CN109932339A - 一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法，该装置包括环境光监测模块，被动光源接收模块、光源发射模块、主动光源接收模块，主控芯片和电源管理模块。该方法通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱。在光照强度较弱且达到切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并通过主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。本发明结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，提高了作物生长检测装置的可靠性。

Description

一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及导线接线技术领域，尤其涉及一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法。

背景技术

要实现精准农业，就需要精准掌握作物的生长状态，实时监测作物情形。叶绿素是作物合成有机物的重要器官，因此，叶绿素又被称为作物生长的指示剂，通过检测作物叶片的叶绿素含量可以诊断作物的生长状态。

目前的叶绿素化学分析方法所需时间长，不利于快速检测。研究表明，作物冠层的光谱反射率与叶绿素含量有着密切的关系，因而可以通过光谱分析的方法对植物叶绿素含量进行快速、无损的检测。光谱分析技术的应用可以减少传统人工的测量叶绿素时间，提高检测的效率。光谱分析技术具有无损、快速和低成本的特点，近年来广泛应用于农业领域，光谱分析技术通过获取作物冠层的光谱信息，寻找作物的敏感波段，利用作物的反射光谱等特性进行作物长势、营养的监测，为精细农业的发展提供支撑。

本领域内已有的产品分为被动光源式光谱学探测设备和基于主动光源的作物光谱学监测设备。

一、被动光源式光谱学探测设备有：

(1)中国农业大学研发的作物营养智能检测仪可以采集550、650、766和860nm波长，4个波段光谱信息，每个光学传感器结构相同，能够同时采集作物冠层的反射光和太阳入射光，并通过信号IV转换，滤波放大，再由A/D转换变成数字信号进入微控制器，并计算归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)。最终通过无线通信模块将数据上传到远程服务器，后续数据建模用于检测叶绿素含量。

(2)南京农业大学研发了720nm和810nm两波段的便携式作物生长监测诊断仪器，该仪器利用太阳光做光源，采用滤光片分光，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波段的辐射信息并进行余弦矫正，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。通过上下接收的光辐射信息，计算作物的植被指数DVI(Difference Vegetation Index)，作为叶绿素含量检测的数据源。

这些产品通常适用于晴天每天10:00-15:00之间太阳光照条件下，以太阳光为光源，采集植物冠层反射光强，通过白板标定获取反射率值，并基于NDVI计算公式(2-1)，计算出N D V I值，通过分析叶绿素与NDVI之间的关系建立叶绿素检测模型，提供叶绿素诊断数据支持。

式中，R_nir为近红外的反射率，R_red为红光的反射率。

被动光源式光谱学探测设备的优势是：在天气晴朗的情况，能够快速，准确的对作物生长信息进行测量；缺点是：由于设备是以太阳作为光源，采集作物冠层的反射光谱信息，测量的数据容易受到天气的干扰，且测量的时间窗口短，不能在阴天、阳光不充足的时间段等情况下使用。

二、基于主动光源的作物光谱学监测设备是指设计发光电路，通过主动发光照射植物，并同步采集对象光信号，以减少环境光的影响。此类型设备有：

(1)SPAD仪是一款用于作物生长信息检测的装置。SPAD仪包含光源发射部分和光源接收传感器部分，设计夹持结构，一侧光源发射出650nm的红光和940nm的红外光，另一侧光源接收传感器接收到透射光通过A/D转换器转换为数字信号。通过测量发出光透过叶片后剩余的光量来分析作物叶绿素对光的吸收量，从而利用公式(2-2)计算SPAD值，通过数值表征作物叶绿素含量并监测生长状态。

式中K为常数，IRt为接收到的经过叶片940nm红外光强度，IRO为发射的红外光强度；Rt为接收到的经叶片650nm红光强度，R0为发射的红光强度。

(2)GreenSeeker手持式光谱仪是一种作物研究与诊断工具。该设备设有两个发光二极管发射(650±10)nm的红光和(770±15)nm的近红外光，这两种光的一部分被二极管检测器接收作为原始的入射光，另一部分照射到目标植物反射后被反射光检测器接收，然后与入射光一起进入二极管多路调制器，经过模块转换再通过特定的软件计算得到归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)。GreenSeeker采用USB接口，数据输出间隔为30-1400ms，测量的面积为24±4英寸。

