CN113252522A - 基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精准农业的植保机械施药技术领域，涉及一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置及方法。装置包括控制组件、喷雾组件和测量组件；控制组件包括上位机、嵌入式控制板、第一继电器、第二继电器和第三继电器；喷雾组件包括通过管道依次连通的泵、压力调节阀、压力计、电磁阀和雾化喷头；测量组件包括光源、高光谱仪、电子秤、秤台覆盖罩、叶片支撑装置和测量框架。本发明测量效率高，具有各步骤灵活可调，自动化程度高的优点。

Description

基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置
技术领域
本发明属于精准农业的植保机械施药技术领域，涉及一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置。
背景技术
在精准施药中，药液沉积在植物叶片上雾滴的量是评估不同植保机械喷雾质量的重要指标，是精准施药技术不断提高的重要数据基础，故需要测量不同植保机械在不同工作参数下植物叶片雾滴沉积量。
目前，测量植物叶片沉积雾滴的办法主要是在水中加入示踪剂作为喷洒液体，通过针对不同的植保机械的作业方式在田间布置雾滴收集装置，将收集到雾滴的收集装置加入固定体积去离子水洗脱，不同的示踪剂使用吸光光度法或荧光发射光谱法对洗脱液进行测量，将测量值经过换算后得到植物叶片沉积雾滴的量。这种通过在田间布置收集样品测量沉积在植物叶片上雾滴的量来评估不同植保机械喷雾质量的方法需要科研人员布置大量的样品，加入指示剂，使用专门的仪器进行测定。这个过程极为繁琐，需要耗费大量的人力物力，工作效率非常低。为提高评估结果的准确性还需要进行多次重复，进一步增加了该方法材料的耗费，以及科研人员的时间和精力的投入。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置，以解决现有技术中对于测量沉积在植物叶片上雾滴的量效率低下的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，包括控制组件、喷雾组件和测量组件。
所述控制组件包括上位机1、嵌入式控制板2、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5。
所述喷雾组件包括泵6、压力调节阀7、压力计8、电磁阀9和雾化喷头10；其中，泵6的两端通过管道分别与药液源和雾化喷头10连接，泵6和雾化喷头10的管道上设有压力调节阀7、压力计8和电磁阀9。
所述测量组件包括光源11、高光谱仪12、电子秤13、秤台覆盖罩14、叶片支撑装置15和测量框架16。
所述测量框架16为一立方体框架，所述电子秤13通过一对支撑梁设置在测量框架16内，电子秤13的秤台的中心位于测量框架16的中心垂线上；所述秤台覆盖罩14罩设在电子秤13的上方，且不与电子秤13的秤台接触；秤台覆盖罩14的中心处开有与电子秤13的秤台的中心同直线的通孔；所述叶片支撑装置15包括底座、连接杆和样品平台；所述连接杆从秤台覆盖罩14的通孔中穿过，连接杆的两端分别与底座和样品平台的中心连接；所述底座位于秤台覆盖罩14内部，并放置于电子秤13的秤台上；所述样品平台位于秤台覆盖罩14外部，用于放置植物叶片；所述秤台覆盖罩14的顶部外表面设有一层黑色海绵。
所述高光谱仪12设置在叶片支撑装置15的样品平台的正上方。
多个光源11固接在测量框架16的顶部四周，各光源11的光斑落在叶片支撑装置15的样品平台的中心，构成无影照射。
所述雾化喷头10设置在测量框架16的侧部，并以叶片支撑装置15的样品平台的中心区域为雾化区域。
所述第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5分别与泵6、电磁阀9和光源11电连接，分别控制控制泵6、电磁阀9、光源11的开闭。
所述上位机1通过数据线分别与嵌入式控制板2、高光谱仪12和电子秤13连接，向嵌入式控制板2发出控制指令并接收和存储高光谱仪12和电子秤13采集的数据。
所述嵌入式控制板2分别与高光谱仪12、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5连接。
所述光源11为红色光源。
所述光源11为LED灯。
雾化喷头10的工作压力为3±1bar。
所述高光谱仪12的高度高于雾化喷头10雾化雾滴运动至测量框架16中心垂线时的最高高度。
所述植物叶片雾滴沉积量测量装置通过电源17分别为上位机1、嵌入式控制板2、电子秤13、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5供电。
一种利用所述的基于高光谱仪的植物叶片雾滴沉积量测量装置的植物叶片雾滴沉积量测量方法，包括如下步骤：
