CN102498383A - 用于确定植物的植被指数值的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定植物的植被指数值(REIP)的测量装置，具有多个光发射元件，所述光发射元件中的每一个主要发射一个规定波长的单色光，具有光接收元件，所述光接收元件接收由植物反射的光发射元件的光并且生成显示各所接收光的强度的信号，以及具有控制装置，所述控制装置以循环顺序依次控制所述光发射元件，从光接收元件的输出信号中求得各反射光的强度以及从所求得的整个测量周期的强度中计算植被指数值。根据本发明，设置光频率转换器作为光接收装置。

Description

用于确定植物的植被指数值的测量装置
技术领域
本发明涉及用于根据权利要求1前序部分确定植物植被指数值(REIP)的测量装置。
背景技术
例如US 2006/0208171A1公开了一种该类测量装置。该公开的测量装置用于确定植物的植被指数值；特别是通过该公开的测量装置得到所谓的“REIP”-植被指数值(“红边拐点”)。该类植物测量的作用在于，可以将获得的测量值用作计算植物最重要的特征值，即在REIP-植被指数中首先是用作计算所测量植物的瞬时氮含量；通过计算出的氮含量可以给相应的田地制定适合的施肥计划；在现实中例如已有相应的GPS-支持的施肥系统投入使用，其采用计算出的氮值用于优化的、在面积上更精准的肥料投放。
已知的植被指数测量基于图3所示出的植物的光线吸收以及反射行为：植物具有相应的吸收特定波长的光(即＜700nm)以及反射较长波长光(即＞800nm)的普遍特征。如从图3中可以看到，植物的叶吸收蓝色、绿色和红色的光成分，同时植物的细胞结构和水含量导致在开始的红外区域的吸收通过陡峭的边缘(红边)过渡到反射。
研究证明，红边的过渡区域(“红边拐点”-REIP)可以用来确定植物的叶绿素含量以及氮含量。即存在图4所示出的植物的REIP和其氮含量间的关系，其中Guyot和Baret(1988)指出每次通过四个不同波长的测量足够确定氮含量。
因此在前面提到的US 2006/0208171A1中建议设置四个形式为发光二极管(LED)的光发射元件用于测量REIP值以得到氮含量，其中每个主要发射规定波长的位于REIP-区域内的单色光线(这意味着位于660和780nm的区域内)；控制装置以循环顺序依次控制这四个发光二极管；其中每个反射光强度由光传感器元件的输出信号计算出并且通过计算出的整个测量周期的强度最终计算出瞬时存在的植被指数值或REIP值。
在所述公开的测量装置中光传感器元件采用光电二极管，其模拟的且被强烈噪声干扰的输出数据必须经过复杂地整理(相位探测)，并且之后还需要引入模拟/数字转换用于进一步的计算。研究指出，可达到的测量精确度深受此影响；此外因为额外需要的相位探测器以及模拟/数字转换器产生的硬件成本相对较高。
发明内容
本发明的任务在于，根据权利要求1的前序部分进一步构造用于确定植物的植被指数值或REIP值的测量装置，从而可以减少硬件成本但仍改善测量精度。
该任务根据本发明通过权利要求1的特征部分给出的方法得以解决。
本发明因此建议设置光频率转换器用作光接收元件。该类光频率转换器具有非常小的固有噪声，这样测量精度就相对较高。除此之外，计算转换器输出频率边缘间的持续时间就足以用于计算光强度，这不需要具有微处理器的额外组件。以此硬件成本就被限制在相对更经济的光频率转换器，这样按照本发明的电路技术成本就非常小。
根据权利要求2给出的有优势的本发明的进一步构造，还设置有电流控制装置(LED-C)，其控制流入每个光发射元件的电流并且其(在工厂侧，werkseitig)被平衡，使得每个光发射元件在与光频率转换器中给定的白色面相距给定距离处产生相同的输出信号。研究表明，每个环境光的波动都能以此被完全补偿。以此例如US 7408145B2建议的复杂的环境光补偿能被完全去除。根据本发明的测量装置的制造成本因此能进一步减少。
其他的从属权利要求涉及本发明其他有益的构造。
附图说明
下面将结合附图以及对本发明的具体实施例的描述进一步描述本发明。其中：
图1示出了本发明实施方式的框图；
图2示意性地示出了本发明的典型应用；
