CN102841073A - 一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法 - Google Patents

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吴迪
聂鹏程
何勇
李晓丽
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Abstract

本发明公开了一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，包括以下步骤：(1)利用波长范围为780～950nm的近红外宽带滤光片和波长为650nm的红光滤光片，获取待测植物在同样光强太阳光幅射下的近红外光和红光的反射率；(2)根据公式获取修正系数；其中，K为修正系数，RI为近红外光的反射率，RR为红光的反射率；(3)利用植物冠层信息光谱检测仪获取待测植物的实际检测值；(4)根据公式Ys＝KYv，得到修正后的检测值；其中，Ys为修正后的检测值，Yv为实际检测值；本发明大大提高了植物冠层信息光谱检测方法的检测精度，操作简便，易于实现。

Description

一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法
技术领域
本发明属于植物营养检测领域，尤其涉及一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法。
背景技术
植物叶片生理指标的无损检测主要是指对叶绿素、氮素、水分等的测定，它可以用于实时检测植物的生长发育与健康状态，分析水分和肥力状况，通过检测，不仅可以精确调节肥料和水的供给情况，实现精确施肥，节省资源，减少环境污染，而且可以科学指导栽培工作，以便能够保障栽培植物健康生长和良好发育，提高作物产量。
目前叶片无损检测的方法有图像法和光谱法。图像主要是依靠机器视觉方法获得的植物叶片某些静态或者动态的图像特征，而这些图像特征与植物叶片的生理特征(如植被指数、吸水率等)有着密切的关系，通过建立两者之间的关系，对植物生长状况进行检测。这种方法需要很复杂的硬件系统，不能做到方便携带，最主要的是可检测的参数比较少，模型的精度比较低，因此目前应用得不是很广泛。
利用植物冠层光谱信息进行营养素的测定是目前应用较多的一种方法。植物冠层光谱特征是植物光谱特性与背景土壤光谱特性的综合，随着植物冠层的发育，土壤光谱特性的作用逐渐下降，而在植物衰老时，土壤背景的作用又逐渐增大。一般叶面积指数(LAI)达到3左右时，冠层在可见光和中红外波段的光谱反射率基本稳定，而在近红外波段，LAI达到5～6时光谱反射率才能饱和。由于植物营养状况能影响到叶面积、冠层形态、内在生理特征，而且不同营养元素的影响程度也不一，因此，利用冠层光谱分析可以诊断植物营养状况。
目前，氮素营养对冠层光谱特性影响的研究最为系统和深入。随着氮素营养水平的提高，光谱反射率在可见光和中红外波段降低，而在近红外波段却增加。不同氮素营养水平下的冠层光谱反射率存在着明显差异，经植被指数转换后差异更为显著和稳定，利用冠层光谱测试可以区分作物的氮素营养水平。
植物冠层光谱信息的获取多借助于植物冠层信息光谱检测仪，我们开发了一种基于光谱技术的植物冠层光谱信息检测仪(TOP-2000)，用于植物叶绿素含量、氮素含量以及水分含量的检测。该仪器价格便宜，检测指标较完全，且性能稳定可靠，其工作原理为：向待测植物通过太阳光幅照的方式发射光谱，植物对太阳光中的不同波谱的光线存在不同的吸收情况，根据反射信息得到植物对波长为650nm红光的吸收信息，利用吸收信息转化得出植物氮素和叶绿素含量。在实际的检测过程中，红光部分被植物吸收、反射，还有部分透过植物缝隙照射至地面，被土壤反射；仪器最终接收的反射信息有部分来自土壤背景反射，并非完全来自植物反射，从而导致得到的植物对红光的吸收信息不准确，进而引起检测结果误差较大。
发明内容
本发明提供了一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，解决了土壤背景引起植物冠层信息光谱检测方法误差大、准确率较低的问题。
一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，包括以下步骤：
