CN111398227A - 可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统 - Google Patents

可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，包括SIF测量装置和作物冠层高度测量装置；SIF测量装置包括SIF传感器探头，用于测量冠层的辐亮度信息和天空的辐照度信息；作物冠层高度测量装置包括：测距传感器，用于获取作物冠层的高度信息；智能控制单元，根据作物冠层高度信息，计算SIF传感器探头需要进行升降的距离，并向执行单元发出升降指令；执行单元，根据智能控制单元发出的升降指令，调整SIF传感器探头的高度，使SIF传感器探头与作物冠层之间的距离在整个生长期内保持不变。本发明的日光诱导叶绿素荧光测量系统，可根据作物冠层高度自动调节SIF传感器探头的高度，从而获得更为可靠的作物日光诱导叶绿素荧光信息。

Description

可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统
技术领域
本发明涉及农作物遥感技术领域，尤其涉及一种可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统。
背景技术
光合作用是植物生长发育最重要的生命过程，它不仅影响植物的二氧化碳固定、水等物质循环，而且能够直接地反映植物的生命活动状态。目前而言还缺少有效地探测植物冠层光合作用信息的无损遥感手段，日光诱导叶绿素荧光(Solar-InducedFluorescence，SIF)与植被光合作用关系十分密切，日益成为监测农作物光合作用状态的有效手段。
农作物在自然光条件下，植物吸收的太阳光有三种利用途径：其中大部分用于光合作用的光化学反应，一部分以热量的形式耗散掉，另一部分以荧光的形式释放。这三个过程相互竞争，此消彼长。因此，鉴于叶绿素荧光和光合作用的光化学反应是相互竞争的关系，通过对自然光条件下叶片叶绿素荧光信号进行探测，可以推断植物的光合作用状态，从而对植物的生长潜力和生命力状况进行评估。在一些相对恶劣的生长条件下，植物的生长过程处于受胁迫状态，光能利用的过程会有所不同。例如，而当植物处于较强的光照条件时，可以较多地通过热量耗散的方式，将多余的光能耗散出去，从而避免强光对叶片的灼伤，起到更好地保护植物的作用；在水胁迫和营养胁迫条件下，植物的叶绿素荧光信号和光合作用的光化学反应也会有别于正常条件下的作物，捕捉这些细微的变化有助于更好研究植物光合作用的状态。目前的田间SIF测量表型平台通过搭载高分辨率的光谱仪收集植物不同生长阶段的叶绿素荧光信息，该数据可用于研究不同作物品种、不同生长条件的光和作用能力和状态，评估作物营养含量、耐抗旱以及抗病虫害的能力，从而达到高效遗传育种的目的。
但目前的田间近地SIF测量系统仍然存在一些问题，由于传感器探头一直固定在距地面一定高度处，但是随着作物生长，作物冠层的高度会随之升高，如果SIF传感器探头的高度不进行相应调整，将会影响SIF传感器探头探测作物范围的准确性，因为SIF传感器探头的视场角不会改变，虽然SIF传感器探头高度固定，但是随着植物冠层高度上升，最终SIF传感器探头距离冠层的高度也会相应减小，SIF传感器探头测得的植物视野范围也会减少，最终留在视野范围内的植物样本会越来越少，试验对象的改变使我们很难精确跟踪特定植物冠层的全生长周期叶绿素荧光数据。同时传感器探头和植物冠层高度的改变也会影响荧光数据的提取，因为SIF测量系统主要是根据太阳光谱中的氧气吸收峰来提取荧光参数，如果传感器探头和测量对象(植物冠层)之间的空气层的厚度改变，必然会改变吸收峰的大小，从而也会影响后续的叶绿素荧光数据的提取。因而，如果随着作物的生长高度的改变不进行与之对应的高度调整，最终很难获得有价值的植物全生长周期叶绿素荧光数据。
发明内容
本发明了提供一种可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，可根据作物冠层高度来自动调节SIF传感器探头的高度，从而获得更为可靠的作物叶绿素荧光信息。