图3示意性地示出了植物吸收/反射行为的描述；
图4示出了植物REIP和氮含量间的关系；以及
图5示出了用于夜间照明植物的灯泡的光谱。
具体实施方式
根据图1，示意性用1代表的测量装置由例如可以是市面常见的微处理器的中央控制装置MC、提供频率测量所需时间基础(实施例中40MHZ)的振荡器或振荡回路OSZ、用于发光二极管LED1至LED4的电流控制模块LED-C、以及例如型号可以是TSL 230R的光/频率转换器L/F组成。除了用于这里不进一步描述的普遍用途的接口IO2外，还设置另一个形式为串行接口并生成蓝牙信号的接口IO1。
4个发光二极管LED1至LED2生成波长各不相同的光，即发光二极管LED1的光为670nm，LED2的光为700nm，LED3的光为740nm以及LED4的光为780nm；每个所述发光二极管发出的光的半值宽度在20和30nm之间。为了排除所述发光二极管供电电源造成的亮度波动，输入其中的电流会通过电流控制模块LED-C的晶体管被控制。各个发光二极管的电流控制被平衡，使得其经过光/频率转换器L/F转换后在与光线的给定白色面相距给定距离处生成相同的输出频率。通过所述的白平衡保证了，不论发光二极管的串行控制还是光/频率转换器的谱样敏感度都被平衡。白平衡还使得放弃测量环境光成为可能。环境光将通过植被指数REIP平衡并且不必被测量或计算。
根据图1还设置有发出绿色光(优选具有585nm的波长)的第五发光二极管LEDG。通过该第五发光二极管LEDG能够得到位于早期培育场(Versorgungsstadien)的生物的信息，此时土地还可见。此处计算出的发光二极管LEDG的亮度值会从LED1(670nm)的值中去除。计算出的差值越小，就有越多的植物相对于土地位于传感器之下。
最后还存在通过脉宽调制电路PWM由控制装置MC控制的灯泡GL。借助于该灯泡在黄昏或夜晚时也能得到正确的测量值。该灯泡GL被设计为它至少照亮发光二极管指向的区域。
根据本发明的测量装置如下工作：中央控制装置通过电流控制模块LED-C先后各控制发光二极管LED1至LED4预先确定的持续时间或周期以实行一个测量周期。其中所述周期的长度安排为光频率转换器L/F生成一个输出脉冲。
首先发光二极管LED1被开启给定的时长，使得图1示意性示出的植物被波长670nm的光照射；从植物反射回的光线被光/频率转换器L/F接收并且中央控制装置MC从光/频率转换器L/F输出信号的边缘间的时长中计算出对应于波长670nm的光强度P1，其为该波长反射度的标尺。然后该计算出的光强度P1被储存。之后发光二极管LED2至LED4也会被开启给定的时长，以从相应的光频率转换器L/F输出信号的边缘中计算和存储对于波长700nm、740nm和780nm的各个强度值P2至P4。
在结束这样一个测量周期之后所有四个对应光强度P1至P4的测量值被存在中央控制装置MC中；所述的值被代入下面的公式：
REIP＝λ2+(λ3-λ2)((P1+P4)/2-P2)/(P3-P2)
其中如所述那样，值P1至P4表示相应的LED1至LED4反射光线的各个测量强度以及λ1、λ2、λ3或λ4各表示其特定波长(即值670、700、740和780nm)。
该公式计算出的REIP值为在相应测量周期中被发光二极管照射到的植物的氮含量的直接尺度。
根据图1，通过接口IO1发送说明所计算的植被指数REIP值或相应的氮含量值的信号。该信号会被具有软件构成的施肥系统的计算机PC接收；该施肥系统具有计算每公顷面积所需氮量的能力，从而可以例如适当地控制肥料散布器。除此之外可以通过GPS-传感器计算在相应的位置测量出的氮含量，以实行相应的绘图或文件记录。
前面描述的测量周期在通过所有四个发光二极管和计算REIP值之后会持续反复，这样依靠测量装置的运动速度可以实现所有被采样植物的氮含量的接近完全的采集。
当环境亮度因为黄昏或夜晚作业不足够时，控制装置MC通过脉宽调制控制电路PWM控制灯泡GL，使得灯泡的亮度随着黑暗的加深成比例提高。
