CN104849219B - 一种作物氮素营养诊断仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作物氮素营养诊断仪，它包括作物冠层信息测量模块、移动终端、远程服务器；远程服务器具有固定IP地址，用于接收移动终端通过GPRS传输的测量数据；作物冠层信息测量模块由微控制器、太阳光强探测器，冠层反射光探测器、锂电池电源模块和蓝牙模块组成；微控制器包括两个IIC接口、六个模拟I/O接口、一个数字I/O接口、一个连接蓝牙模块的串行通信接口；微控制器通过一个数字I/O接口连接并控制锂电池电源模块。诊断方法分为5个步骤。本发明可快速、无损测量作物植株氮浓度、生物量、氮素营养指数信息，给出测量点经纬度、作物氮素营养缺乏等级及施肥建议，对于作物的精准氮肥管理，提高肥料利用率，减小环境污染，具有重要意义。

Description

一种作物氮素营养诊断仪及方法

技术领域

本发明涉及一种营养诊断仪及方法，尤其涉及一种作物氮素营养诊断仪及方法；属于植被遥感测试技术领域。

背景技术

氮素是作物生长发育所必须的重要营养元素。为保证产量，农民往往向田间施入过量氮肥；氮肥滥施，不但降低农民收益，而且会造成环境污染。因此，迫切需要快速、无损获取作物氮素营养状况，根据作物自身的氮肥需求，精准定量的施用氮肥。

目前关于作物氮素营养状态快速测试的仪器大体可分为两类：一类通过测量透射光来实现；另一类通过测量反射光来实现。对于前一种仪器，测量时仪器夹住叶片，一面发射入射光，另一面接收透过叶片的光，根据叶绿素对光的吸收来判定作物氮素营养状况，相关仪器有SPAD等。这类仪器由于其测定的对象是单叶片的某个部位，这一部位能否反映整个叶片，而被测定的叶片能否又能反映整个冠层？往往受到诟病。如果测定多个叶片、多个植株求平均，无疑增加了工作量，违背了快速测定的目的。对于后一种测量反射光的仪器，测量时将传感器置于冠层上方，通过获取某些波长光的反射率信息来计算特定光谱指数，利用光谱指数实现作物氮素营养状况的判定。归一化植被指数(Normalized DifferenceVegetation Index,NDVI)通常被用来设计这类仪器，如Geekseeker等。这类仪器的优点是其测定的对象是作物冠层，能快速反映某区域作物整体的长势状况。但已有仪器基于NDVI类光谱指数设计，将NDVI类光谱指数直接与作物氮素营养水平相联系。一方面,这类光谱指数测量的是作物绿度，引起作物绿度变化的因素有很多(比如：播种密度、土壤水分条件、土壤养分条件等)，是不是由氮素缺乏引起难以确定；另一方面,NDVI在中、高植被密度条件下容易“饱和”，测量精度会大大受到影响。因此，需要设计新的作物氮素营养诊断仪以克服以上缺陷。

基于近年农学家提出的利用临界氮浓度曲线开展作物氮素营养测试的理论，本发明设计新的测试作物植株氮浓度的光谱指数和新的测试生物量的光谱指数，耦合临界氮浓度曲线，实现作物氮素营养指数的估测，并基于氮素营养指数设计氮素营养亏缺等级划分标准与对应施肥量，最终构建实现该过程的仪器产品。

发明内容

为了解决上述问题中的不足之处，本发明提供一种便携式的作物氮素营养诊断仪，以实现对作物氮素营养状态的准确探测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种作物氮素营养诊断仪，它包括作物冠层信息测量模块、移动终端、远程服务器；远程服务器具有固定IP地址，用于接收移动终端通过GPRS传输的测量数据；

作物冠层信息测量模块由微控制器、太阳光强探测器，冠层反射光探测器、锂电池电源模块和蓝牙模块组成；

微控制器包括两个IIC接口、六个模拟I/O接口、一个数字I/O接口、一个连接蓝牙模块的串行通信接口；微控制器通过数字I/O接口连接并控制锂电池电源模块；

太阳光强探测器包括余弦校正片、六个太阳光强探测器滤光片和六个光电传感器；余弦校正片位于太阳光强探测器滤光片的上端；六个具有不同中心波长的滤光片紧密排列成排；光电传感器位于滤光片的下方；光电传感器均通过IIC接口连接到微控制器的两个IIC接口上。上述的余弦校正片、滤光片及光电传感器通过太阳光强传感器装配体进行固定；