具体技术方案如下：
一种可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光(Solar-InducedFluorescence，SIF)测量系统，包括SIF测量装置和作物冠层高度测量装置；
所述SIF测量装置包括SIF传感器探头，所述SIF传感器探头用于测量冠层的辐亮度信息和天空的辐照度信息；
所述作物冠层高度测量装置包括：
测距传感器，用于获取作物冠层的高度信息；
智能控制单元，根据所述测距传感器获取作物冠层的高度变化信息，计算出SIF传感器探头需要进行升降的距离，并向执行单元发出升降指令；
执行单元，根据所述智能控制单元发出的升降指令，调整所述SIF传感器探头的高度，使所述SIF传感器探头与作物冠层之间的高度差在作物整个生长期内保持不变。
本发明的日光诱导叶绿素荧光测量系统通过搭测距传感器来实时监测各个生长时期作物冠层的高度，经由智能控制单元计算后，再由执行单元根据作物冠层的高度变化来调整SIF传感器探头的上升高度，从而使SIF传感器探头与作物冠层的高度差保持不变，最终获得更为可靠的作物叶绿素荧光信息，也能更好地反应出作物的生长状态。
所述的SIF传感器探头包括：
冠层辐亮度测量探头，用于测量冠层的辐亮度信息；
天空辐照度测量探头，用于测量天空的辐照度信息。
所述的测距传感器为激光雷达测距传感器或接触式应力传感器。
所述的执行单元包括升降模块，所述升降模块包括：
基座；
直立杆件，固定在所述基座上，所述的测距传感器安装在所述直立杆件上；
横杆，滑动安装在所述直立杆件上部，用于搭载所述的SIF传感器探头；
控制模块，向驱动模块发出指令，控制所述测距传感器相对直立杆件移动；
驱动模块，根据所述智能控制单元发出的升降指令，驱动横杆沿直立杆件上下滑动，调整所述SIF传感器探头的高度，使所述SIF传感器探头与作物冠层之间的高度差保持不变。
驱动模块包括电机和传动件，传动件为齿轮、齿轮条。
当测距传感器为激光雷达测距传感器时，所述的激光雷达测距传感器通过水平滑杆安装在所述的直立杆件上；所述的激光雷达测距传感器滑动安装在水平滑杆上。
在测量激光雷达测距传感器与作物冠层之间的距离时，使激光雷达测距传感器在水平滑杆上水平运动，测量并记录激光雷达测距传感器与作物冠层之间的距离，选择最短距离作为激光雷达测距传感器与作物冠层之间的距离。
此时，使用所述日光诱导叶绿素荧光测量系统测量作物叶绿素荧光的方法为：
(1)假定实验要求SIF传感器探头与作物冠层的高度差为H，首先将SIF传感器探头放置到与作物冠层的高度差为H处，并将激光雷达测距传感器放置到合适的高度处保持；
(2)开启激光雷达测距传感器，激光雷达测距传感器沿水平滑杆滑动连续采点，多次重复，以最小距离作为激光雷达测距传感器与作物冠层之间的距离，作为二者之间的初始距离X0；
(3)特定的时间间隔后，再次开启激光雷达测距传感器，激光雷达测距传感器沿水平滑杆滑动连续采点，多次重复，仍以最小距离作为激光雷达测距传感器与作物冠层之间的实时距离X；
(4)计算激光雷达测距传感器与作物冠层之间初始距离X0与实时距离X之间的距离差X′，该高度差即为作物该时间段内生长的高度，该距离差X′也是SIF传感器探头需要上升的高度；；
距离差X′即为作物在两次测量间的生长高度；
(5)执行单元将SIF传感器探头上升，上升的高度为距离差X′；
(6)SIF传感器探头高度调节完毕后，对作物冠层进行叶绿素荧光数据测量即可；
(7)在作物的各个生长周期内，每隔特定的时间间隔，重复步骤(3)～(7)即可。
当测距传感器为接触式应力传感器时，所述的接触式应力传感器滑动安装在所述的直立杆件上。
此时，使用所述日光诱导叶绿素荧光测量系统测量作物叶绿素荧光的方法为：
(1)假定实验要求SIF传感器探头与作物冠层的高度差为H，首先将SIF传感器探头和接触式应力传感器放置到同一高度处，使两者与作物冠层的高度差为H并保持；
