CN103293113A - 一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法，属于几何光学和农业信息无损检测领域。主动光源为双通道窄带LED光源，采用光路参数可调的特殊结构，可根据测量需要实现主动光源照射特征参数的改变，以满足不同尺度冠层的光谱反射测量；测量系统光路结构能保证双通道反射光谱响应值在测量高度变化时保持恒值比例关系，使NDVI，RVI等比值型光谱指数的测量值理论上不随测量高度发生改变。

Description

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于主动光源的作物冠层反射光谱无损检测装置光路系统的结构设计，属于几何光学技术设计领域，但其具备特殊应用领域的特殊特征，尤其是其聚光的形式、检测单元的组合形式和结构形式，体现出农业信息无损检测领域的特证，具体地说是一种能将窄带LED主动光汇集成具有特殊几何特征、适合作物冠层检测的带状光，并将冠层反射光转换成便于检测的光电信号的光学检测机构。结合作物生长信息模型，测量值可以转化为各种作物生长指标，实现对作物生长信息的诊断，可在作物营养状况诊断和精确农业变量施肥领域应用，是当前现代化农业迫切需要的农业信息装备。

背景技术

目前，利用作物冠层漫反射光谱获取作物生长信息是农业信息领域的重要研究方向，国内外学者对漫反射光谱和相关作物生长信息之间的机理关系已经有了十分深入和广泛的研究，大量研究表明：利用冠层光谱分析技术可以有效实现作物生长特征和植株营养状况的动态监测，其中差值植被指数、归一化植被指数和比值植被指数等光谱指数被广泛应用于植物叶面积指数、干物质生产、叶片氮含量和氮积累量、叶片碳氮比和产量估测，相比于传统的物理和生化方法研究作物的营养状况，冠层光谱分析技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等突出优点，是农业信息化领域迫切需要的技术手段。但将冠层光谱反射信息和作物生长信息之间的机理关系进行工程化实现并应用于田间实时测量和实时指导农业生产是目前的薄弱环节，基本处于研究阶段和试用化阶段，尚未在实际农业生产中得到有效的应用。

采用冠层反射光谱传感技术（Ground-based Canopy Reflectance Sensing）来获取作物的生长信息指标是当前该领域研究的热点和重要手段，该类技术的实现形式主要有两种：被动光源式和主动光源式。被动光源式测量仪器利用太阳光作为检测光源，其最大的局限性是其使用受到太阳光照强度、太阳入射角等因素的影响，其测量值也会因自然光环境的变化而变化，一般需要在晴好天气且具有较大太阳角时使用，阴雨天则无法使用。主动光源式仪器自带能发射特定波长的光源，光源的发光经过高频调制，能消除外部光环境的影响，可以在任何天气条件和自然光照条件下使用，主动光源式仪器是目前的主流形式。

发明内容

本发明的目的在于实现基于主动光源的冠层反射光谱的测量，提出一种一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法，利用该结构可以实现主动光源的光路参数可调，以适应对不同尺度冠层反射光谱的测量，测量原理上保证不同波段反射光谱响应值之间的恒值比例关系，使NDVI，RVI等比值型光谱指数的测量值理论上不随测量高度发生改变（测量对象不变时），增强了测量装置的可操作性。

本发明的技术方案是：

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，它包括光路系统安装基座、LED安装定位器、柱面镜安装架和柱面镜构成的光路发射单元，以及至少一组由光谱检测光路安装孔、平凸透镜、滤光片和光电敏感器件构成的光路检测单元，其中滤光片的类型与LED发光阵列的波长匹配；所述的光路系统安装基座上设置有平行的光谱检测光路安装孔和光带整形槽，平凸透镜安装在光谱检测光路安装孔内，LED安装定位器设置在光路系统安装基座背面的定位器安装槽上，该LED安装定位器为板状结构，内置若干个用于安装LED发光阵列的LED安装孔，柱面镜安装架嵌入设置在光路系统基座正面的光带整形槽的下方槽内，柱面镜设置在柱面镜安装架上；所述的光谱检测光路安装孔内平凸透镜的后端依次设置滤光片和光电敏感器件，所述的光电敏感器件输出电压信号供给后级处理设备。