使用该类灯泡有下述原因：植物通常有两个互不相干工作的光合系统；两个光合系统中的一个尤其工作在680nm的情况下，而另一个工作在700nm。当只用单色光按顺序照射植物时，两个光合系统会因为所谓的Emerson-效应不能以最佳状态工作。因此吸收值会相应改变，从而计算出的黑暗中的REIP值也会与各个日间值不一致。相对的根据本发明设置的灯泡照射出具有图5所示光谱的光线，即包括较大的波长区域。这意味着灯泡GL在黑暗中也能以让其以最佳状态工作的方式照射植物的两个光合系统。以此在黑暗中也能达到日间的测量值。当光频率转换器不再被环境光足够地照射时，控制装置MC通过脉宽调制控制电路PWM控制灯泡GL以使得不低于最低环境光水平。灯泡GL在日间关闭，在黄昏开始微弱照射并在黑暗中具有最大发光强度。
按照图2根据本发明的测量装置例如能以双重形式固定于拖拉机上。采集或计算的数据通过接口IO1的蓝牙连接传输至拖拉机。这样就不需要进入拖拉机驾驶室的电线连接。拖拉机中的PC能分析根据本发明的传感器中计算的数据。这里数据配有GPS-位置并且例如被在线显示。PC中存放有植物种植知识和收益表(Ertragskarte)。因此肥料散布器可以由PC恰当的控制。

Claims (10)

1.一种用于确定植物的植被指数值(REIP)的测量装置，具有：
多个光发射元件(LED1至LED4)，所述光发射元件中每一个发射一规定波长的基本上单色的光，
光接收元件(L/F)，所述光接收元件接收由植物反射的光发射元件的光并且生成显示各自所接收光的强度的信号，以及
控制装置(MC)，所述控制装置以循环顺序依次控制所述光发射元件，由光接收元件(L/F)的输出信号求得各自的反射光的强度以及由整个测量周期的所求得的强度计算植被指数值(REIP)，其特征在于，
所述光接收元件为光频率转换器(L/F)。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，具有电流控制装置(LED-C)，所述电流控制装置控制流入每个光发射元件的电流并且所述电流控制装置被平衡为使得每个光发射元件在与光频率转换器(L/R)中给定的白色面相距给定距离处产生相同的输出信号。
3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，设置四个分别发射波长为670nm(λ1)，700nm(λ2)，740nm(λ3)或者780nm(λ4)的光线的发光二极管(LED1-LED4)作为光发射元件，其中所发射的光的半值宽度优选在20nm和30nm之间。
4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述控制装置(MC)按照下述公式计算REIP值(“红边拐点”)作为植被指数：
REIP＝λ2+(λ3-λ2)((P1+P4)/2-P2)/(P3-P2)
其中值P1至P4分别表示相应发光二极管(LED1至LED4)的反射光的所测得的强度。
5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述控制装置(MC)使用REIP值作为所测量植物的氮含量(N)的尺度。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述控制装置(MC)将所求得的氮含量优选通过蓝牙接口(IO1)传输至移动的、优选有GPS支持的施肥系统(DS)。
7.如权利要求1至6之一所述的测量装置，其特征在于，具有照明装置(GL，PWM)，所述照明装置发射多个波长的光并且其光强由所述控制装置(MC)以和环境亮度成反比的方式控制。
8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述照明装置为灯泡(GL)。
9.如权利要求7或8所述的测量装置，其特征在于，所述照明装置(GL)被设计为其至少照亮发光二极管指向的区域。
10.如权利要求3至9之一所述的测量装置，其特征在于，具有附加的发光二极管(LEDG)，所述附加的发光二极管发射绿色光，其中所述控制装置(MC)通过从波长为670nm的发光二极管的测量值减去所述附加的发光二极管的测量值而得到植物植被和土地面积的关系。
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