S1、将一植物叶片放置在叶片支撑装置15的样品平台的中心，开启光源11，各光源11的红色光斑落在叶片支撑装置15的样品平台的中心的植物叶片上，构成无影照射；电子秤13和高光谱仪12分别采集无雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，并传输至上位机1保存；
S2、电磁阀9开启0.1秒，药液经雾化喷头10雾化成雾滴沉积在植物叶片表面，电子秤13和高光谱仪12分别采集有雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，数据保存至上位机1；
S3、步骤S2重复10～20次；
S4、更换植物叶片，重复步骤S2～S3；
S5、上位机1将有雾滴沉积植物叶片重量数据减去无雾滴沉积植物叶片重量数据，得到植物叶片沉积雾滴重量数据，并将与有雾滴沉积的植物叶片的重量相应的波峰强度数据与植物叶片沉积雾滴重量数据对应打包为一个数据文件；
S6：建立基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和波峰强度数据之间的相关关系模型；通过高光谱仪12获取喷雾后植物叶片不同波长反射光线及强度数据后，根据基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和波峰强度数据之间的关系模型获得植物叶片上的雾滴沉积量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量的测量装置通过使用在光源光照射下雾滴顶部反射光线能被高光谱仪探测到，而雾滴底部反射光线因被雾滴向非高光谱仪方向反射而不能被高光谱仪探测到，随着叶片上沉积雾滴数增加，高光谱扫描数据中光源不同波长反射光线反射强度不断下降的原理，辅助以控制组件和喷雾组件，能够快速测量植物叶片上沉积雾滴的量，比较于传统的需要添加指示剂、洗脱收集样品上指示剂，并使用专门测量仪器进行测量的方法大大提升了测量的效率，此外该基于高光谱仪扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置还具有各步骤灵活可调，自动化程度高的优点。
附图说明
图1为本发明的植物叶片雾滴沉积量的测量装置的部件连接示意图；
图2为本发明的测量组件的结构示意图；
图3为本发明的叶片沉积雾滴的反射光线示意图；
图4a～图4d为高光谱仪扫描到的叶片上不同雾滴沉积量情况下不同波长反射光线与反射强度数据的曲线图；
图4e为图4a～图4d的合并曲线图。
其中的附图标记为：
1 上位机 2 嵌入式控制板
3 第一继电器 4 第二继电器
5 第三继电器 6 泵
7 压力调节阀 8 压力计
9 电磁阀 10 雾化喷头
11 光源 12 高光谱仪
13 电子秤 14 秤台覆盖罩
15 叶片支撑装置 16 测量框架
17 电源
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1和图2所示，一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，包括控制组件、喷雾组件和测量组件。
所述控制组件包括上位机1、嵌入式控制板2、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5。
所述喷雾组件包括泵6、压力调节阀7、压力计8、电磁阀9和雾化喷头10；其中，泵6的两端通过管道分别与药液源和雾化喷头10连接，泵6和雾化喷头10的管道上设有压力调节阀7、压力计8和电磁阀9。
所述测量组件包括光源11、高光谱仪12、电子秤13、秤台覆盖罩14、叶片支撑装置15和测量框架16。
所述测量框架16为一立方体框架，所述电子秤13通过一对支撑梁设置在测量框架16内，电子秤13的秤台的中心位于测量框架16的中心垂线上。所述秤台覆盖罩14罩设在电子秤13的上方，且不与电子秤13的秤台接触；秤台覆盖罩14的中心处开有与电子秤13的秤台的中心同直线的通孔。所述叶片支撑装置15包括底座、连接杆和样品平台；所述连接杆从秤台覆盖罩14的通孔中穿过，连接杆的两端分别与底座和样品平台的中心连接；所述底座位于秤台覆盖罩14内部，并放置于电子秤13的秤台上；所述样品平台位于秤台覆盖罩14外部，用于放置植物叶片。所述秤台覆盖罩14的顶部外表面设有一层黑色海绵，用于降低非叶片区域的反光强度，使高光谱仪12扫描到的光谱图像中非叶片区域的反光强度与叶片区域反光强度的差别增大，便于提升计算雾滴沉积量的准确度。
所述高光谱仪12设置在叶片支撑装置15的样品平台的正上方，用于采集植物叶片的图像。
多个光源11固接在测量框架16的顶部四周，各光源11的光斑落在叶片支撑装置15的样品平台的中心，构成无影照射。
所述光源11为红色光源，选自LED灯。绿色的叶片对红光的吸收最少反射最多，能够提升测量准确度。
雾滴落在植物叶片的表面，形状如同一个半球，光线照射在雾滴上，雾滴不同位置反射光线与高光谱仪12之间的角度存在较大差异；照射在雾滴顶部的光线经雾滴反射后能被高光谱仪12扫描到；照射在雾滴侧部的光线经雾滴反射后不能被高光谱仪12扫描到。如图3所示，光线照射在雾滴上，实线表示能被高光谱仪12扫描到的反射光线，虚线表示不能被高光谱仪12扫描到的反射光线。因为雾滴侧部的反射光线同样不能被高光谱仪12扫描到，但是，这种差异并不会在高光谱仪12扫描到的光谱图像中标记出来，对后期数据处理造成非常大的困扰，故需要通过布置多个光源的办法尽量减少沉积在植物叶片表面雾滴的本影和半影。
