光源和高光谱扫描系统，所述箱体中安装有放置待测植物的转盘，所述光源为发射覆盖待测植物侧表面光线的线光源。
其中，所述的线光源通过伸缩调节臂安装在箱体内的支撑杆上，线光源与植物冠层之间的距离可调，为了防止过长的植物的叶片遮住线光源照射植物的光线，伸缩调节光源位置能够克服这种弊端。
优选的，所述伸缩调节臂一端活动套设在支撑杆上，另一端固定有所述的线光源，伸缩调节臂相对支撑杆具有旋转和升降特性，通过旋转可调节线光源的照射角度，升降可用来调节线光源的照射位置，控制线光源的发射光线可覆盖待测植物侧表面。
进一步的，所述的线光源为分布在高光谱扫描系统两侧且对称布置的两组，且该两组线光源具有重叠的照明区域。
两组线光源的照明区域重叠，对称分布能够有效减少单个线光源发出光线强度分布不均所产生的噪音。
本发明中，高光谱扫描系统位于转盘侧面，包括镜头、光谱仪和相机。
其中，所述的相机安装在箱体中的伸缩杆上，伸缩杆一端固定在箱体内，操作伸缩杆以调节镜头到植物冠层的距离，用于相机对焦，以获取清晰的图像信息。
优选的，所述的高光谱扫描系统包括用于测量镜头到植物冠层距离的测距仪，在测得镜头到植物冠层的最小距离后，设置镜头到待测植物最大冠层轨迹的距离，保证相机在植物冠层各位置所获得的图像清晰、不失真。
优选的，所述光源的光线强度为3000-3500Lux。
适当光照强度主要是为了能够让光谱仪获取到合适的光谱反射率，光强过大容易引起曝光而无法准确观测被测物，光强过小导致观测视野亮度低以及光谱仪获取信息准确性差。本发明中的最佳工作条件下光照强度为3000-3500Lux，主要是依据被测物的表面情况，表面越光滑的被测物需要的光强稍低(3000左右)，表面越粗糙被测物需要的光强稍高(3500左右)。
本发明的植物侧表面冠层高光谱扫描系统能够一次性准确的获取被测物侧表面的高光谱信息，解决了现有技术仅获得植物顶部冠层光谱信息的不完整性问题，达到了准确，高效，全方位的高光谱信息获取的目的。
附图说明
图1为本发明中高光谱扫描系统的整体结构示意图；
图2为本发明中高光谱扫描系统的俯视结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，主要包括以下部分：暗箱1，待测植物2，植物种植基质3，载物台4，转盘5，线光源6，线光源调节臂7，线光源支撑杆8，红外测距仪9，镜头10，光谱仪11，相机调节杆12，相机13，待测植物2最大冠层轨迹14，镜头10到待测植物2的铅垂线15。
在整个系统中，由待测植物2、植物种植基质3，载物台4和转盘5构成植物旋转系统，转盘5可以使得待测植物2以某一速度旋转。由线光源6、线光源调节臂7和线光源支撑杆9组成了线光源调节系统，其中线光源6和线光源调节臂7的一端固定，同时线光源6可以沿着线光源调节臂7前后伸缩(如图2中箭头所示)；同时线光源调节臂7的另一端与线光源支撑杆9连接，线光源调节臂7可以沿着线光源支撑杆9上下滑动和转动(如图2中箭头所示)。由红外测距仪9、镜头10、光谱仪11、相机调节杆12和相机13组成了高光谱扫描系统，红外测距仪9和镜头10前段在同一平面。整个植物侧表面冠层高光谱扫描系统安装于暗箱1中。
该旋转扫描式高光谱作物信息获取系统工作过程如下：
1)首先将种植于植物种植基质3中的待测植物2，置于载物台4上，且保证待测植物2垂直中心线与载物台4的中心共线；
2)启动线光源6和红外测距仪9，同时启动装盘5，待转盘5旋转一周后停止，测出镜头10与待测植物2之间的铅垂线距离(待测植物2最大冠层轨迹14与红外测距仪最近距离)；
3)根据所测的距离，开启相机13，为了让相机13获得清晰，不失真的图像，同时调节相机调节杆12，设置镜头10到待测植物最大冠层轨迹14的距离(约为300mm左右)和曝光时间(8ms)；
4)根据植物的冠层高度(通常为10-50cm)，滑动线光源调节臂7在线光源支撑杆8上位置，保证线光源6发射光线完全覆盖待测植物2侧表面的冠层；
5)移动线光源6沿着线光源调节臂7前后伸缩，同时调整线光源调节臂7围绕线光源支撑杆8旋转，使得对称线光源6发射光线交于一条且位于植物侧表面冠层即可，此时线光源6与铅垂线15的夹角约为45°，线光源6到待测植物2的最大冠层轨迹的距离(约为200mm)；
6)调节线光源6发出光线的强度(设为3000-3500Lux)，设定转盘的旋转速度为0.8-2rad/min，待被测植物2旋转一周后，记录下获取的植物侧表面冠层的高光谱图像信息以备后期分析和处理。
Claims (9)
1.一种植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，包括箱体，以及布置在箱体中的光源和高光谱扫描系统，其特征在于，所述箱体中安装有放置待测植物的转盘，所述光源为发射覆盖待测植物侧表面光线的线光源。
2.如权利要求1所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述的线光源通过伸缩调节臂安装在箱体内的支撑杆上。
3.如权利要求2所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述伸缩调节臂的端部活动套设在支撑杆上。
4.如权利要求1所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述的线光源为分布在高光谱扫描系统两侧且对称布置的两组。
5.如权利要求4所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，两组线光源具有重叠的照明区域。
6.如权利要求1所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述的高光谱扫描系统位于转盘侧面，包括镜头、光谱仪和相机。
7.如权利要求6所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述的相机安装在箱体中的伸缩杆上。
8.如权利要求6所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述的高光谱扫描系统包括用于测量镜头到植物冠层距离的测距仪。
9.如权利要求1所述的植物侧表面冠层的高光谱扫描系统，其特征在于，所述光源工作时所需的光线强度为3000-3500Lux。
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