CN105158171B

CN105158171B - 作物氮素传感器光谱定标方法

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Publication number: CN105158171B
Application number: CN201510309899.XA
Authority: CN
Inventors: 倪军; 曹卫星; 朱艳; 董继飞; 庞方荣
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: CN105158171A

Abstract

一种作物氮素传感器光谱定标方法，其特征是包括以下步骤：1)利用标准探测器分别对上行光传感器进行辐射照度标定，对下行光传感器进行辐射亮度标定；即利用上行光传感器与标准探测器同步测量太阳光r波段辐射照度，拟合上行光传感器输出DN_Up(r)与标准探测器输出E_B(r)之间的线性关系，实现上行光传感器光辐射照度定标，如式(3)所示。上行光传感器对太阳光辐射照度响应具有很高的线性关系，下行光传感器对辐射亮度也具有良好的线性关系，线性相关性达到99％。基于辐射定标的标定方法能够极大地提高作物氮素传感器的测量精度及稳定性。相比较基于标准灰度板标定方法。

Description

作物氮素传感器光谱定标方法

技术领域

本发明涉及作物光谱定标技术领域，尤其是一种作物氮素传感器光谱定标方法。

背景技术

氮素是影响作物生长和产量品质的重要元素。对作物生长过程中的氮素水平进行快速、准确检测及科学合理的诊断与调控是作物生产管理中最为重要的一个技术环节。传统检测作物氮素水平的方法依赖于对植株的破坏性取样、室内理化分析，费时费力且时效性差。近年来，基于反射光谱识别物体特征的无损检测技术由于无破坏性，信息获取方便，实时性好等优点，被广泛用于作物氮素监测及估产农学机理的研究中。这些研究主要是基于现有的地物光谱仪，波段丰富、分辨率精细、测量精度高，但是价格昂贵，结构复杂，操作繁琐，不利于田间推广应用。作物生长光谱监测技术的发展推动了作物氮素传感器的研制与应用，如美国Cropscan公司生产用于监测作物冠层反射光谱的多光谱辐射计、美国Trimble Navigation公司研制的归一化植被指数传感器 Greenseeker、美国HollandScientific公司研制的植物冠层光谱传感器Crop Circle ACS-470以及中国农业大学研制的双波段作物冠层分析仪等，这些传感器可以快速获取与作物氮素水平相关的冠层植被指数；另外也有一些能够直接获取作物氮素的传感设备，如德国Yara公司研制的作物氮含量传感器N-Sensor、日本TOPCON公司基于激光调制光源的CropSpec作物氮含量传感器，南京农业大学研制的CGMD302多光谱作物生长传感器等。作物氮素传感器的研制与应用为作物精确管理信息获取提供了强有力的技术支撑。

已有的研究结果表明，作物氮素敏感波段在530～560nm、630～660nm和 760～900nm范围。利用传感器测量作物冠层在这些波段处的反射率，可以反演出作物冠层氮素水平。因此，每个波段光谱反射率的标定对于消除传感器光电系统差异，提高测量精度至关重要。

目前，光谱反射率标定方法有两种，一是基于标准反射率灰度板；即在规定的太阳天顶角照射下，利用传感器测量标准灰度板的反射率，构建传感器输出与标准反射率的拟合方程。另一种是基于地物高光谱仪器；利用传感器与地物高光谱仪同步测量不同地物，建立与光谱仪的关系模型。这两种方法都是基于入射光、反射光获取装置的整体进行标定，对工作环境的要求较高，需要适宜的太阳光照及太阳高度角。方法一需要足够大的标准灰度板，以满足传感器定标视场，方法二使用较为灵活，但高光谱地物仪价格昂贵，而且均匀性地物在实际中比较少见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种作物氮素传感器光谱定标方法，并从测量精度及稳定性对两种标定方法结果进行了对比。

本发明的技术方案是：

1.一种作物氮素传感器光谱定标方法，其特征是包括以下步骤：

1)利用标准探测器分别对上行光传感器进行辐射照度标定，对下行光传感器进行辐射亮度标定；即利用上行光传感器与标准探测器同步测量太阳光r波段辐射照度，拟合上行光传感器输出DN_Up(r)与标准探测器输出E_B(r)之间的线性关系，实现上行光传感器光辐射照度定标，如式(3)所示；

EB(r)＝Gain_Up(r)×DN_Up(r)+Bias_Up(r) (3)

2)利用下行光传感器与该标准探测器同步测量均匀漫反射体r波段辐射亮度，拟合下行光传感器输出DN_Down(r)与标准探测器L_B(r)之间的线性关系，实现下行光传感器光辐射亮度定标，如式(4)所示：