(3)RapidSCANCS-45植物光谱测量仪集数据记录器，图像显示器，GPS，多光谱传感器与一体的仪器，该仪器利用LED整列发光，包含三个光学通道，能够同时采集670nm，730nm和780nm三个波长的反射光谱，该仪器的有效数据的测量范围为0.3米到3米，能够计算归一化差分红边指数NDRE(Normalized Difference Red Edgeindex)和归一化植被指数NDVI。

以上基于主动光源的作物生长检测设备，能够通过采集光谱信息来检测作物的生长信息，总体而言主动式光源具有受环境光影响小、作业时间窗长的优势。但是，其中SPAD仪只能针对作物叶片进行接触式采样测量，对作物冠层的整体信息无法获取；GreenSeeker与RapidSCANCS-45设备可以对冠层反射光强进行采集，但是系统采用LED阵列，主动光源在正午或阳光强烈的农田环境中使用，一方面会受到干扰，导致数据产生波动，另一方面长时间的主动光源发光能耗高，系统存在发热等问题。

发明内容

针对被动光源式光谱学探测设备测量的数据容易受到天气的干扰且不能在阳光不充足的时间段应用，基于主动光源的作物生长检测设备发光能耗高且测量数据受到太阳光影响的缺陷。本发明实施例提供一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种全天候光环境自适应作物生长检测装置，该装置包括环境光监测模块，被动光源接收模块、光源发射模块、主动光源接收模块和主控芯片；

所述被动光源接收模块用于采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，所述光源发射模块用于发射光信号，所述主动光源接收模块用于采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱；

所述环境光监测模块用于实时检测环境光照强度，并根据预设切换阈值，切换被动光源接收模块和主动光源接收模块的工作；所述主控芯片用于根据主动光源接收模块和/或被动光源接收模块采集的数据，实时计算作物的NDVI值。

其中，所述装置还包括无线传输模块，所述主控芯片通过无线传输模块连接上位机，所述主控芯片还用于将计算获得的作物NDVI值传输至上位机。

其中，所述主控芯片还包括内置存储SD卡，所述内置存储SD卡用于存储主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据。

其中，所述主控芯片包括数据匹配单元，所述数据匹配单元用于获取主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据，并进行数据匹配。

其中，所述装置进一步包括电源管理模块，所述电源管理模块包括太阳能充电单元和电池；所述太阳能充电单元连接电池的一端，进行太阳能充电；所述电池的另一端连接主控芯片。

第二方面，本发明实施例提供一种全天候光环境自适应作物生长检测方法，包括：

S1，采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱；

S2，实时检测环境光照强度，当环境光照强度达到预设切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱；

S3，根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。

其中，在步骤S2之前，所述方法还包括：设定启动光源发射模块的切换阈值，具体包括：

持续测量作物的NDVI值，然后依次减少环境光照强度，对不同光强下作物的NDVI值进行一阶导运算，当一阶导运算值出现明显波动时，将对应的环境光照强度值作为切换阈值；

当K_i发生明显变化时W＝i

式中，NDVI_i是环境光强为i时的NDVI值，K_i是NDVI_i的导数，W是切换阈值。

其中，所述方法还包括：

根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量。

其中，所述根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量。具体包括：

作物的叶绿素含量：L＝x·NDVI+y

式中，L是作物叶绿素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出；

作物的氮素含量：N＝x·NDVI+y

式中，N是作物氮素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出。

其中，所述方法还包括：

当主动光源与被动光源发生切换时，通过数据补偿模型进行数据的匹配校正和数据补偿，保证数据的一致性和准确性，具体包括：

其中，数据补偿模型为：

式中，NDVI为矫正后的NDVI值，NDVI_b为根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值，NDVI_z为根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值，L为环境光光强，L_y为变换阈值，k，b系数的值由实验结果给出。

本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法，在阳光充足时通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱。实时测量环境光照强度，预先通过数据分析，获取被动光源接收模块和主动光源接收模块的切换阈值。在光照强度较弱且达到切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并通过主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。