本发明的光路系统安装基座和光带整形槽之间夹装调节垫片，通过夹装不同厚度的调节垫片能够调节光路系统的结构参数。

本发明的LED安装孔为具有一定倾角的斜孔；LED发光阵列通过LED安装孔安装在光路系统安装基座上。

本发明的光路检测单元为两组，能够接收对应的波长LED发光阵列的光信号；各组光路检测单元的滤光片与对应LED发光阵列的波长匹配。

本发明的光电敏感器件为光电池。

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量方法，应用一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，它包括计算冠层反射率R_λ的步骤；

（A-1）、安装光路发射和检测单元，测量安装基座与作物冠层的高度H，安装波长为λ的LED发光阵列，采用光路检测单元获取对冠层反射光的响应值即光电敏感器件输出的电压信号，经过I/V转换和滤波处理后，得到LED发光阵列对冠层照射的反射光响应电压值L_cλ-H；

（A-2）、将作物替换为标准白板，采用步骤（A-1）的光路检测单元获取对标准白板反射的响应值，即光电敏感器件输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值L_Wλ-H；

（A-3）、采用下述公式求取作物冠层反射率R_λ，

本发明还包括计算比值型光谱指数的步骤：

（B-1）、按照权利要求1所述的装置安装光路发射和检测单元，测量安装基座与作物冠层的高度H，安装两种波长的LED发光阵列，波长分别为λ₁和λ₂，分别开启波长为λ₁和λ₂的发光阵列，采用两组光路检测单元分两次进行检测，获取对应波长为λ₁和λ₂的两检测通道对冠层反射光的响应值即两光电敏感器件输出的电压信号，分别经过I/V转换和滤波处理后，得到电压值

和 $L_{{\mathrm{c\λ}}_2-H}$ ；

（B-2）、将作物替换为标准白板，采用步骤（B-1）的光路检测单元获取对标准白板反射的响应值，即两光电敏感器件输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值

和

；

（B-3）、计算标准白板光谱响应比值系数

该值是一个定值，不随高度Ｈ变化而变化；

（B-4）、采用下述公式求取比值型光谱指数归一化植被指数NDVI和比值植被指数RVI：

$\mathrm{NDVI}=\frac{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}-C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}}{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}+C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}};$ $\mathrm{RVI}=\frac{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}}{C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}}.$

本发明的有益效果：

本发明主动光源的光路参数可调，通过改变主动光源的发射角或增减发射光带的数量的方法，在不改变测量高度的情况下改变测量光带的几何尺寸，适应不同尺度冠层反射光谱的测量，提高了系统的信噪比、灵活性和适应性。

本发明光路系统的结构设计保证了检测光路对不同波段反射光谱具有相同的入射率，使反射光谱响应值之间保持恒值比例关系，NDVI，RVI等比值型光谱指数的测量值理论上不随测量高度发生改变，增强了测量装置的可操作性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的光路系统安装基座正面视图

图3是本发明的光路系统安装基座背面视图

图4是本发明的LED安装定位器

图5是本发明的光路系统总装图

其中：1、光谱检测光路安装孔；2、光带整形槽；3、定位器安装槽；4、LED安装定位器；5、平凸透镜；6、柱面镜；7、柱面镜安装架；8、调节垫片；9、光路系统安装基座；10、滤光片；11、光电敏感器件；12、LED发光阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明作进一步的说明。

（1）光路系统的具体实施方案

光路系统整体由安装基座（如图2，3）、调节垫片（如图5）、柱面镜安装架（如图5）、LED安装定位器（如图4）和光学器件构成（光学器件包括LED发光阵列12、柱面镜、平凸透镜、滤光片10和光学敏感器件），调节垫片和柱面镜安装架组合后可以从下方嵌入安装基座内，并通过螺栓组装在一起，LED安装定位器可以将LED阵列安装在安装基座上，安装后LED阵列与光带整形槽对齐，安装后的整体外形图如图5所示。