(2)特定的时间间隔后，将接触式应力传感器沿直立杆件下滑，直到接触式应力传感器与作物冠层接触时为止，记录接触式应力传感器的移动距离为H′，计算出设定距离H与实际测量的H′的高度差h；
(3)执行单元将SIF传感器探头上升高度差h；
(4)SIF传感器探头上升完毕后，接触式应力传感器复位到SIF传感器探头同一高度处；
(5)SIF传感器探头高度调节完毕后，对作物冠层进行叶绿素荧光数据测量即可；
(6)在作物的各个生长周期内，每隔特定的时间间隔，重复步骤(2)～(6)即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的日光诱导叶绿素荧光测量系统通过测距传感器可实时监控作物冠层高度，通过执行单元实时调节SIF传感器探头的高度，来弥补由于作物生长导致的SIF传感器探头与作物冠层间高度差的改变，并维持SIF传感器探头与作物冠层特定的高度差，避免因SIF传感器探头与作物冠层高度差的改变，导致的实验条件的改变，避免SIF传感器探头探测范围内实验样本数目的改变，同时也避免了后处理时的荧光数据的校正与计算时因高度差不统一导致的不准确问题。相对于传统的SIF测量系统，本发明的日光诱导叶绿素荧光测量系统可以实现对作物全生长周期内日光诱导叶绿素荧光数据的准确测量。
附图说明
图1为实施例1日光诱导叶绿素荧光测量系统的结构示意图；
图2为实施例2日光诱导叶绿素荧光测量系统的结构示意图.
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的可适应作物不同生长时期测量需求的日光诱导叶绿素荧光测量系统主要由SIF测量系统和作物冠层高度测量系统两部分组成。
SIF测量系统由SIF传感器探头、光谱仪、光纤、数据传输单元和数据存储单元组成。
作物冠层高度测量系统由测距传感器、数据传输单元、智能控制单元和执行单元等几部分组成。
智能控制单元将测距传感器获取的冠层高度信息进行计算，确定出执行单元需要进行升降的距离并对其进行存储，执行单元将按照智能控制单元计算出的升降距离，通过升降模块对SIF测量系统的SIF传感器探头进行对应的升降操作。
升降模块具体包括：基座、直立杆件、动力传动装置(齿轮齿条传动)、电机等组成。执行单元对升降模块的电机执行操作，通过动力传动装置(齿轮齿条传动)来控制升降杆的上升。
整个日光诱导叶绿素荧光测量系统可以实现针对不同的冠层高度自动调节SIF传感器探头高度的功能，从而使日光诱导叶绿素荧光测量系统获取的数据更加精确。
本发明的日光诱导叶绿素荧光测量系统有多种实施方式，这里仅对以下两种实施方式进行描述：一种是测距传感器为基于激光雷达测距原理传感器，另一种是测距传感器为基于接触式应力传感器。
实施例1
基于激光雷达测距原理的可适应作物不同生长时期的日光诱导叶绿素荧光测量系统结构如图1所示，包括：冠层辐亮度测量探头1，用于测量冠层的辐亮度信息；天空辐照度测量探头2，用于测量天空的辐照度信息；光纤3；升降模块4；激光雷达测距传感器5；光滑导杆6；电线7；单片机控制系统8；升降杆9；光谱仪10；数据传输线11；计算机12。
升降模块4包括基座，基座上固定有金属竖杆、电机以及传动装置，金属竖杆上设有第一金属横杆和第二金属横杆，第一金属横杆和第二金属横杆在电机和传动装置下控制下，可沿金属竖杆上下移动。激光雷达测距传感器5设置在第二金属横杆上，可沿第二金属横杆在水平方向上移动，冠层辐亮度测量探头1、天空辐照度测量探头2设置在第一金属横杆上。
基于激光雷达测距原理的可适应作物不同生长时期的日光诱导叶绿素荧光测量系统的工作流程如下：
1、首先，设定本次试验的冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2与作物冠层的高度差需保持为H，并将激光雷达测距传感器5固定到与SIF传感器探头(冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2)确定的高度差处；