本发明实施例结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

由于被动光源式光谱学探测设备是以太阳作为光源，采集作物冠层的反射光谱信息，测量的数据容易受到天气的干扰，且测量的时间窗口短，不能在阴天、阳光不充足的时间段等情况下使用。基于主动光源的作物生长检测设备，能够通过采集光谱信息来检测作物的生长信息，但是光源在正午或阳光强烈的农田环境中使用，一方面会受到干扰，导致数据产生波动，另一方面长时间的主动光源发光能耗高，系统存在发热等问题。

因此，本发明实施例提供了一种全天候光环境自适应作物生长检测装置及方法，在阳光充足时通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱。实时测量环境光照强度，预先通过数据分析，获取被动光源接收模块和主动光源接收模块的切换阈值。在光照强度较弱且达到切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并通过主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。当主动光源与被动光源发生切换时，进行数据的匹配校正和数据补偿，保证数据的一致性和准确性。该装置结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，解决了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的技术问题，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

图1为根据本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测装置的结构示意图，参照图1，该装置包括被动光源接收模块、光源发射模块、主动光源接收模块和主控芯片；

在天气良好的情况下使用标准白板进行仪器标定，将本装置置于作物冠层上方30cm处，打开装置电源，对准作物的冠层。

被动光源接收模块用于采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，具体的，被动光源接收模块采用AS7263，被动光源接收模块能够接收太阳光在作物冠层形成610、680、730、760、810和860nm的反射光谱。

式中，U₆₁₀′，U₆₈₀′，U₇₃₀′，U₇₆₀′，U₈₁₀′，U₈₆₀′表示多光谱光强传感器采集作物冠层在610、680、730、760、810和860nm的光照强度的数字量。U₆₁₀，U₆₈₀，U₇₃₀，U₇₆₀，U₈₁₀，U₈₆₀表示多光谱光强传感器采集标准白板在610、680、730、760、810和860nm的光照强度的数字量。K₆₁₀，K₆₈₀，K₇₃₀，K₇₆₀，K₈₁₀，K₈₆₀表示多光谱光强传感器的修正系数。R₆₁₀，R₆₈₀，R₇₃₀，R₇₆₀，R₈₁₀，R₈₆₀表示多光谱光强传感器测量的610、680、730、760、810和860nm的反射率。

光源发射模块用于发射光信号，主动光源接收模块用于采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。环境光监测模块用于实时检测环境光照强度，并根据预设切换阈值，切换被动光源接收模块和主动光源接收模块的工作。

需要说明的是，在装置工作前预先设定启动光源发射模块的切换阈值。切换阈值的获取方法包括：持续测量作物的NDVI值。采用光强度传感器实时测量环境光照强度，依次减少环境光照强度，对不同光强下作物的NDVI值进行一阶导运算，当一阶导运算值出现明显波动时，将对应的环境光照强度值作为切换阈值。

当K_i发生明显变化时W＝i

实时检测环境光照强度，当环境光照强度达到预设切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。

主动光源采集作物冠层680nm和860nm的反射光谱，得到反射的光照强度的对应电压值。假设主动光源发射模块的光辐照度为E_se，光源反射光接收模块接收到的光辐照度为E_ref，则对应的反射率R_ref为：

式中，K是用标准白板测得的，称为特征光学常数。E_ref1为标准白板测得的反射光强，E_se1为发射光强。使用标准白板测量的反射率接近为1，所以k约等于1。最终得到的反射率R_ref为：

需要说明的是，本发明实施例设计了特征波长为680nm和860nm的大功率的LED作为光源发射模块，并将光源进行脉冲编码调制，使主动光源能够在弱光的环境下与环境光进行分离。

主控芯片用于根据主动光源接收模块和/或被动光源接收模块采集的数据，实时计算作物的NDVI值。其中，被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱，主控芯片获取太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。本发明实施例利用光谱技术实现作物的生长状态的快速，无损，全天候的监测，利用作物的反射光谱等特性进行作物长势、营养的监测，为精细农业的发展提供支撑。