冠层反射光探测器包括六个菲涅尔透镜、六个具有不同中心波长的冠层反射光探测器滤光片和六个硅探测器；冠层反射光探测器滤光片位于菲涅尔透镜的下方；硅探测器均安装于六个菲涅尔透镜的焦点处；上述的菲涅尔透镜、滤光片及硅探测器通过冠层反射光探测器装配体进行固定；硅探测器均通过模拟I/O接口连接到微控制器的模拟I/O接口上；

移动终端包括蓝牙模块、GPRS模块和核心板，移动终端通过蓝牙模块获取作物冠层信息测量模块的信息，经过核心板处理后，可通过GPRS模块发送到远程服务器。

诊断方法分为如下步骤：

(1)、利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、720nm、750nm波段反射率计算光谱指数NCI1和NCI2，估测作物植株氮浓度N，计算公式为1-3；

NCI1＝(R₇₂₀-R₇₀₀)/(R₇₀₀-R₆₈₀)/(R₇₂₀-R₆₈₀+0.03) 1

NCI2＝[(R₇₀₀-R₆₈₀-0.2(R₇₀₀-R₅₅₀))(R₇₀₀/R₆₈₀)]/[1.5(1.2(R₇₅₀-R₅₅₀)-2.5(R₆₈₀-R₅₅₀))/sqrt((2R₇₅₀+1)²-(6R₇₅₀-5sqrt(R₆₈₀))-0.5)] 2

N＝0.5f₁(NCI1)+0.5f₂(NCI2) 3

利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、730nm、750nm波段反射率计算BI，估测作物冠层生物量B，计算公式为4-5；

BI＝(100(R₇₅₀-R₇₃₀)-10(R₇₅₀-R₅₅₀))sqrt(R₇₀₀/R₆₈₀) 4

B＝f₃(BI) 5

R_i代表在i波段的反射率；f₁表示基于光谱指数NCI1反演植株氮浓度的模型；f₂表示基于光谱指数NCI2反演植株氮浓度的模型；f₃表示基于光谱指数BI反演生物量的模型；

(2)、根据估测的生物量B，结合临界氮浓度曲线计算测定时作物临界氮浓度；

(3)、根据步骤2中的作物临界氮浓度与估测的作物实际氮浓度，计算氮素营养指数；

(4)、根据设计的基于氮素营养指数的氮素营养状态划分标准，结合估测的氮素营养指数，分析作物氮素营养状态；

(5)、根据作物氮素营养状态与生育期，给出小麦或玉米作物的建议施肥量。

本发明可快速、无损测量作物植株氮浓度、生物量、氮素营养指数信息，给出测量点经纬度、作物氮素营养缺乏等级，及施肥建议，对于作物的精准氮肥管理，提高肥料利用率，减小环境污染，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构示意图。

图2为本发明的快速诊断方法的流程框图。

图3是本发明的运行系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明包括：

作物冠层信息测量模块：以固定的时间间隔实时采集作物冠层在6个特征波段(中心波长分别为550，680，700，720，730，750nm)的光强反射率信息，并通过蓝牙进行实时输出；

移动终端：具有蓝牙和远程无线通信接口，运行营养测试程序，可通过蓝牙接口实时接收作物冠层信息测量模块的光强反射率信息并进行处理，具有显示、存储及远程无线传输功能，特别的本移动终端为运行Android操作系统的手机或者平板电脑，具有蓝牙和GPRS通信功能，移动终端可打开数据远程服务，通过GPRS实时传输测量数据，该测量数据包括时间、经纬度信息、相关氮素营养信息；

远程服务器：与移动终端通信，可远程接收移动终端的测量数据，并完成显示、存储；远程服务器具有固定IP地址，可以接收移动终端通过GPRS传输的测量数据；

其中，作物冠层信息测量模块由微控制器1、太阳光强探测器，冠层反射光探测器、锂电池电源模块2和蓝牙模块组成；

微控制器1包括两个IIC接口4、六个模拟I/O接口5、一个数字I/O接口12、一个连接蓝牙模块3的串行通信接口6；微控制器1通过一个数字I/O接口12连接并控制锂电池电源模块2。

太阳光强探测器包括余弦校正片7、六个太阳光强探测器滤光片8和六个光电传感器9；余弦校正片7位于太阳光强探测器滤光片8的上端；六个具有不同中心波长的滤光片紧密排列成2排；光电传感器位于滤光片的下方；光电传感器均通过IIC接口连接到微控制器的两个IIC接口上。上述的余弦校正片、滤光片及光电传感器通过太阳光强传感器装配体进行固定。