2、开启激光雷达测距传感器5，并使其在光滑导杆6中以速度v水平运动，在运动的过程中每隔0.01s保存一次数据，在所有的距离数据中，选择距离最短的数据的记录为激光雷达传感器与冠层的初始距离，并记为X0；
3、间隔设定时间后，激光雷达测距传感器5再次开启，并在光滑导杆6中以速度v水平运动，在运动的过程中每隔0.01s保存一次数据，在所有的距离数据中，选择距离最短的记录为激光雷达传感器5与冠层的实时距离，并记为X；
4、将激光雷达传感器5与冠层的实时距离X与初始距离X0进行比较，并计算出测量的距离差X′，该距离差X′即为作物生长的高度，也是SIF传感器探头需要上升的高度；
5、将计算出的高度差上传到单片机控制系统8，并通过高度升降模块4来自动调节SIF传感器探头与冠层的高度差；
6、此时，高度调节完毕的SIF系统开始进行数据采集，由冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2分别采集作物冠层辐亮度信号和太阳辐照度信号，经由光纤3将光学信号传递给光谱仪10；
7、光谱仪10中的光谱信息通过数据传输线11，传递到电脑12中，由电脑12进行日光诱导叶绿素荧光数值的提取和保存；
8、在接下来的各个生长周期中，每隔特定的时间间隔，重复步骤3～7即可。
实施例2
基于接触式应力传感器的可适应作物不同生长时期的日光诱导叶绿素荧光测量系统结构如图1所示，包括：冠层辐亮度测量探头1，用于测量冠层的辐亮度信息；天空辐照度测量探头2，用于测量天空的辐照度信息；光纤3；升降模块4；电线7；单片机控制系统8；升降杆9；光谱仪10；数据传输线11；计算机12；接触式应力传感器13。
升降模块4的结构同实施例1。接触式应力传感器13设置在金属竖杆上，可沿金属竖杆上下滑动。冠层辐亮度测量探头1、天空辐照度测量探头2设置在第一金属横杆上。
基于接触式应力传感器的可适应作物不同生长时期的日光诱导叶绿素荧光测量系统的工作流程如下：
1、首先，设定本次试验的冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2与作物冠层的高度差需保持为H，并将接触式应力传感器13上升到与冠层辐亮度测量探头1、天空辐照度测量探头2相同的高度处归零，此时单片机控制模块7将接触式应力传感器13的高度记录为零点；
2、由单片机控制系统7控制接触式应力传感器13向下移动，直到接触式应力传感器13与作物冠层接触时为止，单片机控制模块7记录接触式应力传感器13的移动距离为H′，并计算出设定的高度H与实际测量的H′的高度差为h；
3、单片机控制模块7将高度差h的数值传输给升降模块4去执行，使冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2距离作物冠层的距离始终为H；
4、升降模块4执行完毕之后，接触式应力传感器13复位到冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2的高度处并记录为新的零位；
5、此时，高度调节完毕的SIF系统开始进行数据采集，由冠层辐亮度测量探头1和天空辐照度测量探头2分别采集作物冠层辐亮度信号和太阳辐照度信号，经由光纤3将光学信号传递给光谱仪10；
6.光谱仪10中的光谱信息通过数据传输线11，传递到电脑12中，由电脑12进行叶绿素荧光数值的提取和保存。
7、在接下来的各个生长周期中，每隔特定的时间间隔，重复步骤2～6即可。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，包括SIF测量装置和作物冠层高度测量装置；
所述SIF测量装置包括SIF传感器探头，所述SIF传感器探头用于测量冠层的辐亮度信息和天空的辐照度信息；
所述作物冠层高度测量装置包括：
测距传感器，用于获取作物冠层的高度信息；
智能控制单元，根据所述测距传感器获取作物冠层的高度变化信息，计算出SIF传感器探头需要进行升降的距离，并向执行单元发出升降指令；
执行单元，根据所述智能控制单元发出的升降指令，调整所述SIF传感器探头的高度，使所述SIF传感器探头与作物冠层之间的高度差在作物整个生长期内保持不变。