式中，R_nir为近红外的反射率，R_red为红光的反射率。

现有的作物生长检测设备是将主动光源的监测和被动光源的监测分为两个独立的部分，被动光源在阳光充足的条件下测量的稳定性和准确性很强，但在天气条件不好的情况下，采用被动光源测量会产生很大的误差，主动光源的测量在天气条件不好的情况下有很好的测量效果，但是在阳光过于强烈的时候，主动光源产生的光信号就会被阳光所掩盖，使得测量的数据不准确。而本发明实施例结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

在得到作物的NDVI值后，即可根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量。

作物的叶绿素含量：L＝x·NDVI+y

式中，L是作物叶绿素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出；

作物的氮素含量：N＝x·NDVI+y

式中，N是作物氮素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出。

当主动光源与被动光源发生切换时，通过数据补偿模型进行数据的匹配校正和数据补偿，保证数据的一致性和准确性，具体数据补偿模型为：

式中，NDVI为矫正后的NDVI值，NDVI_b为根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值，NDVI_z为根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值，L为环境光光强，L_y为变换阈值，k，b系数的值由实验结果给出。

本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测装置，在阳光充足时通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱。实时测量环境光照强度，预先通过数据分析，获取被动光源接收模块和主动光源接收模块的切换阈值。在光照强度较弱且达到切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并通过主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。本发明实施例结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

在上述实施例的基础上，该装置还包括无线传输模块，所述主控芯片通过无线传输模块连接上位机，所述主控芯片还用于将计算获得的作物NDVI值传输至上位机。所述主控芯片还包括内置存储SD卡，所述内置存储SD卡用于存储主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据。

具体地，主控芯片获取主动光源接收模块和/或被动光源接收模块采集的数据，同时将上述数据保存到内置存储SD卡中。主控芯片将计算获得的作物NDVI值发生至上位机。

全天候光环境自适应作物生长检测装置还包括显示模块，显示模块连接主控芯片，用于显示作物NDVI值。

在上述各实施例的基础上，所述主控芯片包括数据匹配单元，所述数据匹配单元用于获取主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据，并进行数据匹配。

需要说明的是，由于被动光源接收模块与主动光源接收模块的数据处理方式不同，在被动光源接收模块和主动光源接收模块切换后，需要对数据进行匹配，数据匹配的方法具体的为：以根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值作为标准，改变环境光照强度，使光照强度达到切换阈值，装置切换至主动光源接收模块的工作方式下，在不同的光照强度下，首先对根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值进行均值滤波，然后与标准NDVI进行差分运算，建立不同光照与差值之间数据补偿模型，对主动光源接收模块测量的NDVI值进行补偿，实现主动式测量与被动式测量数据结果的匹配性和一致性。本实施例中，通过主动光源接收模块采集的数据测量作物NDVI值即为主动式测量，通过被动光源接收模块采集的数据测量作物NDVI值即为被动式测量。

数据补偿模型具体为：

式中，NDVI为矫正后的NDVI值，NDVI_b为根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值，NDVI_z为根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值，L为环境光光强，L_y为变换阈值，k，b系数的值由实验结果给出。

在上述各实施例的基础上，所述装置进一步包括电源管理模块，所述电源管理模块包括太阳能充电单元和电池；所述太阳能充电单元连接电池的一端，进行太阳能充电；所述电池的另一端连接主控芯片。

具体地，所述太阳能充电单元连接电池的一端，进行太阳能充电，提高太阳能资源利用，延长系统使用时间；所述电池的另一端连接主控芯片。在光源发射和主动光源接收状态下，如电量不足关闭光源发射并提供报警信号并切换至被动式测量状态。

本实施例通过设置太阳能充电单元解决了传统基于主动光源的作物生长检测设备电池能耗高和测量时间短的问题，本实施例中，装置在被动式测量时利用太阳能充电单元对电池进行充电，在主动式测量时锂电池为光源发射模块供电，利用了环境中的可再生能源，提高能源利用率，延长了作业时间。在光源发射和主动光源接收状态下，如电量不足关闭光源发射并提供报警信号并切换至被动式测量状态。

图2为根据本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测方法流程示意图，参照图1和图2本发明实施例提供一种全天候光环境自适应作物生长检测方法，包括：