L_B(r)＝Gain_Down(r)×DN_Down(r)+Bias_Down(r) (4)

其中，Gain_Up(r)和Bias_Up(r)分别为上行光传感器的增益和漂移；Gain_Down(r) 和Bias_Down(r)分别为下行光传感器的增益和漂移；

3)相比基于标准灰度板的标定方法，该方法除了保证下行光传感器具有定量化的测量线程，对上行光传感器的测量线程也进行了标准度量；

则氮素传感器的标定方程为：

Ref(r)＝πL_B(r)/E_B(r) (5)

其中Ref(r)为作物氮素传感器输出的反射率值；

4)标定试验选用商用ASD仪器作为标准探测器：上行光传感器进行辐照度标定之前需要测试对太阳高度角的余弦校正范围，将ASD仪器裸光纤加配标准余弦校正器与上行光传感器等高度固定在旋转云台上，设置ASD仪器为辐照度模式，调整云台角度使太阳光垂直入射到上行光传感器的上表面，缓慢转动云台，模拟不同太阳高度角，造成不同的辐照度梯度，分别记录云台转动角度、 ASD仪器在720nm、810nm处的辐照度值以及上行光传感器输出值，测试时间尽量短(12:00-12:30)，以保证太阳辐射强度稳定；

5)将ASD仪器裸光纤和下行光传感器分别固定在支架上，调节支架高度，使得下行光传感器和ASD具有相同的观测视场，选择6种标准反射率灰度板 (SRT-10，SRT-20，SRT-40，SRT-60，SRT-75，SRT-99)作为观测对象，设置 ASD仪器为辐射亮度测量模式，利用下行光传感器与ASD仪器同步垂直测量标准反射率灰度板辐射亮度，分别记录ASD仪器在720nm、810nm处的辐亮度值以及下行光传感器输出值。

本发明的有益效果是：

本发明的作物氮素传感器光谱定标方法提高了作物氮素传感器的测量精度与稳定性，与基于标准灰度板的标定方法相比，利用辐射定标方法标定后的作物氮素传感器，其720nm通道的最大测量偏差从3.68％降低至1.51％，均方根误差从1.4％降低至0.43％，稳定性方差从1.06％降低至0.43％；810nm通道的最大偏差从2.77％降低至1.94％，均方根误差从1.37％降低至0.66％，稳定性方差从0.91％降低至0.63％；稳定性和精度提高约为50％。表明该方法对测量环境光辐照度变化的抑制性强，能够较好地提高作物氮素传感器的测量精度及稳定性。

上行光传感器对太阳光辐射照度响应具有很高的线性关系，下行光传感器对辐射亮度也具有良好的线性关系，线性相关性达到99％。

基于辐射定标的标定方法能够极大地提高作物氮素传感器的测量精度及稳定性。相比较基于标准灰度板标定方法，该方法标定的作物氮素传感器测量稳定性和精确度提升约50％。

附图说明

图1是本发明的上行光传感器辐射定标原理图。

图2是本发明的测试原理示意图。

图3是本发明的上行光传感器跟踪太阳辐照度变化趋势图。

图4是本发明的作物氮素传感器测量曲线图。

图5是本发明的上行光传感器余弦校正性能图。

图6是本发明的上行光传感器辐照度标定曲线图。

图7是本发明的下行光传感器辐亮度标定曲线图。

图8是本发明的作物氮素传感器两种标定方法测量曲线图。

图9是本发明的田间测试反射率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1至9，一种作物氮素传感器光谱定标方法，包括以下步骤：

EB(r)＝Gain_Up(r)×DN_Up(r)+Bias_Up(r) (3)

L_B(r)＝Gain_Down(r)×DN_Down(r)+Bias_Down(r) (4)

则氮素传感器的标定方程为：

Ref(r)＝πL_B(r)/E_B(r) (5)

其中Ref(r)为作物氮素传感器输出的反射率值；

CGMD302作物氮素传感器由720nm和810nm两种波长组成，用于测量作物冠层特征光谱反射率。一般地，反射率定义为物体反射能量与入射能量的比值^[33]，当波长为r的太阳光谱平行投射到作物冠层单位面积上的光功率为E(r)，冠层反射辐射亮度为L(r)，则作物冠层对波长为r的太阳光谱的反射率为ρ(r)：

ρ(r)＝πL(r)/E(r) (1)