2.根据权利要求1所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，所述的SIF传感器探头包括：
冠层辐亮度测量探头，用于测量冠层的辐亮度信息；
天空辐照度测量探头，用于测量天空的辐照度信息。
3.根据权利要求1所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，所述的测距传感器为激光雷达测距传感器或接触式应力传感器。
4.根据权利要求1所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，所述的执行单元包括升降模块，所述升降模块包括：
基座；
直立杆件，固定在所述基座上，所述的测距传感器安装在所述直立杆件上；
横杆，滑动安装在所述直立杆件上部，用于搭载所述的SIF传感器探头；
控制模块，向驱动模块发出指令，控制所述测距传感器相对直立杆件移动；
驱动模块，根据所述智能控制单元发出的升降指令，驱动横杆沿直立杆件上下滑动，调整所述SIF传感器探头的高度，使所述SIF传感器探头与作物冠层之间的高度差保持不变。
5.根据权利要求4所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，所述的测距传感器为激光雷达测距传感器，所述的激光雷达测距传感器通过水平滑杆安装在所述的直立杆件上；所述的激光雷达测距传感器滑动安装在水平滑杆上。
6.根据权利要求5所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，测量作物叶绿素荧光的方法为：
(1)假定实验要求SIF传感器探头与作物冠层的高度差为H，首先将SIF传感器探头放置到与作物冠层的高度差为H处，并将激光雷达测距传感器放置到合适的高度处保持；
(2)开启激光雷达测距传感器，激光雷达测距传感器沿水平滑杆滑动连续采点，多次重复，以最小距离作为激光雷达测距传感器与作物冠层之间的距离，作为二者之间的初始距离X0；
(3)特定的时间间隔后，再次开启激光雷达测距传感器，激光雷达测距传感器沿水平滑杆滑动连续采点，多次重复，仍以最小距离作为激光雷达测距传感器与作物冠层之间的实时距离X；
(4)计算激光雷达测距传感器与作物冠层之间初始距离X0与实时距离X之间的距离差X′，该高度差即为作物在该时间段内生长的高度，该距离差X′也是SIF传感器探头需要上升的高度；
(5)执行单元将SIF传感器探头上升，上升的高度为距离差X′；
(6)SIF传感器探头高度调节完毕后，对作物冠层进行叶绿素荧光数据测量即可；
(7)在作物的各个生长周期内，每隔特定的时间间隔，重复步骤(3)～(7)即可。
7.根据权利要求4所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，所述的测距传感器为接触式应力传感器，所述的接触式应力传感器滑动安装在所述的直立杆件上。
8.根据权利要求8所述的可适应作物全生育期观测的日光诱导叶绿素荧光测量系统，其特征在于，测量作物叶绿素荧光的方法为：
(1)假定实验要求SIF传感器探头与作物冠层的高度差为H，首先将SIF传感器探头和接触式应力传感器放置到同一高度处，使两者与作物冠层的高度差为H并保持；
(2)特定的时间间隔后，将接触式应力传感器沿直立杆件下滑，直到接触式应力传感器与作物冠层接触时为止，记录接触式应力传感器的移动距离为H′，计算出设定距离H与实际测量的H′的高度差h；
(3)执行单元将SIF传感器探头上升高度差h；
(4)SIF传感器探头上升完毕后，接触式应力传感器复位到SIF传感器探头同一高度处；
(5)SIF传感器探头高度调节完毕后，对作物冠层进行叶绿素荧光数据测量即可；
(6)在作物的各个生长周期内，每隔特定的时间间隔，重复步骤(2)～(6)即可。
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