冠层反射光探测器包括六个菲涅尔透镜10、六个具有不同中心波长的冠层反射光探测器滤光片8和六个硅探测器11；冠层反射光探测器滤光片8位于菲涅尔透镜10的下方；硅探测器11均安装于六个菲涅尔透镜10的焦点处；上述的菲涅尔透镜、滤光片及硅探测器通过冠层反射光探测器装配体进行固定；硅探测器11均通过模拟I/O接口连接到微控制器的模拟I/O接口上；

移动终端包括蓝牙模块、GPRS模块和核心板，移动终端通过蓝牙模块获取作物冠层信息测量模块的信息，经过核心板处理后，可通过GPRS模块发送到远程服务器。

如图1-图3所示，本发明的诊断方法，其步骤如下：

1、利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、720nm、750nm波段反射率计算光谱指数NCI1和NCI2，估测作物植株氮浓度N，计算公式为公式1-公式3；

利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、730nm、750nm波段反射率计算BI，估测作物冠层生物量B，计算公式为公式4-公式5。

2、根据估测的生物量B，结合临界氮浓度曲线计算测定时作物临界氮浓度；

3、根据步骤2中的作物临界氮浓度与估测的作物实际氮浓度，计算氮素营养指数；

4、根据设计的基于氮素营养指数的氮素营养状态划分标准(如表1)，结合估测的氮素营养指数，分析作物氮素营养状态；

5、根据作物氮素营养状态与生育期，给出建议施肥量(目前，限于小麦、玉米两种作物)。

NCI1＝(R₇₂₀-R₇₀₀)/(R₇₀₀-R₆₈₀)/(R₇₂₀-R₆₈₀+0.03) 1

NCI2＝[(R₇₀₀-R₆₈₀-0.2(R₇₀₀-R₅₅₀))(R₇₀₀/R₆₈₀)]/[1.5(1.2(R₇₅₀-R₅₅₀)-2.5(R₆₈₀-R₅₅₀))/sqrt((2R₇₅₀+1)²-(6R₇₅₀-5sqrt(R₆₈₀))-0.5)] 2

N＝0.5f₁(NCI1)+0.5f₂(NCI2) 3

BI＝(100(R₇₅₀-R₇₃₀)-10(R₇₅₀-R₅₅₀))sqrt(R₇₀₀/R₆₈₀) 4

B＝f₃(BI) 5

R_i代表在i波段的反射率；f₁表示基于光谱指数NCI1反演植株氮浓度的模型；f₂表示基于光谱指数NCI2反演植株氮浓度的模型；f₃表示基于光谱指数BI反演生物量的模型；

表1 作物氮素营养状态划分标准

如图1所示，作物冠层信息测量单元，以固定的时间间隔实时采集作物冠层在6个特征波段(中心波长分别为550，680，700，720，730，750nm)的反射率信息，并通过蓝牙进行实时输出到接收端。

如图3所示，运行系统安装在接收端，能逐层引导用户进行相应参数设计，完成数据的测定与显示。开机后，用户可选择进入数据测量模块还是进入数据传输模块。如果选择数据传输模块，接收端将与服务器相连，把数据传输到服务器。如果选择测量模块，提供用户不同作物类型的选择(包括小麦、玉米、其它作物)，用户选择特定作物，进入下一步设置。下一步用于设定植株氮浓度的测定模型、生物量的测定模型和临界氮浓度曲线模型，用户可依次设置。对于植株氮浓度、生物量的测定方法，提供默认模型和用户模型两种选择。如果选择默认模型，则根据仪器本身存储的模型(申请者经过大量试验获得的模型)来计算；如果选择用户模型，则提供线性、指数、幂函数、对数模型等四种模型，供用户设计自己的模型及参数。对于临界氮浓度曲线模型，同样提供默认模型和用户模型两种选择。如果选择默认模型，则根据仪器本身存储的模型(申请者经过大量试验获得的模型)来计算；如果选用户模型，则提供幂函数模型(研究表明生物量与对应临界氮浓度呈幂函数关系)，来供用户设定相应的参数。各种模型设定好后，仪器进入待机测量阶段，通过按键盘的测量按钮，启动测量，结果呈现状态为测量点经纬度信息、测量时间、植株氮浓度数据、生物量数据、氮素营养指数数据、氮素营养状态信息、建议施肥量(目前仅针对小麦、玉米)。

