CN103900974A - 一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器，其方法是利用交替发射固定调制频率的一组红光和近红外光作为发射光源；然后通过两个光电探测器在红光和近红外光两个特征波长处，分别对发射光和植被的反射光进行探测，并将发射和接收的红光及近红外光交替转换为四个发射和接收的电信号；接着电信号经过A/D转换器转换，并由单片机按归一化植被差异指数NDVI的计算公式处理，最终求出NDVI值，并输出结果到液晶显示器显示出来。本发明能快速、方便、精确地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，对指导氮肥使用有着重要作用。

Description

一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器

技术领域

本发明涉及光学仪器的技术领域，尤其是指一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器。

背景技术

施用氮肥是农作物增产的重要手段，在植物体内，氮是蛋白质、核酸和叶绿素的重要成分，关系着植物体的细胞增长和新细胞形成，植物缺氮时，叶片中的叶绿素含量低下，叶色浅绿，光合作用也随之减弱，从而使碳水化合物的合成量减少，导致植物生长缓慢，植株矮小。但植物吸收氮过多时，常常表现为组织柔软，叶色浓绿，茎叶徒长，贪青迟熟，易倒状，并易遭病虫危害，最终也会造成减产。由于植被的含氮量与叶片色泽密切相关，根据对不同含氮量植被光谱反射率曲线特性的分析，发现可由某些波长的反射率分析得到植被的含氮量。

目前，常采用地物光谱仪进行NDVI的测量，该测量方法视场角较小、对日光照明条件有较高要求，而且设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，所以难以推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种合理可靠的测量归一化植被差异指数的方法及仪器，能快速、方便、精确地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，对指导氮肥使用有着重要作用。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其测量归一化植被差异指数的方法是首先利用交替发射固定调制频率的一组红光和近红外光作为发射光源；然后通过两个光电探测器在红光和近红外光两个特征波长处，分别对发射光和植被的反射光进行探测，并将发射和接收的红光及近红外光交替转换为四个发射和接收的电信号；接着电信号经过A/D转换器转换，并由单片机按归一化植被差异指数NDVI的计算公式处理，最终求出NDVI值，并输出结果到液晶显示器显示出来。

所述归一化植被差异指数NDVI的计算公式如下：

$\mathrm{NDVI}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}-{\mathrm{\ρ}}_R}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}+{\mathrm{\ρ}}_R}$

${\mathrm{\ρ}}_R={K_R}^{\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R}}$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}={K_{\mathrm{IR}}}^{\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}}$

式中，ρ_R为红外光特征波长处的植被反射率，ρ_IR为红光特征波长处的植被反射率，E_R为红光特征波长处的入射光信号，E_RR为对应波长植被反射光信号，E_IR为红外光特征波长处的入射光信号，E_IRR为对应波长植被反射光信号，K_R和K_IR为比例常数，若令K_IR＝kK_R，则有：

$\mathrm{NDVI}=\frac{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}-k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}+k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}$

其中，k为待定特征常数，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得。

本发明所述测量归一化植被差异指数的仪器，它包括有发射光源、光电探测器、A/D转换器、单片机、液晶显示器、带通滤光片、截止滤光片；其中，所述光电探测器有两个对置摆放，并面向目标植被，该两个光电探测器均连接有适配电路，用于对其输出的信号进行特定频率解调和带通滤波；其中一个光电探测器用于测量发射端红光和近红外光特征波长处的光信号，并配置有一光学镜头，用于减少外界日光对信号幅度的影响；另一个光电探测器用于测量反射端红光和近红外光特征波长处的植被反射光信号，其前面设置有一成像物镜，可将距离1-1.5m处的目标植被成像在该光电探测器的光敏面上，同时，该光电探测器和成像物镜之间设置有一带通滤光片和一截止滤光片，该带通滤光片和截止滤光片组成一组透镜，获得中心波长分别位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两端的红光0.65-0.68μm波段到近红外光0.77-0.86μm波段的光；所述两个光电探测器的适配电路分别与A/D转换器连接，所述发射光源、A/D转换器、液晶显示器分别与单片机连接。

它还包括有遮光体，用于减少红光和近红外光发射端对接收端信号幅度的影响。

它还包括有调制时钟产生电路和电源产生电路。

所述发射光源为一组由特定频率调制并交替发射红光和近红外光的发光二极管。

所述A/D转换器为带多路模拟开关的A/D转换器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明能快速、方便地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，再根据在不同生长时期作物对氮肥的需求量实施变量施肥，对指导氮肥使用有着重要作用；

