CN107219224B - 一种基于主动光源的植物长势监测系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物生长信息智能检测领域，更具体的涉及一种基于主动光源的植物长势监测系统及应用方法，所述监测系统包括主动光源、拍摄装置、采光校正器和放置于植物处的标准白板以及对拍摄装置的拍摄图像进行处理的中央处理装置，所述主动光源包括LED阵列、用于实时测量红光光照强度和红外光照强度的第一红光与红外光照度传感模块、驱动器、第一电源、第一滤光片以及高度计，所述拍摄装置包括感光芯片、第二处理模块、第二电源以及显示模块，所述主动光源设有第一处理模块，所述主动光源与拍摄装置无线连接，所述采光校正器与主动光源无线连接。本发明采用主动光源，从而植物长势监测时不受环境光照条件的限制,可以在阴天或者晚上工作。

Description

一种基于主动光源的植物长势监测系统及应用方法

技术领域

本发明涉及植物生长信息智能检测领域，更具体的涉及一种基于主动光源的植物长势监测系统置及应用方法。

背景技术

作物长势参数是表征作物生长状态的重要指标(吴炳方等，2004)。快速、无损、准确地监测作物氮素状况，对于诊断作物生长特征、提高氮肥运筹水平和利用效率、降低过量施氮带来的农田环境污染，深入开展精确农业和数字农业的研究与应用具有重要意义。

植物体内的叶绿素有a，b，c，d等4种形态,其中,叶绿素a和叶绿素b对植物的反射光谱曲线影响较大。叶绿素a对蓝光的吸收能力约为对红光吸收率的1.5倍；叶绿素b对蓝光的吸收能力约为对红光吸收率的3倍。通常在植物体中叶绿素a的含量是叶绿素b的含量的3倍,故叶绿素a对植物反射光谱的影响最大。其中,350～450nm波段的反射率低于650～700nm波段。由于叶子的海绵组织结构内有很多大表面的空腔,且细胞内的叶绿素一般呈水溶胶状态,因此对700～1300nm近红外波段产成一个相对平坦的反射峰,其反射率可达40％,甚至高达60％,吸收率不到15％。植物的反射光谱特征主要由叶片中的叶肉细胞、叶绿素、水分含量和其他生物化学成分对光线的吸收和反射形成的，在不同波段，植物的反射曲线具有不同的形态和特征。大量研究结果证明植物营养状况与其反射光谱及吸收光谱特性密切相关。

采用冠层反射光谱传感技术(Ground-based Canopy Reflectance Sensing)来获取植物的生长信息指标是当前该领域研究的重要手段之一，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。

被动光源式传感器接收地物反射的太阳辐射或其本身发射的热辐射能量进行探测。目前用于探测植物长势的传感器通常选择特定的特征波长，测量时传感器的探测器方向垂直向下，首先测量当前环境光照条件下标准白板的反射光强度，然后指向测量目标，获取目标的反射光强度，两者相除得到植物冠层反射率。早期研制的这种被动式植被氮素探测传感器的应用受到很多因素的制约,首先这种传感器需要持续不断的白板校准，以获取反射率(测量白板的数值作为入射光强,该仪器没有独立的入射光强探测传感器)，被动光源式测量仪器利用太阳光作为检测光源，其最大的局限性是容易受到太阳光照强度、太阳入射角度等因素的影响，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高度角时使用，尤其是我国南方阴雨天较多则难以使用。

主动光源式仪器自带能发射特定波长的光源，可以在较多天气条件和自然光照条件下使用。植物目前国外已经得到商业应用的主动光源式的植物长势监测传感器主要包括美国Trimble Navigation公司生产的Green Seeker、美国Holland Scientific公司生产的Crop Circle、德国Yara公司生产的N-Sensor ALS和日本topcon公司生产的CropSpec等，由于采用主动光源，测量时不受环境光照条件的限制，可以在阴天或者晚上工作。虽然这些仪器具有测量精度高、数据可靠性好等优点，但也普遍存在价格昂贵、操作复杂、单次数据采集覆盖面积小等问题。此外由于这些装置是线扫式或者点扫式辐射到植物冠层，且主动光源重量和体积较大，主要用于地面机械挂载。通常需要在田间分布大量采集点进行数据采集，效率较低。