从式(1)可知，用作物氮素传感器分别获取太阳光入射到作物冠层单位面积上的光功率以及冠层表面产生的辐亮度，就可以计算出作物冠层光谱反射率值ρ(r)。

传感器系统利用太阳光做光源，采用滤光片分光，在结构上分为上行光传感器和下行光传感器。上行光传感器用于接收太阳光720nm和810nm波段处辐射信息，并进行余弦纠正，下行光传感器用于接收对应波段作物冠层反射光辐射信息。作物氮素传感器设计的关键是探测镜头光阑参数的确定，既要保证传感器系统具有较高的分辨率，还要确保传感器的信号强度。设计的探测镜头结构参数为：光阑孔径12.8mm，孔深26mm，视场角27°；性能参数为：光谱滤光片带宽10nm，透过率65％～70％；选用的光电探测器灵敏度为0.55A/W，光谱响应度为0.011A/(w/cm²)。在此参数匹配下，每个探测镜头由光谱滤光片和光电探测器组成，光路简单，信号传输可靠性强，方便集成与移植，突破了以往作物氮素监测仪光路复杂，大量使用光学器件的弊端。传感器采用圆柱体铝制机壳封装，孔径38mm，高50mm，重量轻、体积小，极其适合田间应用。

标准光谱探测器选用美国Analytical Spectral Device(ASD)公司生产的FieldSpec Pro FR2500型背挂式野外高光谱辐仪，以下简称ASD。ASD光谱仪波段范围为350～2500nm，其中350nm～1000nm光谱采样间隔为1.4nm，光谱分辨率为3nm；1000～2500nm光谱采样间隔为2nm，光谱分辨率为10nm。ASD光谱仪可以测量地物反射的辐射亮度，当光纤探头连接余弦接收器时，可以测量光源入射的辐射照度。

作物氮素传感器光谱定标方法，该标定方法是利用标准探测器分别对上行光传感器进行辐射照度标定，对下行光传感器进行辐射亮度标定。即利用上行光传感器与标准探测器同步测量太阳光r波段辐射照度，拟合上行光传感器输出DN_Up(r)与标准探测器输出E_B(r)之间的线性关系，实现上行光传感器光辐射照度定标，如式(3)所示；利用下行光传感器与该标准探测器同步测量均匀漫反射体r波段辐射亮度，拟合下行光传感器输出DN_Down(r)与标准探测器L_B(r) 之间的线性关系，实现下行光传感器光辐射亮度定标，如式(4)所示。相比基于标准灰度板的标定方法，该方法除了保证下行光传感器具有定量化的测量线程，对上行光传感器的测量线程也进行了标准度量。

EB(r)＝Gain_Up(r)×DN_Up(r)+Bias_Up(r) (3)

L_B(r)＝Gain_Down(r)×DN_Down(r)+Bias_Down(r) (4)

其中，Gain_Up(r)和Bias_Up(r)分别为上行光传感器的增益和漂移； Gain_Down(r)和Bias_Down(r)分别为下行光传感器的增益和漂移。则氮素传感器的标定方程为：

Ref(r)＝πL_B(r)/E_B(r) (5)

其中Ref(r)为作物氮素传感器输出的反射率值。

标定试验选用商用ASD仪器作为标准探测器。上行光传感器进行辐照度标定之前需要测试对太阳高度角的余弦校正范围，将ASD仪器裸光纤加配标准余弦校正器与上行光传感器等高度固定在旋转云台上，设置ASD仪器为辐照度模式，调整云台角度使太阳光垂直入射到上行光传感器的上表面，缓慢转动云台，模拟不同太阳高度角，造成不同的辐照度梯度，分别记录云台转动角度、ASD 仪器在720nm、810nm处的辐照度值以及上行光传感器输出值，测试原理如图2 所示，测试时间尽量短(12:00-12:30)，以保证太阳辐射强度稳定。

将ASD仪器裸光纤和下行光传感器分别固定在支架上，调节支架高度，使得下行光传感器和ASD具有相同的观测视场，选择6种标准反射率灰度板(SRT-10，SRT-20，SRT-40，SRT-60，SRT-75，SRT-99)作为观测对象，设置 ASD仪器为辐射亮度测量模式，利用下行光传感器与ASD仪器同步垂直测量标准反射率灰度板辐射亮度，分别记录ASD仪器在720nm、810nm处的辐亮度值以及下行光传感器输出值。

本发明所涉及的传感器可以参考以下专利中的传感器：一种田间作物生长信息无损快速检测装置及检测方法，201210214137.8；一种高精度作物生长信息监测仪及其检测方法，201210472211.6。