2、特定特征常数k的确定，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得，事实上由于红光和近红外光均通过相同的电路转换进行计算，因而k近似为1；该本发明方法降低了仪器特征常数带来的系统误差，由于只需要两个光电探测器，该方法还精简了光电转换电路，降低了成本；

3、本发明对日光环境要求低、消除了仪器系统误差、精度高、视场角大、结构简单、重量轻、使用方便、成本低、适合于大批量生产。

附图说明

图1为本发明所述仪器的原理框图。

图2为本发明所述仪器的结构示意图。

图3为植被光谱反射率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的测量归一化植被差异指数的方法，是首先利用交替发射固定调制频率的一组红光和近红外光作为发射光源；然后通过两个光电探测器在红光和近红外光两个特征波长处，分别对发射光和植被的反射光进行探测，并将发射和接收的红光及近红外光交替转换为四个发射和接收的电信号；接着电信号经过A/D转换器转换，并由单片机按归一化植被差异指数NDVI的计算公式处理，最终求出NDVI值，并输出结果到液晶显示器显示出来。

所述归一化植被差异指数NDVI的计算公式如下：

$\mathrm{NDVI}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}-{\mathrm{\ρ}}_R}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}+{\mathrm{\ρ}}_R}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_R={K_R}^{\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}={K_{\mathrm{IR}}}^{\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}}---\left(3\right)$

式中，ρ_R为红外光特征波长处的植被反射率，ρ_IR为红光特征波长处的植被反射率，E_R为红光特征波长处的入射光信号，E_RR为对应波长植被反射光信号，E_IR为红外光特征波长处的入射光信号，E_IRR为对应波长植被反射光信号；K_R和K_IR为比例常数，若令K_IR＝kK_R，则有：

$\mathrm{NDVI}=\frac{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}-k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}+k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}---\left(4\right)$

其中，k为待定特征常数，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得，事实上由于红光和近红外光均通过相同的电路转换进行计算，因而k近似为1。

公式（4）表明：只要确定待定特征常数为k，就可由两个光电探测器测得的信号求得NDVI。

以下为实现上述方法而设计的仪器，如图1和图2所示，它包括有发射光源13，两个光电探测器1、2，A/D转换器3，单片机4，液晶显示器5，带通滤光片6，截止滤光7，用于减少红光和近红外光发射端对接收端信号幅度造成影响的遮光体8，调制时钟产生电路和电源产生电路。其中，所述发射光源13为一组由特定频率调制并交替发射红光和近红外光的发光二极管。所述两个光电探测器1、2对置摆放，测量时需面向目标植被，该两个光电探测器1、2均连接有一适配电路，为图2中的9、10，用于对各自输出的信号进行特定频率解调和带通滤波。所述光电探测器1用于测量发射端红光和近红外光特征波长处的光信号，并配置有一光学镜头11，用于减少外界日光对信号幅度的影响。所述光电探测器2用于测量反射端红光和近红外光特征波长处的植被反射光信号，其前面设置有一成像物镜12，可将距离1-1.5m处的目标植被成像在该光电探测器2的硅光电二极管的光敏面上，硅光电二极管在近红外和红光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照明条件下有足够大信号输出和线性度。此外，所述光电探测器2和成像物镜12之间设置有相应波长范围（大于650nm、小于860nm）的一带通滤光片6和一截止滤光片7，以滤去其他波长的太阳入射光，该带通涉滤光片6只允许0.65μm以上波长的光通过，该截止滤光片7则只允许0.86μm以下波长的光通过，该带通滤光片6和截止滤光片7组成一组透镜，获得中心波长分别位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两端的红光（0.65-0.68μm）波段到近红外光（0.77-0.86μm）波段的光，红光波段为植被叶绿体峰值吸收区域，滤光片的带宽应保证在通带内光谱反射率没有明显变化，以保证NDVI的测量精度。本仪器可通过光学镜头11、成像物镜12来设计视场角（FOV），使仪器达到要求的探测范围（如1m×1m）。所述两个光电探测器1、2的适配电路9、10分别与A/D转换器3连接，所述发射光源13、A/D转换器3、液晶显示器5分别与单片机4连接，所述A/D转换器3为带多路模拟开关的A/D转换器，它将两个光电探测器1、2的模拟信号转换为数字信号，并输出给单片机4，单片机4交替接收两个光电探测器1、2获取的红光（650-680nm）和近红外光（770-860nm）特征波长范围的光照强度和植被反射光强，根据归一化植被差异指数（NDVI）的计算公式计算NDVI值，液晶显示器5显示单片机4输出的NDVI值。

