CN101806734A - 基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器 - Google Patents
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Abstract
基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，它涉及机载植物光谱速测系统。它是由探头(1)、电缆数据线(2)、水平滑动导轨(3)、运动控制器(4)、垂直位置反馈器(5)、垂直滑动引导轨(6)、垂直滑动动力导轨(7)、固定台架(8)、水平位置反馈器(9)、主机(0)组成；速度快、精度高，可以在更短的时间内完成测量任务；自动化，都由仪器完成，无需人工干预，大大提高了工作效率，降低了因环境和人员因素造成的误差；智能保护，有效保护了整个仪器；人机界面友好，人性化设计；主机(0)拥有友好的界面，操作简单可靠。
Description
技术领域：
本发明涉及一种机载植物光谱速测系统，具体是涉及用于机载或手持对田间植物进行速测并推测作物氮素营养情况。
背景技术：
氮素营养在确定自然环境和农业环境下植物光合能力中起到关键作用(Abrol，et al.，1999)，氮素为植物光合作用和生态系统生产力提供重要的支持，是作物的一种最重要的养分。氮是水稻营养三要素中的主要营养元素，它在氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素和酶等物质的生物合成中起到重要的作用。在很多系统中氮素作为有限的资源存在(Field.Et al.，1986，Lee.et al.，1983，Shouichi，et al.，1981)，因此如何进行氮素管理，提高氮素利用率十分有意义。一般的施肥推荐在诊断氮肥施用时没有考虑田间的差异和季节内的动态变化，因为作物生长反映了所有氮素源的全氮供应，所以作物氮素状况是适时诊断作物氮素有效性的较好指示器(V.Balasu-bramanian，et al.，1999)。
植物遥感诊断技术已涉及到各种植物化学成分的估测，并为评价植物长势、估计陆地生物量从理论和实践上提供了可靠的保证(王秀珍，1991)。高光谱遥感技术的出现已使从遥感数据中提取农学参数成为可能。传统的宽波段遥感数据(如MSS、TM)研究植被是由于波段数少、光谱分辨率低，仅限于一般性的红光吸收特征(由于叶绿素等色素的吸收)、近红外反射特征(由于复杂的细胞结构散射)及中红外的水吸收特征的研究。并且利用其计算出的植被指数所能反演的信息量少(浦瑞良等，2000)。而高光谱遥感具有高分辨率、波段多、数据量丰富等特点，它的出现已使从光谱遥感数据中提取农学参数成为可能。
有研究表明各种作物的氮素营养状况和特定波长的反射率之间存在相关性，并且各种反射率比值及植被指数用于监测植物的氮素丰缺(Goel et al.，2003；Ian B，et al.，2002；Serrano et al.，2000；Plant et al.，2000；Lukina et al.，2000；GopalaPillai et al.，1998；Blackmer et al.，1998；Bausch et al.，1996；Ma et al.，1996；Buschmann et al.，1993；Gamon et al.，1992)。光谱监测已经提供了一种自动、快速和非损伤性的植物营养状态监测方法(WangRenchao等，1998)。发明者以水稻为样本，根据大量田间试验和验证构建了冠层比值差值反射光谱植被指数
(分别为冠层在680nm、730nm、765nm三个波段的反射率)，该植被指数在不同生育期与氮肥施用水平之间极显著相关，预测冠层叶片氮素含量取得较为理想的效果。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，它速度快、精度高，可以在更短的时间内完成测量任务；自动化，都由仪器完成，无需人工干预，大大提高了工作效率，降低了因环境和人员因素造成的误差；智能保护，仪器内部设有多重保护，并在非正常条件下可以向中央处理器发出中断请求，有效保护了整个仪器；人机界面友好，人性化设计。主机0拥有友好的界面，操作简单可靠；分体式设计。