一、田间验证试验

试验在如皋市国家信息农业工程技术中心试验示范基地(东经120°46′，北纬32°16′)水稻田进行。试验品种为武运粳24(V1)和Y两优1号(V2)；共5种氮肥梯度处理，N0＝0kg﹒ha^-1,N1＝150kg﹒ha^-1,N2＝225kg﹒ha^-1,N3＝ 300kg﹒ha^-1,N4＝375kg﹒ha^-1；设三种重复R₁、R₂、R₃，共计30个小区。采用经过辐射定标的作物氮素传感器CGMD302和ASD仪器对水稻冠层同步测试。

二、数据分析

利用EXCEL2010软件对两种标定方法的数据进行统计分析；方法的精确性采用均方根误差和最大偏差进行评价，稳定性采用方差、变异系数、相对均方根误差来评价。计算公式如式(6)～(11)：

δ＝MAX{x_i-μ} (6)

其中：x_i为测量值，δ为最大偏差，μ为均值，s为方差，CV为变异系数， d_i为测量值与真实值的差，RMSE为均方根误差，RRMSE为相对均方根误差。

上行光传感器跟踪太阳光辐照度变化趋势如图3曲线所示。从图中可以看出，上行光传感器720nm通道输出电压值U(720)在110mv-620mv之间变化； 810nm通道输出电压值U(810)在200mv-1000mv之间变化。这主要是由于测量时间段过长，太阳高度角变化或者环境因素导致太阳光辐射照度发生了变化。太阳辐射在720nm、810nm波段处的总能量为0.8W/nm/m²～1.2W/nm/m^2[34-37]，作物氮素传感器在中国稻麦主产区适宜测量时段内太阳高度角基本上集中于 23°～80°之间，由E_p＝E_sun·cos(β)，其中，E_sun为太阳辐射到地面的总能量，E_p为太阳光入射到地面上的垂直分量，β为太阳高度角，可以估算出作物氮素传感器工作光照变化区间为0.3W/nm/m²～1.1W/nm/m²。

表1 基于标准灰度板标定的作物氮素感器性能分析

作物氮素传感器输出反射率的变化曲线如图4所示，对其进行统计分析，如表1。由图4、图5分析及表1可知，在150～200/10s时段内，太阳光辐射强度比较恒定，上行光传感器的输出相对稳定，其中720nm通道输出电压值U(720)大于 500mV，810nm通道输出电压值U(810)大于700mV时，与标定时太阳辐照度相接近，作物氮素传感器比较稳定，输出的反射率值误差也相对较小。其中，720nm 通道反射率ρ0(720)的最大偏差为0.62％，均方根误差为0.24％，稳定性方差为 0.24％，变异系数和相对均方根误差分别为0.92％和0.93％；810nm通道反射率值ρ0(810)，最大偏差为2.22％，均方根误差为1.45％，稳定性方差为0.94％，变异系数和相对均方根误差分别为2.81％和4.24％。在50～150/10s时段内，太阳光辐射强度变化较频繁，上行光传感器的输出变化幅度较大，且输出电压值较小，作物氮素传感器稳定性下降，输出的反射率误差也变大，其中720nm通道反射率ρ 0(720)最大偏差为3.68％，方差为0.96％，均方根误差为2.09％，变异系数和相对均方根误差分别为3.99％和8.06％；810nm通道监测到的反射率ρ0(810)最大偏差为1.74％，均方根误差为0.94％，稳定性方差为0.91％，变异系数和相对均方根误差分别为2.67％和2.74％。从分析结果可知，当测量环境的光辐射照度与标定环境相似时，作物氮素传感器稳定性好，测量误差小；相反，当测量环境的光辐射照度与标定环境不相同时，作物氮素传感器的稳定性及测量精度都有所下降。

出现上述试验结果的原因主要是氮素传感器的光谱标定是在短时间内完成的，上行光传感器的输出基本上保持恒定，即太阳光辐射强度和入射方向基本不变。因此基于标准灰度板的标定方法得出的标定方程仅仅适用于该环境下的下行光传感器的辐射定标。而在实际测量中，作物氮素传感器工作光照变化区间为0.3W/nm/m²～1.1W/nm/m²，因此，这种这种方法获得的标定方程很难适用于传感器的整个工作变化区间，普适性差。