光路系统之主动光源光路系统包括双波段窄带LED陈列（中心波长分别取730nm和810nm为例），光带整形槽、柱面镜安装架、调节垫片和柱面镜组成（柱面镜长度80mm，宽度20mm，焦距30mm），可投射成长方形的测量光带。

光路系统之光谱检测光路系统包含两套结构一样的检测光路（如图2，3），结构上包含圆形平凸透镜（直径12.7mm，焦距15mm）、滤光片10和光电池组成，光电池的尺寸需要综合考虑光路系统光学参数，使光电池的检测范围至少覆盖整个主动光源的照射区域，本测量装置采用的光电池的敏感区域尺寸为20mm×10mm。两套检测光路的滤光片10中心波长不同（中心波长分别为810nm和730nm），分别完成各自中心波长的反射光透射采集，两套光谱检测光路位于条形主动光源的同侧，并相对于条形主动光源长度方向中点对称布置，光路平凸透镜光学中心连线与主动光源条形光长度方向平行。

（2）主动光源光路参数可调节实施方案

LED安装定位器中的安装孔为具有一定倾角的斜孔，斜孔倾角可以改变LED发光光源长度方向发射角，柱面镜安装架和调节垫片组合可以调节LED发光光源宽度方向的发射角，本发明中长度方向发射角调节范围为25°～40°，宽度方向发射角调节范围0°～4.5°，主动光源总体包括3路结构相同平行布置的光路系统（如图5结构所示），3路光源可以单独或组合点亮。

（3）冠层反射率及比值型光谱指数的获取方法

反射率的获取方法：

反射率的获取需要首先确定测量装置安装基座与作物冠层之间的高度H，然后按照公式（1）计算：

$R_{\mathrm{\λ}}=\frac{L_{\mathrm{c\λ}-H}}{L_{\mathrm{W\λ}-H}}---\left(1\right)$

其中

R_λ：冠层反射率（中心波长为λ）。

L_cλ-H：采用光路检测单元获取对冠层反射的响应值，即光电敏感器件11输出信号经过I/V转换和高通滤波处理后的电压值。

L_Wλ-H：采用光路检测单元获取对标准白板反射的响应值，即光电敏感器件11输出信号经过I/V转换和高通滤波处理后的电压值。

比值型光谱指数NDVI和RVI的获取方法：

比值型光谱指数的获取，只需预先测定出测量装置对标准白板反射的比值系数C_W，便可以根据测量装置实时测量得到的作物冠层反射响应值和C_W值计算出NDVI和RVI，而与测量的高度H无关。

比值系数C_W可以通过将测量装置固定在一个任意高度（40cm—120cm），通过获取测量装置在该高度下对标准白板的响应值计算出C_W的值，C_W可表示为：当高度H变化时，C_W值将保持不变。

NDVI可按式（2）计算，RVI可按式（3）计算。

$\mathrm{NDVI}=\frac{L_{c810-H}-C_W\·L_{c730-H}}{L_{c810-H}+C_W\·L_{c730-H}}---\left(2\right)$

$\mathrm{RVI}=\frac{L_{c810-H}}{C_W\·L_{c730-H}}---\left(3\right)$

其中相关的参数含义描述如下：

L_c810-H：当测量装置安装基座与作物冠层之间的高度为H时，光路检测单元中对应810nm检测通道的光电敏感器件11输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值；将作物冠层替换为标准白板时获得的相应值为L_w810-H。