已有技术(申请号为201210554515.7的发明专利《基于主动光源的便携式植物生长信息监测仪》、申请号为201310180901.9的发明专利《一种主动光源式植物冠层反射光谱测量装置及其方法》)虽然采用主动光源方式来克服气象条件的影响，但也仅支持近距离小面积测量，难以单次完成较大面积植物长势监测的任务植物。此外，还存在需要反复使用标准白板标定、主动光源的辐射强度相对固定造成探测距离较近、缺乏主动光源的辐射强度自适应调整以及对环境光照的抗干扰处理的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于主动光源的植物长势监测系统置及应用方法，通过设置使得可保证无论在白天与夜间，NDVI、RVI、DVI、RDVI等比值型光谱指数不随测量高度和测试环境光照发生变化，系统的适用性和高效性也随之得到提高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于主动光源的植物长势监测系统，所述监测系统包括主动光源、拍摄装置、采光校正器以及放置于植物处的高分光率白板以及对拍摄装置的拍摄图像进行处理的中央处理装置，所述主动光源包括LED阵列、用于实时测量红光光照强度和红外光照强度的第一红光与红外光照度传感模块、驱动器、第一电源、第一滤光片以及高度计，所述拍摄装置包括感光芯片、第二处理模块、第二电源以及显示模块，所述主动光源设有第一处理模块，所述主动光源与拍摄装置无线连接，所述采光校正器与主动光源无线连接。

本发明通过设置采用主动光源，从而测量时不受环境光照条件的限制,可以在阴天或者晚上工作，并且元器件成本较低，价格便宜。本发明能够全天候对植物的叶绿素含量、归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、差植被指数DVI和重归一化植被指数RDVI、叶干重、氮含量、氮积累量、净光合速率、蒸腾速率和叶温等多种生理、生态信息进行综合监测与诊断，具有数据采集、分析、显示、存储、查看和显示功能。同时所述第一红光与红外光照度传感模块实时测量主动光源所接收到环境中已选波段的红光光照强度和红外光照强度。所述采光校正器和高度计用于在作业工作前的标定阶段校正主动光源的发光特性使不同作业高度照射到植被冠层表面的红光和红外光光照度和实际环境中红光和红外光光照度之和与晴朗正午时的光照度相近或相同。具体地，所述LED阵列为超高亮度光源。

优选地，所述第一电源为直流电源，所述驱动器为恒流驱动器，所述第一处理模块包括用于进行初步标定的标定按键以及用于处理的第一处理器。需要说明的是，所述直流电源通过恒流驱动器驱动LED阵列；所述LED阵列包括可调发射功率的红光LED阵列和红外光LED阵列；所述红光可选波段为650-700nm，红外可选波段为700-1300nm，二者差值不宜太小；所述第一滤光片为与已选红光和红外光的中心频率相同的双带通滤光片且通带较小；所述第一滤光片可以滤除主动光源中的红光中心波长与红外中心波长带通以外的光。

优选地，所述拍摄装置包括第二滤光片和可调焦透镜，所述第二处理模块包括第二处理器、用于存储的存储器、定时器模块以及定位系统。具体地，所述第二滤光片与主动光源的第一滤光片结构相同，只有已选波段的红光和红外光通过；

优选地，所述采光校正器包括第二红光与红外光光照度传感模块、第三处理器和第三电源。

优选地，所述主动光源、拍摄装置、采光校正器均设有用于通信的通信模块。这样设置是为了实现相应的信号控制，以及便于信号传输。

优选地，所述第二滤光片设于可调焦透镜与感光芯片之间。

优选地，所述主动光源还设有聚光透镜。

优选地，所述定位系统为单点GPS定位系统、GNSS全球导航定位系统、RTK差分、定位系统PPK差分定位系统的任意一种。需要说明的是，所述定位系统为单点GPS定位系统、GNSS全球导航定位系统、RTK差分定位、定位系统PPK差分定位系统的任意一种，这只是优选，并不是限制性的规定。

本发明还提供一种所述的基于主动光源的植物长势监测系统的应用方法，所述监测系统还设有用于移动的载体；所述应用方法包括标定阶段和拍摄阶段；步骤如下：

标定阶段：

a.首先，选定红光和红外光的波段，制作主动光源、拍摄装置和采光校正器；

b.其次，在天气晴朗正午时分启动主动光源，按下标定按键，第一红光与红外光照度传感模块进行检测，主动光源记忆选定红光和红外光波段的最佳光照度；

c.在阴天和夜间等自然光照不足的情况下，启动采光校正器和主动光源，采光校正器与主动光源无线通信连接，主动光源垂直照射植被，采光校正器被放置于植物冠层等高水平面，控制主动光源与采光校正器的不同相对高度位置，采光校正器检测冠层表面入射光照度再根据最佳光照度并发送光照度差值信息至主动光源，使得主动光源在不同高度发出不同强度的光使植被冠层接收光强与最佳光照度相近或相同，主动光源的第一处理器记忆存储不同环境下不同作业高度需提供的红光和红外光光照度相关数据；