三、上行光传感器余弦校正性能分析

将不同太阳高度角下测得的上行光传感器输出值、ASD仪器输出值分别归一化，以探明上行光传感器余弦校正性能，如图5。在高度角0°～90°之间，上行光传感器余弦校正曲线与标准余弦校正器校正曲线相一致，均方根误差为 0.09。为了保证上行光传感器测量精度，有必要求出上行光传感器正常工作的太阳高度角范围。将上行光传感器余弦校正曲线与标准余弦校正器的校正曲线相除，理想状态下其结果应为等于1的一条直线，但从图中可以看出在太阳天顶角小于70°的时候，曲线变化趋势接近于理想状态，表明上行光传感器具有较好的余弦校正作用，均方根误差小于0.03；当太阳天顶角大于70°的时候，曲线变化趋势偏离理想状态，表明上行光传感器余弦校正结果误差变大，不宜于测量。

四、基于标准探测器辐射定标的标定结果

以ASD仪器在720nm、810nm处的辐照度值E_B(720)、E_B(810)与上行光传感器在相同波段处输出的DN值DN_Up(720)、DN_Up(810)为分析对象，采用一元线性多项式对测量数据进行最小二乘拟合，如图6所示。

由图6可得，上行光传感器输出的DN值与太阳光辐射照度具有较好的线性关系。

以ASD仪器在720nm、810nm处的辐亮度值L_B(720)、L_B(810)以及下行光传感器在相同波段处输出的DN值DN_Down(720)、DN_Down(810)为分析对象，采用一元线性多项式对测量数据进行最小二乘拟合，如图7所示。

由图7可得，下行光传感器输出的DN值与辐射亮度具有较好的线性关系。

五、两种标定方法性能比较

利用基于辐射定标的标定方法对上述试验获得的数据进行处理，其结果与基于标准灰度板的标定方法相比较，如图8和表2所示。

表2 两种标定方法性能分析

由图8和表2可得，从测试曲线的整体趋势上看，基于辐射定标的标定方法可以有效地抑制因为环境光线变化对作物氮素传感器监测结果的影响，相比较基于标准灰度板标定方法，该方法标定的作物氮素传感器720nm通道的最大测量偏差从3.68％降低至1.51％，均方根误差从1.4％降低至0.43％，稳定性方差从1.06％降低至0.43％，变异系数和相对均方根误差分别由4.22％、5.39％降低至1.64％、1.64％；810nm通道的最大偏差从2.77％降低至1.94％，均方根误差从1.37降低至0.66％，稳定性方差从0.91％降低至0.63％，变异系数和相对均方根误差分别由2.73％、4.00％降低至1.85％、1.93％。稳定性和精度提升约50％。

六、田间测试结果分析

作物氮素传感器CGMD302和ASD仪器在30个小区同步测量的结果如图 9所示。从图中可见，经过辐射定标后，作物氮素传感器与ASD仪器测量结果较为接近，且变化趋势一致。经统计分析，相比于ASD仪器的测量结果，作物氮素传感器720nm通道反射率最大偏差为3.90％，均方根误差为1.54％；810nm 通道反射率最大偏差为7.51％，均方根误差为3.41％。表明作物氮素传感器具有很好的动态性能，与ASD仪器测量结果有很好的一致性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims

E_B(r)＝Gain_Up(r)×DN_Up(r)+Bias_Up(r) (3)

L_B(r)＝Gain_Down(r)×DN_Down(r)+Bias_Down(r) (4)

其中，Gain_Up(r)和Bias_Up(r)分别为上行光传感器的增益和漂移；Gain_Down(r)和Bias_Down(r)分别为下行光传感器的增益和漂移；

则氮素传感器的标定方程为：

Ref(r)＝πL_B(r)/E_B(r) (5)

其中Ref(r)为作物氮素传感器输出的反射率值；

4)标定试验选用商用ASD仪器作为标准探测器：上行光传感器进行辐照度标定之前需要测试对太阳高度角的余弦校正范围，将ASD仪器裸光纤加配标准余弦校正器与上行光传感器等高度固定在旋转云台上，设置ASD仪器为辐照度模式，调整云台角度使太阳光垂直入射到上行光传感器的上表面，缓慢转动云台，模拟不同太阳高度角，造成不同的辐照度梯度，分别记录云台转动角度、ASD仪器在720nm、810nm处的辐照度值以及上行光传感器输出值，以保证太阳辐射强度稳定；

5)将ASD仪器裸光纤和下行光传感器分别固定在支架上，调节支架高度，使得下行光传感器和ASD具有相同的观测视场，选择6种标准反射率灰度板SRT-10，SRT-20，SRT-40，SRT-60，SRT-75，SRT-99作为观测对象，设置ASD仪器为辐射亮度测量模式，利用下行光传感器与ASD仪器同步垂直测量标准反射率灰度板辐射亮度，分别记录ASD仪器在720nm、810nm处的辐亮度值以及下行光传感器输出值。