主机、主机支架、仪器支架、探头均单独为一体，工作完成后可将重要部分带回而无需拆仪器支架。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它是由探头1、电缆数据线2、水平滑动导轨3、运动控制器4、垂直位置反馈器5、垂直滑动引导轨6、垂直滑动动力导轨7、固定台架8、水平位置反馈器9、主机0组成；探头1设置在水平滑动导轨3的右侧，与水平滑动导轨3连接，探头1通过电缆数据线2与主机0连接，运动控制器4设置在水平滑动导轨3的左侧，与水平滑动导轨3可相对滑动连接，垂直位置反馈器5设置在运动控制器4的上方和下方外侧，两个垂直滑动引导轨6与固定台架8相连，垂直滑动动力导轨7与固定台架8相连，
垂直滑动动力导轨7与固定台架8连接时垂直滑动动力导轨7偏向右侧，紧固螺丝偏向左侧，水平位置反馈器9设置在水平滑动导轨3的上方。
所述的探头1是由PVC外壳1-10、光敏电阻1-11、通光孔1-12、光源1-13、工作指示灯1-14、数据电源端口1-15、导轨插孔1-16、通风口1-17组成；光敏电阻1-11设置在通光孔1-12的上方，通光孔1-12设置在光源1-13的上方，工作指示灯1-14设置在数据电源端口1-15的左侧，导轨插孔1-16设置在工作指示灯1-14的下方，通风口1-17设置在光源1-13的左侧。
所述的主机0是由液晶屏数码管显示器0-18、指示灯0-19、键盘0-20、电源开关0-21、主机支架0-22、RS232接口0-23、电源接口0-24、变压器电源0-25、主接口0-26、电源线0-27组成；液晶屏数码管显示器0-18设置在主机0的上方，指示灯0-19设置在液晶屏数码管显示器0-18的下方右侧，键盘0-20设置在指示灯0-19的下方，电源开关0-21设置在键盘0-20的下方的左侧，RS232接口0-23设置在电源开关0-21的右侧，主机支架0-22设置在主机0的下方，电源线0-27设置在主机0的右侧，电源接口0-24与电源线0-27连接，主接口0-26设置在电源线0-27的下方，变压器电源0-25与电源接口0-24连接。
本发明具有以下有益效果：速度快、精度高。只记录三个波长的作物反射光谱，故测试与记录速度可达毫秒级，可以在更短的时间内完成测量任务。算法采用实验室研究结果，保证了精度的同时也兼顾效率。自动化，光源1-13的补足、数据的校正以及数据处理与记录，都由仪器完成，无需人工干预，大大提高了工作效率，降低了因环境和人员因素造成的误差。智能保护，仪器内部设有多重保护，并在非正常条件下可以向中央处理器发出中断请求，有效保护了整个仪器。光源1-13部分设有风扇，可以有效将光源的温度降低。人机界面友好，人性化设计，主机0拥有友好的界面，操作简单可靠。显示屏0-18除传统液晶屏外还采用可自发光的数码管辅助显示，提高了在环境光较强时的对比度。主机有可旋转的自粘支架0-22，方便人员车内操作。电源采用蓄电池，同时也配有开关变压器0-25，方便在室内交换数据、固件刷新及升级算法和数据库等操作。分体式设计，主机0、主机支架0-22、仪器支架、探头1均单独为一体，工作完成后可将重要部分带回而无需拆仪器支架。当只需要数据时只需将主机0带回，接好RS-232线即可传输数据。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明探头的结构示意图；
图3是本发明探头内部进行光线分析的原理示意图；
图4是本发明主机的结构示意图；
图5是本发明的仪器的结构示意图。
具体实施方式：
参看图1，本具体实施方式采用以下技术方案：它是由探头1、电缆数据线2、水平滑动导轨3、运动控制器4、垂直位置反馈器5、垂直滑动引导轨6、垂直滑动动力导轨7、固定台架8、水平位置反馈器9、主机0组成；探头1设置在水平滑动导轨3的右侧，与水平滑动导轨3连接，探头1通过电缆数据线2与主机0连接，运动控制器4设置在水平滑动导轨3的左侧，与水平滑动导轨3可相对滑动连接，垂直位置反馈器5设置在运动控制器4的上方和下方外侧，两个垂直滑动引导轨6与固定台架8相连，垂直滑动动力导轨7与固定台架8相连，运动控制器4可在垂直滑动引导轨6与垂直滑动动力导轨7上滑动，垂直滑动动力导轨7与固定台架8连接时垂直滑动动力导轨7偏向右侧，紧固螺丝偏向左侧，水平位置反馈器9设置在水平滑动导轨3的上方。