d.最后，在天气晴朗正午时分将标准白板置于植被冠层等高水平面，拍摄装置面向标准白板拍摄得出拍摄图像，中央处理装置对拍摄图像进行处理，对拍摄图片中的红光和红外光的平均亮度R1和NIR1进行确定，标定阶段完成；

拍摄阶段：

(i)首先，将主动光源与拍摄装置安装于执行拍摄任务的移动载体；

(ii)其次，载体在运动过程中，设定拍摄装置的拍照时间间隔或通过外部触发信号触发拍摄装置进行拍摄并将拍摄图像发送至存储器进行存储；

(iii)将存储器存储的照片传送至中央处理装置，中央处理装置使用图像处理软件计算归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、差植被指数DVI和重归一化植被指数RDVI，其中NIR为红外光像素点亮度，R为红光像素点亮度，公式如下：

具体地，所述中央处理装置可为计算机设备。需要说明的是，这个只是优选，并不是限制性的规定。

优选地，经过标定阶段，拍摄阶段主动光源会根据实际作业环境中红光和红外光光照度以及拍摄作业高度发出不同功率的红光和红外光，使得植物冠层的红光和红外光入射光光照度与红光和红外光光照度相近或相同。

优选地，所述拍摄装置在拍摄指令执行前控制主动光源照射植被冠层，在不拍摄时关闭主动光源。

优选地，所述标定按键用于在天气晴朗正午时分设定环境中红光和红外光光照度为最佳值。标定按键用于在天气晴朗正午时分设定植被反射标准红光-红外光光照度作为最佳值，这样设置使得在阳光不充足的情况下，主动光源可根据实测红光-红外光光照度与最佳值的差值做调光补偿直至与最佳值一致。

优选地，所述拍摄装置可以通过外部信号触发拍摄也可设定时拍摄。

优选地，所述拍摄装置拍摄图片输出拍摄图片包含定位数据和拍照时间。

优选地，定时器模块用于定时拍摄装置的拍照时间(间隔)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种基于主动光源的植物长势监测系统置及应用方法，通过设置使得可保证无论在白天与夜间，NDVI、RVI、DVI、RDVI等比值型光谱指数不随测量高度和测试环境光照发生变化，系统的适用性和高效性也随之得到提高；

1.本发明所述监测系统装置出厂前需标定一次，主动光源在经过采光校正器的强度标定后，会根据不同环境光和辐射高度进行自适应调整，发出不同强度的光，后续使用中不再需要重复标定。

2.本发明通过采用面阵传感器，可以实现空中遥感监测，单此作业覆盖面积显著扩大，区别于现有带有主动光源的植物长势监测技术，配合主动光源的智能补光技术，在从而测量时不受环境光照条件的限制,可以在阴天或者晚上工作。

附图说明

图1是本发明主动光源的植物长势监测系统置的工作示意图

图2是本发明的主动光源整机结构示意图

图3是本发明的主动光源背部结构示意图

图4是本发明的主动光源内部结构示意图

图5是本发明的拍摄装置结构示意图

图6是本发明的采光校正器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1至6所示为主动光源的植物长势监测系统置及应用方法的实施例，所述监测系统包括主动光源1、拍摄装置2、采光校正器3以及放置于植物处的高分光率白板4以及对拍摄装置2的拍摄图像进行处理的中央处理装置，所述主动光源1包括LED阵列11、用于实时测量红光光照强度和红外光照强度的第一红光与红外光照度传感模块12、驱动器13、第一电源14、第一滤光片15以及高度计16，所述拍摄装置2包括感光芯片21、第二处理模块22、第二电源23以及显示模块24，所述主动光源1设有第一处理模块，所述主动光源1与拍摄装置2无线连接，所述采光校正器3与主动光源1无线连接。