(1)利用波长范围为780～950nm的近红外宽带滤光片和波长为650nm的红光滤光片，获取待测植物在同样光强太阳光幅射下的近红外光和红光的反射率；
(2)根据公式
Figure BDA00002116731900021
获取修正系数；其中，K为修正系数，RI为近红外光的反射率，RR为红光的反射率；
(3)利用植物冠层信息光谱检测仪获取待测植物的实际检测值；
(4)根据公式Ys＝KYv，得到修正后的检测值；其中，Ys为修正后的检测值，Yv为实际检测值；
植物冠层信息光谱检测仪是利用太阳光作为光源，通过特征波段的滤光片获取特征波段的光反射信号，来进行植物营养素的检测。
植物冠层信息光谱检测仪主要由以下几部分组成：光谱探测头、仪器硬件、信号处理与人机交互系统、检测模型，仪器还涉及传感探头应对环境不确定性进行校正等。
利用植物冠层信息光谱检测仪进行营养素检测时，光谱检测探头正对被检测的植物冠层上方，太阳光辐射在待测植物上，被待测植物吸收后反射光线被检测探头捕获，从而检测出待测植物光谱幅射特征，并通过数学建模实现植物叶面积指数(LAI)、归一化植被指数(NDVI)进行检测、植物养分检测、全氮含量等的快速检测。
植物叶片对太阳光中波长范围为780～950nm的近红外光吸收较弱，此波段的近红外光照射至植物后，部分会穿过植物缝隙照在土壤上，部分直接透过植物缝隙照射至地面，然后被土壤反射。
太阳光中的波长为650nm红光部分被植物吸收、反射，还有部分透过植物缝隙照射至地面，被土壤反射。
由于透过植物缝隙被土壤反射的红光和近红外光反射强度相同，可借助近红外光和红光的反射率之差，来消除被土壤反射的红光对检测结果的影响。本发明通过引入的修正系数，可快速实现对检测结果的修正，消除土壤背景对测量结果的影响。
步骤(3)中，所述实际检测值为叶绿素实际检测值。
步骤(3)中，所述实际检测值为氮素实际检测值。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明消除了土壤背景对于植物冠层信息光谱检测方法的影响，大大提高了氮素和叶绿素的检测精度。
(2)本发明操作简单、易于实现，借助现有的植物冠层信息光谱检测仪，可快速实现氮素和叶绿素的高精度测量，省时省力。
具体实施方式
实施例1～10
选择10棵冠层结构不同的待测植物，分别对每棵待测植物进行如下操作：
(1)利用波长范围为780～950nm的近红外宽带滤光片和波长为650nm的红光滤光片，获取待测植物在同样光强太阳光幅射下的近红外光和红光的反射率；
(2)根据公式
Figure BDA00002116731900041
获取修正系数；其中，K为修正系数，RI为近红外光的反射率，RR为红光的反射率；
(3)利用植物冠层信息光谱检测仪(TOP-2000)获取待测植物的叶绿素实际检测值；
(4)根据公式Ys＝aKYv，得到修正后的叶绿素检测值；其中，Ys为修正后的叶绿素检测值，Yv为叶绿素实际检测值，a为仪器内部校正值。
经过上述操作，将得到的10棵冠层结构不同的待测植物的相关数据列于表1。表中Y为标定仪器测量值。
表1  实施例相关数据表
Figure BDA00002116731900051
其中，Yv、Ys、Y均为叶绿素SPAD值，Y为日本美能达公司生产的SPAD502高精度仪测量值。

Claims (3)

1.一种基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用波长范围为780～950nm的近红外宽带滤光片和波长为650nm的红光滤光片，获取待测植物在同样光强太阳光幅射下的近红外光和红光的反射率；
(2)根据公式
Figure FDA00002116731800011
获取修正系数；其中，K为修正系数，RI为近红外光的反射率，RR为红光的反射率；
(3)利用植物冠层信息光谱检测仪获取待测植物的实际检测值；
(4)根据公式Ys＝KYv，得到修正后的检测值；其中，Ys为修正后的检测值，Yv为实际检测值。
2.如权利要求1所述的基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述实际检测值为叶绿素实际检测值。
3.如权利要求1所述的基于背景消除的植物冠层信息光谱检测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述实际检测值为氮素实际检测值。
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