参看图2，所述的探头1是由PVC外壳1-10、光敏电阻1-11、通光孔1-12、光源1-13、工作指示灯1-14、数据电源端口1-15、导轨插孔1-16、通风口1-17组成；光敏电阻1-11设置在通光孔1-12的上方，通光孔1-12设置在光源1-13的上方，工作指示灯1-14设置在数据电源端口1-15的左侧，导轨插孔1-16设置在工作指示灯1-14的下方，通风口1-17设置在光源1-13的左侧。
参看图3，光通过针孔3-1到达入射窗3-2，再通过入射窗3-2到达至第一准光透镜3-3，第一准光透镜3-3射至准光镜3-4，准光镜3-4反射至第二准光透镜3-5，第二准光透镜3-5射至双层棱镜3-6，双层棱镜3-6再反射至光栅3-7，光栅3-7反射至反光镜3-8，反光镜3-8反射至透镜3-9，透镜3-9通过出射窗3-10至CCD接收器3-11。
参看图4，所述的主机0是由液晶屏数码管显示器0-18、指示灯0-19、键盘0-20、电源开关0-21、主机支架0-22、RS232接口0-23、电源接口0-24、变压器电源0-25、主接口0-26、电源线0-27组成；液晶屏数码管显示器0-18设置在主机0的上方，指示灯0-19设置在液晶屏数码管显示器0-18的下方右侧，键盘0-20设置在指示灯0-19的下方，电源开关0-21设置在键盘0-20的下方的左侧，RS232接口0-23设置在电源开关0-21的右侧，主机支架0-22设置在主机0的下方，电源线0-27设置在主机0的右侧，电源接口0-24与电源线0-27连接，主接口0-26设置在电源线0-27的下方，变压器电源0-25与电源接口0-24连接。
本具体实施方式中主机0用来控制探测器工作、存储并分析所得数据；探测器用于采集光谱数据，并将数据实时传输给主机0。
工作过程：连接好各部分，将主机0连接的电源接口0-24连接到蓄电池电源上，开启主机0的电源开关0-21，观察指示灯0-19，绿灯亮起则为电源以及探头连接均正常。
机载测量时，将车辆开到作物旁，通过主机0键盘0-20上的探头控制键可以控制探头升降及左右移动(升降范围0～100cm、平移范围20～120cm)，将探头下侧调整到离作物适当距离。
手持测量时，将水平滑动导轨3与运动控制器4分开，携带主机0、探头1、电缆和数据线2、水平滑动导轨3以及电源即可进行测量。
点按键盘0-20上的“开始”键开始一次新的测量以创建一个新的文件来记录数据。将参考白板28置于探头1正下方，按下主机0的“参考”键，主机会记录在680nm、730nm、765nm三个波段的数据η680、η730、η765作为基准数据，数据经A/D(数字到模拟)转换后存储备用。位于探头1上的光敏电阻1-11采集光线强度，将光线强度转换为数字信号后通过数据线2输入到主机0进行分析，由主机0确定是否需要开启光源1-13补足光线。暗光时主机0会发出信号让位于探头2的光源1-13亮起，用来补足光线强度，增加作物的反射光；强光时光源1-13发光会减弱或不发光。
沿作物种植区的边缘低速匀速移动，地面反射的光进入探头1的通光孔1-12，光线经过光学器件校正和色散分离后由CCD接收器接收并积分四个波段的可见光。CCD接收器所得数据经过A/D(数字到模拟)转换并用使用参考白板28所得基准数据进行校正，再经由数据线2输入到主机0。
主机0中的微处理系统会对所得505nm～565nm绿光进行分析，从而推测暴露于探头1下植被所占面积，绿光强度大于阀值即满足测量要求时微处理器会将波长位于680nm、730nm和765nm的冠层反射数据λ680、λ730、λ765记录，使用公式
(k1、k2、k3为仪器误差修正系数)按波段对应计算，然后由
公式得出结论并从液晶屏数码管显示器0-18显示出。
本具体实施方式产生的数据都会被存入仪器内存，并生成数据文件，可在以后通过RS-232接口0-23传送到计算机中进行进一步分析。
Claims (5)