S1，采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱；

具体地，在天气良好的情况下使用标准白板进行仪器标定，将全天候光环境自适应作物生长检测装置置于作物冠层上方30cm处，打开装置电源，对准作物的冠层。

通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，具体的，被动光源接收模块采用AS7263，被动光源接收模块能够接收太阳光在作物冠层形成610、680、730、760、810和860nm的反射光谱。

式中，U₆₁₀′，U₆₈₀′，U₇₃₀′，U₇₆₀′，U₈₁₀′，U₈₆₀′表示多光谱光强传感器采集作物冠层在610、680、730、760、810和860nm的光照强度的数字量。U₆₁₀，U₆₈₀，U₇₃₀，U₇₆₀，U₈₁₀，U₈₆₀表示多光谱光强传感器采集标准白板在610、680、730、760、810和860nm的光照强度的数字量。K₆₁₀，K₆₈₀，K₇₃₀，K₇₆₀，K₈₁₀，K₈₆₀表示多光谱光强传感器的修正系数。R₆₁₀，R₆₈₀，R₇₃₀，R₇₆₀，R₈₁₀，R₈₆₀表示多光谱光强传感器测量的610、680、730、760、810和860nm的反射率。

S2，实时检测环境光照强度，当环境光照强度达到预设切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。

需要说明的是，在执行步骤S2之前，需要设定启动光源发射模块的切换阈值。切换阈值的获取方法包括：持续测量作物的NDVI值。采用光强度传感器实时测量环境光照强度，依次减少环境光照强度，对不同光强下作物的NDVI值进行一阶导运算，当一阶导运算值出现明显波动时，将对应的环境光照强度值作为切换阈值。

当K_i发生明显变化时W＝i

实时检测环境光照强度，当环境光照强度达到预设切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。

主动光源采集作物冠层680nm和860nm的反射光谱，得到反射的光照强度的对应电压值。假设主动光源发射模块的光辐照度为E_se，光源反射光接收模块接收到的光辐照度为E_ref，则对应的反射率R_ref为：

式中，K是用标准白板测得的，称为特征光学常数。E_ref为标准白板测得的反射光强，E_se1为发射光强。使用标准白板测量的反射率接近为1，所以k约等于1。最终得天的反射率R_ref为：

需要说明的是，本发明实施例设计了特征波长为680nm和860nm的大功率的LED作为光源发射模块，并将光源进行脉冲编码调制，使主动光源能够在弱光的环境下与环境光进行分离。

S3，根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。

具体地，主控芯片根据主动光源接收模块和/或被动光源接收模块采集的数据，实时计算作物的NDVI值。其中，被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱，主控芯片获取太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。本发明实施例利用光谱技术实现作物的生长状态的快速，无损，全天候的监测，利用作物的反射光谱等特性进行作物长势、营养的监测，为精细农业的发展提供支撑。

式中，R_nir为近红外的反射率，R_red为红光的反射率。

现有的作物生长检测设备是将主动光源的监测和被动光源的监测分为两个独立的部分，被动光源在阳光充足的条件下测量的稳定性和准确性很强，但在天气条件不好的情况下，采用被动光源测量会产生很大的误差，主动光源的测量在天气条件不好的情况下有很好的测量效果，但是在阳光过于强烈的时候，主动光源产生的光信号就会被阳光所掩盖，使得测量的数据不准确。而本发明实施例结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：在得到作物的NDVI值后，根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量。

作物的叶绿素含量：L＝x·NDVI+y

式中，L是作物叶绿素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出；

作物的氮素含量：N＝x·NDVI+y

式中，N是作物氮素含量的值，x，y系数的值由实验结果给出。

在上述各实施例的基础上，所述方法还包括：

当主动光源与被动光源发生切换时，利用数据补偿模型进行数据的匹配校正和数据补偿，以保证数据的一致性和准确性。可以理解的是，本实施例中，被动光源是指太阳光，主动光源是指光源发射模块发射光信号。

具体地，数据补偿模型为：

式中，NDVI为矫正后的NDVI值，NDVI_b为根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值，NDVI_z为根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值，L为环境光光强，L_y为变换阈值，k，b系数的值由实验结果给出。