L_c730-H：当测量装置安装基座与作物冠层之间的高度为H时，表示光路检测单元中对应730nm检测通道的光电敏感器件11输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值；将作物冠层替换为标准白板时获得的相应值为L_w730-H。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是它包括光路系统安装基座（9）、LED安装定位器（4）、柱面镜安装架（7）和柱面镜（6）构成的光路发射单元，以及至少一组由光谱检测光路安装孔（1）、平凸透镜（5）、滤光片（10）和光电敏感器件（11）构成的光路检测单元，其中滤光片（10）的类型与LED发光阵列（12）的波长匹配；所述的光路系统安装基座（9）上设置有平行的光谱检测光路安装孔（1）和光带整形槽（2），平凸透镜（5）安装在光谱检测光路安装孔（1）内，LED安装定位器（4）设置在光路系统安装基座（9）背面的定位器安装槽（3）上，该LED安装定位器（4）为板状结构，内置若干个用于安装LED发光阵列（12）的LED安装孔（4），柱面镜安装架（7）嵌入设置在光路系统基座（9）正面的光带整形槽（2）的下方槽内，柱面镜（6）设置在柱面镜安装架（7）上；所述的光谱检测光路安装孔（1）内平凸透镜（5）的后端依次设置滤光片（10）和光电敏感器件（11），所述的光电敏感器件（11）输出电压信号供给后级处理设备。

2.根据权利要求1所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是所述的光路系统安装基座（9）和光带整形槽（2）之间夹装调节垫片（8），通过夹装不同厚度的调节垫片（8）能够调节光路系统的结构参数。

3.根据权利要求1所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是所述LED安装孔（4）为具有一定倾角的斜孔；LED发光阵列（12）通过LED安装孔（4）安装在光路系统安装基座（9）上。

4.根据权利要求1所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是所述光路检测单元为两组，能够接收对应的波长LED发光阵列（12）的光信号；各组光路检测单元的滤光片（10）与对应LED发光阵列（12）的波长匹配。

5.根据权利要求1所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是所述光电敏感器件（11）为光电池。

6.一种主动光源式作物冠层反射光谱测量方法，应用权利要求1所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，其特征是它包括计算冠层反射率R_λ的步骤；

（A-1）、按照权利要求1所述的装置安装光路发射和检测单元，测量安装基座（9）与作物冠层的高度H，安装波长为λ的LED发光阵列（12），采用光路检测单元获取对冠层反射光的响应值即光电敏感器件（11）输出的电压信号，经过I/V转换和滤波处理后，得到LED发光阵列（12）对冠层照射的反射光响应电压值L_cλ-H；

（A-2）、将作物替换为标准白板，采用步骤（A-1）的光路检测单元获取对标准白板反射的响应值，即光电敏感器件（11）输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值L_Wλ-H；

（A-3）、采用下述公式求取作物冠层反射率R_λ，

7.根据权利要求6所述的一种主动光源式作物冠层反射光谱测量方法，其特征是它还包括计算比值型光谱指数的步骤：

（B-1）、按照权利要求1所述的装置安装光路发射和检测单元，测量安装基座（9）与作物冠层的高度H，安装两种波长的LED发光阵列（12），波长分别为λ₁和λ₂，分别开启波长为λ₁和λ₂的发光阵列，采用两组光路检测单元分两次进行检测，获取对应波长为λ₁和λ₂的两检测通道对冠层反射光的响应值即两光电敏感器件（11）输出的电压信号，分别经过I/V转换和滤波处理后，得到电压值

和

；

（B-2）、将作物替换为标准白板，采用步骤（B-1）的光路检测单元获取对标准白板反射的响应值，即两光电敏感器件（11）输出信号经过I/V转换和滤波处理后的电压值

和；

（B-3）、计算标准白板光谱响应比值系数该值是一个定值，不随高度Ｈ变化而变化；

（B-4）、采用下述公式求取比值型光谱指数归一化植被指数NDVI和比值植被指数RVI：

$\mathrm{NDVI}=\frac{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}-C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}}{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}+C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}};$ $\mathrm{RVI}=\frac{L_{c{\mathrm{\λ}}_1-H}}{C_W\·L_{c{\mathrm{\λ}}_2-H}}.$

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