1.基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，其特征在于它是由探头(1)、电缆数据线(2)、水平滑动导轨(3)、运动控制器(4)、垂直位置反馈器(5)、垂直滑动引导轨(6)、垂直滑动动力导轨(7)、固定台架(8)、水平位置反馈器(9)、主机(0)组成；探头(1)设置在水平滑动导轨(3)的右侧，与水平滑动导轨(3)连接，探头(1)通过电缆数据线(2)与主机(0)连接，运动控制器(4)设置在水平滑动导轨(3)的左侧，与水平滑动导轨(3)可相对滑动连接，垂直位置反馈器(5)设置在运动控制器(4)的上方和下方外侧，两个垂直滑动引导轨(6)与固定台架(8)相连，垂直滑动动力导轨(7)与固定台架(8)相连，运动控制器(4)可在垂直滑动引导轨(6)与垂直滑动动力导轨(7)上滑动，垂直滑动动力导轨(7)与固定台架(8)连接时垂直滑动动力导轨(7)偏向右侧，紧固螺丝偏向左侧，水平位置反馈器(9)设置在水平滑动导轨(3)的上方。
2.根据权利要求1所述的基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，其特征在于所述的探头(1)是由PVC外壳(1-10)、光敏电阻(1-11)、通光孔(1-12)、光源(1-13)、工作指示灯(1-14)、数据电源端口(1-15)、导轨插孔(1-16)、通风口(1-17)组成；光敏电阻(1-11)设置在通光孔(1-12)的上方，通光孔(1-12)设置在光源(1-13)的上方，工作指示灯(1-14)设置在数据电源端口(1-15)的左侧，导轨插孔(1-16)设置在工作指示灯(1-14)的下方，通风口(1-17)设置在光源(1-13)的左侧。
3.根据权利要求1所述的基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，其特征在于所述的所述的主机(0)是由液晶屏数码管显示器(0-18)、指示灯(0-19)、键盘(0-20)、电源开关(0-21)、主机支架(0-22)、RS232接口(0-23)、电源接口(0-24)、变压器电源(0-25)、主接口(0-26)、电源线(0-27)组成；液晶屏数码管显示器(0-18)设置在主机(0)的上方，指示灯(0-19)设置在液晶屏数码管显示器(0-18)的下方右侧，键盘(0-20)设置在指示灯(0-19)的下方，电源开关(0-21)设置在键盘(0-20)的下方的左侧，RS232接口(0-23)设置在电源开关(0-21)的右侧，主机支架(0-22)设置在主机(0)的下方，电源线(0-27)设置在主机(0)的右侧，电源接口(0-24)与电源线(0-27)连接，主接口(0-26)设置在电源线(0-27)的下方，变压器电源(0-25)与电源接口(0-24)连接。
4.根据权利要求1所述的基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，其特征在于它的工作过程为：连接好各部分，将主机(0)连接的电源接口(0-24)连接到蓄电池电源上，开启主机(0)的电源开关(0-21)，观察指示灯(0-19)，绿灯亮起则为电源以及探头连接均正常；机载测量时，将车辆开到作物旁，通过主机(0)键盘(0-20)上的探头控制键可以控制探头升降及左右移动(升降范围0～100cm、平移范围20～120cm)，将探头下侧调整到离作物适当距离；手持测量时，将水平滑动导轨(3)与运动控制器(4)分开，携带主机(0)、探头(1)、电缆和数据线(2)、水平滑动导轨(3)以及电源即可进行测量；点按键盘(0-20)上的“开始”键开始一次新的测量以创建一个新的文件来记录数据，将参考白板(28)置于探头(1)正下方，按下主机(0)的“参考”键，主机会记录在680nm、730nm、765nm三个波段的数据η680、η730、η765作为基准数据，数据经A/D(数字到模拟)转换后存储备用，位于探头(1)上的光敏电阻(1-11)采集光线强度，将光线强度转换为数字信号后通过数据线(2)输入到主机(0)进行分析，由主机(0)确定是否需要开启光源(1-13)补足光线，暗光时主机(0)会发出信号让位于探头(2)的光源(1-13)亮起，用来补足光线强度，增加作物的反射光；强光时光源(1-13)发光会减弱或不发光；沿作物种植区的边缘低速匀速移动，地面反射的光进入探头(1)的通光孔(1-12)，光线经过光学器件校正和色散分离后由CCD接收器接收并积分四个波段的可见光，CCD接收器所得数据经过A/D(数字到模拟)转换并用使用参考白板(28)所得基准数据进行校正，再经由数据线(2)输入到主机(0)；主机(0)中的微处理系统会对所得505nm～565nm绿光进行分析，从而推测暴露于探头(1)下植被所占面积，绿光强度大于阀值即满足测量要求时微处理器会将波长位于680nm、730nm和765nm的冠层反射数据λ680、λ730、λ765记录，使用公式