其中，所述第一电源14为直流电源，所述驱动器13为恒流驱动器，所述第一处理模块包括用于进行初步标定的标定按键17以及用于处理的第一处理器18。需要说明的是，所述直流电源通过恒流驱动器驱动LED阵列；所述LED阵列包括可调发射功率的红光LED阵列和红外光LED阵列；所述红光可选波段为650-700nm，红外可选波段为700-1300nm，二者差值不宜太小；所述第一滤光片15为与已选红光和红外光的中心频率相同的双带通滤光片且通带较小；所述第一滤光片15可以滤除主动光源中的红光中心波长与红外中心波长带通以外的光。

另外，所述拍摄装置2包括第二滤光片25和可调焦透镜26，所述第二处理模块22包括第二处理器221、用于存储的存储器222、定时器模块223以及定位系统224。具体地，所述第二滤光片25与主动光源1的第一滤光片15结构相同，只有已选波段的红光和红外光通过；

其中，所述采光校正器3包括第二红光与红外光光照度传感模块31、第三处理器32和第三电源33。

另外，所述主动光源1、拍摄装置2、采光校正器3均设有用于通信的通信模块。

其中，所述第二滤光片25设于可调焦透镜26与感光芯片21之间。

另外，所述定位系统224为单点GPS定位系统、GNSS全球导航定位系统、RTK差分、定位系统PPK差分定位系统的任意一种。

其中，所述主动光源1还设有聚光透镜111。

本发明还提供一种所述的基于主动光源的植物长势监测系统的应用方法，所述监测系统还设有用于移动的载体；所述应用方法包括标定阶段和拍摄阶段；步骤如下：

标定阶段：

a.首先，选定红光和红外光的波段，制作主动光源1、拍摄装置2和采光校正器3；

b.其次，在天气晴朗正午时分启动主动光源，按下标定按键17，第一红光与红外光照度传感模块12进行检测，主动光源记忆选定红光和红外光波段的最佳光照度；

c.在阴天和夜间等自然光照不足的情况下，启动采光校正器3和主动光源1，采光校正器3与主动光源1无线通信连接，主动光源垂直照射植被，采光校正器3被放置于植物冠层等高水平面，控制主动光源1与采光校正器的不同相对高度位置，采光校正器3检测冠层表面入射光照度再根据最佳光照度并发送光照度差值信息至主动光源1，使得主动光源在不同高度发出不同强度的光使植被冠层接收光强与最佳光照度相近或相同，主动光源的第一处理器18记忆存储不同环境下不同作业高度需提供的红光和红外光光照度相关数据；

d.最后，在天气晴朗正午时分将标准白板4置于植被冠层等高水平面，拍摄装置2面向标准白板4拍摄得出拍摄图像，中央处理装置对拍摄图像进行处理，对拍摄图片中的红光和红外光的平均亮度R1和NIR1进行确定，标定阶段完成；

拍摄阶段：

(i)首先，将主动光源1与拍摄装置2安装于执行拍摄任务的移动载体；

(ii)其次，载体在运动过程中，设定拍摄装置的拍照时间间隔或通过外部触发信号触发拍摄装置2进行拍摄并将拍摄图像发送至存储器222进行存储；

(iii)将存储器222存储的照片传送至中央处理装置，中央处理装置使用图像处理软件计算归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、差植被指数DVI和重归一化植被指数RDVI，其中NIR为红外光像素点亮度，R为红光像素点亮度，公式如下：

其中，经过标定阶段，拍摄阶段主动光源1会根据实际作业环境中红光和红外光光照度以及拍摄作业高度发出不同功率的红光和红外光，使得植物冠层的红光和红外光入射光光照度与红光和红外光光照度相近或相同。

另外，所述拍摄装置在拍摄指令执行前控制主动光源1照射植被冠层，在不拍摄时关闭主动光源1。

其中，所述标定按键用于在天气晴朗正午时分设定环境中红光和红外光光照度为最佳值。标定按键用于在天气晴朗正午时分设定植被反射标准红光-红外光光照度作为最佳值，这样设置使得在阳光不充足的情况下，主动光源可根据实测红光-红外光光照度与最佳值的差值做调光补偿直至与最佳值一致。