如图3所示，所述植被光谱反射率曲线可由地物光谱仪测得，图中A为叶绿体吸收峰区域，B为水吸收峰区域，C为红光特征波长，D为近红外光特征波长，在这两特征波长处的植被光谱反射率与植被含氮量密切相关。

将本实施例所述仪器垂直向下距离植被冠层1.2米处，其对应地面视场范围为1m×1m，若光电探测器1接收的发射端红光在650-680nm波段的光谱辐射强度为45watts/m2，同时接收的发射端近红外光光在770-860nm波段的光谱辐射强度为90watts/m2，光电探测器2接收的植被冠层在红光650-680nm红光波段的光谱反射强度为2.25watts/m²，同时接收的植被冠层在770-860nm近红外波段的光谱反射强度为45watts/m²，那么由公式（2）和公式（3）可以计算此时植被冠层在红光波段的光谱反射率为5%，在近红外波段的光谱反射率为50%，由公式（1）计算植被冠层的NDVI值为0.818。

在采用以上方案后，本发明能有效克服现在技术存在的缺点，能快速、方便地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，然后再根据在不同生长时期作物对氮肥的需求量实施变量施肥，对指导氮肥使用有着重要作用。这相比现有技术，本发明具有对日光环境要求低、消除了仪器系统误差、精度高、视场角大、使用方便、成本低、可操作性强、适用性广、结果可信等优点，具有很好的市场前景，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种测量归一化植被差异指数的方法，其特征在于：首先利用交替发射固定调制频率的一组红光和近红外光作为发射光源；然后通过两个光电探测器在红光和近红外光两个特征波长处，分别对发射光和植被的反射光进行探测，并将发射和接收的红光及近红外光交替转换为四个发射和接收的电信号；接着电信号经过A/D转换器转换，并由单片机按归一化植被差异指数NDVI的计算公式处理，最终求出NDVI值，并输出结果到液晶显示器显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种测量归一化植被差异指数的方法，其特征在于，所述归一化植被差异指数NDVI的计算公式如下：

$\mathrm{NDVI}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}-{\mathrm{\ρ}}_R}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}+{\mathrm{\ρ}}_R}$

${\mathrm{\ρ}}_R={K_R}^{\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R}}$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{IR}}={K_{\mathrm{IR}}}^{\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}}$

式中，ρ_R为红外光特征波长处的植被反射率，ρ_IR为红光特征波长处的植被反射率，E_R为红光特征波长处的入射光信号，E_RR为对应波长植被反射光信号，E_IR为红外光特征波长处的入射光信号，E_IRR为对应波长植被反射光信号，K_R和_KIR为比例常数，若令K_IR＝kK_R，则有：

$\mathrm{NDVI}=\frac{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}-k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}+k{E}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}$

其中，k为待定特征常数，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得。

3.一种能够实现权利要求1所述测量归一化植被差异指数的方法的仪器，其特征在于：它包括有发射光源、光电探测器、A/D转换器、单片机、液晶显示器、带通滤光片、截止滤光片；其中，所述光电探测器有两个对置摆放，并面向目标植被，该两个光电探测器均连接有适配电路，用于对其输出的信号进行特定频率解调和带通滤波；其中一个光电探测器用于测量发射端红光和近红外光特征波长处的光信号，并配置有一光学镜头，用于减少外界日光对信号幅度的影响；另一个光电探测器用于测量反射端红光和近红外光特征波长处的植被反射光信号，其前面设置有一成像物镜，可将距离1-1.5m处的目标植被成像在该光电探测器的光敏面上，同时，该光电探测器和成像物镜之间设置有一带通滤光片和一截止滤光片，该带通滤光片和截止滤光片组成一组透镜，获得中心波长分别位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两端的红光0.65-0.68μm波段到近红外光0.77-0.86μm波段的光；所述两个光电探测器的适配电路分别与A/D转换器连接，所述发射光源、A/D转换器、液晶显示器分别与单片机连接。

4.根据权利要求3所述的一种测量归一化植被差异指数的仪器，其特征在于：它还包括有遮光体，用于减少红光和近红外光发射端对接收端信号幅度的影响。

5.根据权利要求3所述的一种测量归一化植被差异指数的仪器，其特征在于：它还包括有调制时钟产生电路和电源产生电路。

6.根据权利要求3所述的一种测量归一化植被差异指数的仪器，其特征在于：所述发射光源为一组由特定频率调制并交替发射红光和近红外光的发光二极管。

7.根据权利要求3所述的一种测量归一化植被差异指数的仪器，其特征在于：所述A/D转换器为带多路模拟开关的A/D转换器。

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