(k1、k2、k3为仪器误差修正系数)按波段对应计算，然后由
公式得出结论并从液晶屏数码管显示器(0-18)显示出。
5.根据权利要求1所述的基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器，其特征在于光通过针孔(3-1)到达入射窗(3-2)，再通过入射窗(3-2)到达至第一准光透镜(3-3)，第一准光透镜(3-3)射至准光镜(3-4)，准光镜(3-4)反射至第二准光透镜(3-5)，第二准光透镜(3-5)射至双层棱镜(3-6)，双层棱镜(3-6)再反射至光栅(3-7)，光栅(3-7)反射至反光镜(3-8)，反光镜(3-8)反射至透镜(3-9)，透镜(3-9)通过出射窗(3-10)至CCD接收器(3-11)。
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| CN200910266161A CN101806734A (zh) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | 基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器 |
Publications (1)
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ID=42608625
Family Applications (1)
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| CN200910266161A Pending CN101806734A (zh) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | 基于冠层光谱的作物氮素营养诊断方法及仪器 |
Country Status (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103398695A (zh) * | 2013-08-06 | 2013-11-20 | 南京农业大学 | 一种应用于冠层反射光谱测量的测距系统及其方法 |
| CN107219226A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-09-29 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 图像采集装置及增强植被指数监测系统 |
| CN107976921A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-05-01 | 中国农业大学 | 一种施肥装置及方法 |
-
2009
- 2009-12-30 CN CN200910266161A patent/CN101806734A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103398695A (zh) * | 2013-08-06 | 2013-11-20 | 南京农业大学 | 一种应用于冠层反射光谱测量的测距系统及其方法 |
| CN107219226A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-09-29 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 图像采集装置及增强植被指数监测系统 |
| CN107976921A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-05-01 | 中国农业大学 | 一种施肥装置及方法 |
| CN107976921B (zh) * | 2017-11-01 | 2019-08-02 | 中国农业大学 | 一种施肥装置及方法 |
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