另外，所述拍摄装置2可以通过外部信号触发拍摄也可设定时拍摄。

其中，所述拍摄装置2拍摄图片输出拍摄图片包含定位数据和拍照时间。

另外，定时器模块223用于定时拍摄装置2的拍照时间(间隔)。

需要说明的是，拍摄装置2还设有防护玻璃27。主动光源1还设有用于散热的散热片112。图1为主动光源的植物长势监测系统置的工作示意图，图中带箭头的标识是指光路。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于主动光源的植物长势监测方法，所述监测方法采用基于主动光源的植物长势监测系统，其特征在于，所述监测系统包括主动光源(1)、拍摄装置(2)、采光校正器(3)以及放置于植物处的标准白板(4)以及对拍摄装置(2)的拍摄图像进行处理的中央处理装置，所述主动光源(1)包括LED阵列(11)、用于实时测量红光光照强度和红外光照强度的第一红光与红外光照度传感模块(12)、驱动器(13)、第一电源(14)、第一滤光片(15)以及高度计(16)，所述拍摄装置(2)包括感光芯片(21)、第二处理模块(22)、第二电源(23)以及显示模块(24)，所述主动光源(1)设有第一处理模块，所述主动光源(1)与拍摄装置(2)无线连接，所述采光校正器(3)与主动光源(1)无线连接；

拍摄装置(2)包括第二滤光片(25)和可调焦透镜(26)，所述第二滤光片(25)设于可调焦透镜(26)与感光芯片(21)之间；所述第二处理模块(22)包括第二处理器(221)、用于存储的存储器(222)、定时器模块(223)以及定位系统(224)；

所述采光校正器(3)包括第二红光与红外光光照度传感模块(31)、第三处理器(32)和第三电源(33)；

所述监测系统还设有用于移动的载体；所述监测方法包括标定阶段和拍摄阶段；步骤如下：

标定阶段：

a.首先，选定红光和红外光的波段，制作主动光源(1)、拍摄装置(2)和采光校正器(3)；

b.其次，在天气晴朗正午时分启动主动光源，按下标定按键(17)，第一红光与红外光照度传感模块(12)进行检测，主动光源记忆选定红光和红外光波段的最佳光照度；

c.在阴天和夜间自然光照不足的情况下，启动采光校正器(3)和主动光源(1)，采光校正器(3)与主动光源(1)无线通信连接，主动光源垂直照射植被，采光校正器(3)被放置于植物冠层等高水平面，控制主动光源(1)与采光校正器的不同相对高度位置，采光校正器(3)检测冠层表面入射光照度再根据最佳光照度并发送光照度差值信息至主动光源(1)，使得主动光源在不同高度发出不同强度的光使植被冠层接收光强与最佳光照度相近或相同，主动光源的第一处理器(18)记忆存储不同环境下不同作业高度需提供的红光和红外光光照度相关数据；

d.最后，在天气晴朗正午时分将标准白板(4)置于植被冠层等高水平面，拍摄装置(2)面向标准白板(4)拍摄得出拍摄图像，中央处理装置对拍摄图像进行处理，对拍摄图片中的红光和红外光的平均亮度R1和NIR1进行确定，标定阶段完成；

拍摄阶段：

(i)首先，将主动光源(1)与拍摄装置(2)安装于执行拍摄任务的移动载体；

(ii)其次，载体在运动过程中，设定拍摄装置的拍照时间间隔或通过外部触发信号触发拍摄装置(2)进行拍摄并将拍摄图像发送至存储器(222)进行存储；

(iii)将存储器(222)存储的照片传送至中央处理装置，中央处理装置使用图像处理软件计算归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、差植被指数DVI和重归一化植被指数RDVI，其中NIR为红外光像素点亮度，R为红光像素点亮度，公式如下：

；

在自然光照不足的情况下需要经过标定阶段进行光照度标定，进入拍摄阶段时主动光源(1)会根据当前作业环境中红光和红外光光照度以及拍摄作业高度发出不同功率的红光和红外光，使得辐射到植物冠层总的的红光和红外光入射光光照度与红光和红外光最佳光照度相近或相同。

2.根据权利要求1所述的基于主动光源的植物长势监测方法，其特征在于，所述第一电源(14)为直流电源，所述驱动器(13)为恒流驱动器，所述第一处理模块包括用于进行初步标定的标定按键(17)以及用于处理的第一处理器(18)。

3.根据权利要求1至2任一项所述的基于主动光源的植物长势监测方法，其特征在于，所述主动光源(1)、拍摄装置(2)、采光校正器(3)均设有用于通信的通信模块。

4.根据权利要求1所述的基于主动光源的植物长势监测方法，其特征在于，所述定位系统(224)为单点GPS定位系统、GNSS全球导航定位系统、RTK差分定位系统、PPK差分定位系统的任意一种。

5.根据权利要求1所述的基于主动光源的植物长势监测方法，其特征在于，所述拍摄装置在拍摄指令执行前控制主动光源(1)照射植被冠层，在不拍摄时关闭主动光源(1)。

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