本发明实施例提供的全天候光环境自适应作物生长检测方法，在阳光充足时通过被动光源接收模块采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱。实时测量环境光照强度，预先通过数据分析，获取被动光源接收模块和主动光源接收模块的切换阈值。在光照强度较弱且达到切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并通过主动光源接收模块采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱。根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。当主动光源与被动光源切换时对数据进行匹配校正和补偿，保证数据的一致性和准确性。本发明实施例结合使用被动光源和主动光源测量作物的NDVI值，避免了传统的作物生长检测设备测量值易受环境干扰的缺陷，对作物NDVI值的测量结果更加精确，提高了作物生长检测装置的可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种全天候光环境自适应作物生长检测装置，其特征在于，包括环境光监测模块，被动光源接收模块、光源发射模块、主动光源接收模块和主控芯片；

所述被动光源接收模块用于采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱，所述光源发射模块用于发射光信号，所述主动光源接收模块用于采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱；

所述环境光监测模块用于实时检测环境光照强度，并根据预设切换阈值，切换被动光源接收模块和主动光源接收模块的工作；所述主控芯片用于根据主动光源接收模块和/或被动光源接收模块采集的数据，实时计算作物的NDVI值。

2.根据权利要求1所述的全天候光环境自适应作物生长检测装置，其特征在于，所述装置还包括无线传输模块，所述主控芯片通过无线传输模块连接上位机，所述主控芯片还用于将计算获得的作物NDVI值传输至上位机。

3.根据权利要求1所述的全天候光环境自适应作物生长检测装置，其特征在于，所述主控芯片还包括内置存储SD卡，所述内置存储SD卡用于存储主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据。

4.根据权利要求3所述的全天候光环境自适应作物生长检测装置，其特征在于，所述主控芯片包括数据匹配单元，所述数据匹配单元用于获取主动光源接收模块和被动光源接收模块采集的数据，并进行数据匹配。

5.根据权利要求1所述的全天候光环境自适应作物生长检测装置，其特征在于，所述装置进一步包括电源管理模块，所述电源管理模块包括太阳能充电单元和电池；所述太阳能充电单元连接电池的一端，进行太阳能充电；所述电池的另一端连接主控芯片。

6.一种全天候光环境自适应作物生长检测方法，其特征在于，包括：

S1，采集太阳光在作物冠层形成的反射光谱；

S2，实时检测环境光照强度，当环境光照强度达到预设切换阈值时，启动光源发射模块发射光信号，并采集光源发射模块发射的光信号在作物冠层形成的反射光谱；

S3，根据太阳光在作物冠层形成的反射光谱和/或光信号在作物冠层形成的反射光谱，实时计算作物的NDVI值。

7.根据权利要求6所述的全天候光环境自适应作物生长检测方法，其特征在于，在步骤S2之前，所述方法还包括：设定启动光源发射模块的切换阈值，具体包括：

持续测量作物的NDVI值，然后依次减少环境光照强度，对不同光强下作物的NDVI值进行一阶导运算，当一阶导运算值出现明显波动时，将对应的环境光照强度值作为切换阈值；

当K_i发生明显变化时W＝i

式中，NDVI_i是环境光强为i时的NDVI值，K_i是NDVI_i的导数，W是切换阈值。

8.根据权利要求6所述的全天候光环境自适应作物生长检测方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法还包括：

根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量。

9.根据权利要求8所述的全天候光环境自适应作物生长检测方法，其特征在于，所述根据作物的NDVI值，计算作物的叶绿素含量和氮素含量，具体包括：

作物的叶绿素含量：L＝x·NDVI+y

式中，L是作物叶绿素含量的值，x,y系数的值由实验结果给出；

作物的氮素含量：N＝x·NDVI+y

式中，N是作物氮素含量的值，x,y系数的值由实验结果给出。

10.根据权利要求6所述的全天候光环境自适应作物生长检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

当主动光源与被动光源发生切换时，通过数据补偿模型进行数据的匹配校正和数据补偿；

其中，数据补偿模型为：

式中，NDVI为矫正后的NDVI值，NDVI_b为根据被动光源接收模块采集数据获得的NDVI值，NDVI_z为根据主动光源接收模块采集数据获取的NDVI值，L为环境光光强，L_y为变换阈值，k,b系数的值由实验结果给出。