本发明能够基于模型计算的氮素营养指数值分析给出作物氮素营养缺乏等级，并能提供参考施肥策略：

仪器能够利用公式1-公式5等反演的植株氮浓度、生物量信息，基于存储的默认玉米、小麦等不同作物临界氮浓度曲线或用户自行设计的临界氮浓度曲线，计算氮素营养指数，并按照申请者经过大量试验而确定的标准，将作物氮素营养状态表达为不同的等级，并给出施肥建议。

Claims (2)

1.一种作物氮素营养诊断仪，其特征在于：它包括作物冠层信息测量模块、移动终端、远程服务器；远程服务器具有固定IP地址，用于接收移动终端通过GPRS传输的测量数据；

所述作物冠层信息测量模块由微控制器(1)、太阳光强探测器，冠层反射光探测器、锂电池电源模块(2)和蓝牙模块组成；

所述微控制器(1)包括两个IIC接口(4)、六个模拟I/O接口(5)、一个数字I/O接口(12)、一个连接蓝牙模块(3)的串行通信接口(6)；微控制器(1)通过数字I/O接口(12)连接并控制锂电池电源模块(2)；

所述太阳光强探测器包括余弦校正片(7)、六个太阳光强探测器滤光片(8)和六个光电传感器(9)；余弦校正片(7)位于太阳光强探测器滤光片(8)的上端；六个具有不同中心波长的滤光片紧密排列成2排；光电传感器位于滤光片的下方；光电传感器均通过IIC接口连接到微控制器的两个IIC接口上；上述的余弦校正片、滤光片及光电传感器通过太阳光强传感器装配体进行固定；

所述冠层反射光探测器包括六个菲涅尔透镜(10)、六个具有不同中心波长的冠层反射光探测器滤光片(8)和六个硅探测器(11)；冠层反射光探测器滤光片(8)位于菲涅尔透镜(10)的下方；硅探测器(11)均安装于六个菲涅尔透镜(10)的焦点处；上述的菲涅尔透镜、滤光片及硅探测器通过冠层反射光探测器装配体进行固定；硅探测器(11)均通过模拟I/O接口连接到微控制器的模拟I/O接口上；

所述移动终端包括蓝牙模块、GPRS模块、GPS模块和核心板，移动终端通过蓝牙模块获取作物冠层信息测量模块的信息，经过核心板处理后，可连同时间及位置信息通过GPRS模块发送到远程服务器。

2.根据权利要求1所述的作物氮素营养诊断仪，其特征在于：诊断方法分为如下步骤：

(1)、利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、720nm、750nm波段反射率计算光谱指数NCI1和NCI2，估测作物植株氮浓度N，计算公式为1-3；

NCI1＝(R₇₂₀-R₇₀₀)/(R₇₀₀-R₆₈₀)/(R₇₂₀-R₆₈₀+0.03) 1

NCI2＝[(R₇₀₀-R₆₈₀-0.2(R₇₀₀-R₅₅₀))(R₇₀₀/R₆₈₀)]/[1.5(1.2(R₇₅₀-R₅₅₀)-2.5(R₆₈₀-R₅₅₀))/sqrt((2R₇₅₀+1)²-(6R₇₅₀-5sqrt(R₆₈₀))-0.5)] 2

N＝0.5f₁(NCI1)+0.5f₂(NCI2) 3

利用作物冠层信息测量模块测定的550nm、680nm、700nm、730nm、750nm波段反射率计算BI，估测作物冠层生物量B，计算公式为4-5；

BI＝(100(R₇₅₀-R₇₃₀)-10(R₇₅₀-R₅₅₀))sqrt(R₇₀₀/R₆₈₀) 4

B＝f₃(BI) 5

R_i代表在i波段的反射率；f₁表示基于光谱指数NCI1反演植株氮浓度的模型；f₂表示基于光谱指数NCI2反演植株氮浓度的模型；f₃表示基于光谱指数BI反演生物量的模型；

(2)、根据估测的生物量B，结合临界氮浓度曲线计算测定时作物临界氮浓度；

(3)、根据步骤2中的作物临界氮浓度与估测的作物实际氮浓度，计算氮素营养指数；

(4)、根据设计的基于氮素营养指数的氮素营养状态划分标准，结合估测的氮素营养指数，分析作物氮素营养状态；

(5)、根据作物氮素营养状态与生育期，给出小麦或玉米作物的建议施肥量。