图4a是经过5次喷雾后，高光谱仪12扫描到的植物叶片的不同波长的反射光线与反射强度数据曲线图，此时高光谱仪12扫描到的反射光线强度相对最高。图4b是经过10次喷雾后，高光谱仪12扫描到的植物叶片不同波长的反射光与反射强度数据曲线图，图4c和图4d是分别经过15次、20次喷雾后，高光谱仪12扫描到的植物叶片不同波长的反射光与反射强度数据曲线图，从图4e可以明显的看出随着喷雾次数的增加，沉积在植物叶片上雾滴量的增加，高光谱仪12扫描到的不同波长的反射光线反射强度不断下降。
所述雾化喷头10设置在测量框架16的侧部，并以叶片支撑装置15的样品平台的中心区域为雾化区域。雾化喷头10的工作压力为3±1bar。
所述高光谱仪12的高度高于雾化喷头10雾化雾滴运动至测量框架16中心垂线时的最高高度，防止高光谱仪12进水损坏。
所述第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5分别与泵6、电磁阀9和光源11电连接，分别控制控制泵6、电磁阀9、光源11的开闭。
所述上位机1通过数据线分别与嵌入式控制板2、高光谱仪12和电子秤13连接，向嵌入式控制板2发出控制指令并接收和存储高光谱仪12和电子秤13采集的数据。
所述嵌入式控制板2分别与高光谱仪12、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5连接。
所述植物叶片雾滴沉积量测量装置通过电源17分别为上位机1、嵌入式控制板2、电子秤13、第一继电器3、第二继电器4和第三继电器5供电。
一种基于高光谱仪的植物叶片雾滴沉积量测量方法，包括如下步骤：
S1、将一植物叶片放置在叶片支撑装置15的样品平台的中心，开启光源11，各光源11的红色光斑落在叶片支撑装置15的样品平台的中心的植物叶片上，构成无影照射；电子秤13和高光谱仪12分别采集无雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，并传输至上位机1保存；
S2、电磁阀9开启0.1秒，药液经雾化喷头10雾化成雾滴沉积在植物叶片表面，电子秤13和高光谱仪12分别采集有雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，数据保存至上位机1；
S3、步骤S2重复10～20次；
S4、更换植物叶片，重复步骤S2～S3；
S5、上位机1将有雾滴沉积植物叶片重量数据减去无雾滴沉积植物叶片重量数据，得到植物叶片沉积雾滴重量数据，并将与有雾滴沉积的植物叶片的重量相应的660nm处波峰强度数据与植物叶片沉积雾滴重量数据对应打包为一个数据文件。如使用spss软件，其压缩数据格式为sav。
S6：建立基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和660nm处波峰强度数据之间的相关关系模型；
通过高光谱仪12获取喷雾后植物叶片不同波长反射光线及强度数据后，根据基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和660nm处波峰强度数据之间的关系模型获得植物叶片上的雾滴沉积量。
具体地，从现有的数据不难发现，660nm处波峰强度数据与雾滴沉积量是幂函数关系，使用SPSS软件打开步骤S5中上位机1打包保存的与有雾滴沉积的植物叶片的重量相应的660nm处波峰强度数据与植物叶片沉积雾滴重量数据，依次选标题栏中的分析-回归-曲线估算，将660nm处波峰强度数据作为自变量，雾滴沉积重量作为因变量，选中模型框中的幂复选框，选中显示ANOVA表复选框，点击确定就可以看到模型摘要：模型的r^2值，ANOVA：显著性检验，系数：模型的系数。模型建立后，就可以根据基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和660nm处波峰强度数据之间的关系模型快速测量叶片雾滴沉积量数据。
本发明的工作过程如下：
测量装置调试并进入准备状态：给整个测量装置供电，控制组件准备：启动上位机1，嵌入式控制板2开始自检并等待至自检完毕。测量组件准备：
启动电子秤13，先读取电子秤13的数据，当多次读取数据标准差小于0.005时，电子秤13转入待机状态。
启动高光谱仪12，调整高光谱仪12的积分时间。
开启光源11。
喷雾组件准备：使用上位机通过嵌入式控制板将电磁阀9的开启时间设定为0.1秒，电磁阀9在开启0.1秒后会自动关闭，启动泵6向管路内输入药液，观察压力计8的读数，使用压力调节装置7调节压力至预设压力如3bar，待压力稳定后，喷雾组件进入待机状态。
记录无雾滴沉积的植物叶片重量数据和不同波长反射光线及反射强度数据：将植物叶片放置在叶片支撑装置15中心，上位机1读取电子秤13的称量数据并保存，高光谱仪12进行扫描，并将扫描到的不同波长反射光线及强度传输至上位机1并保存。
记录有雾滴沉积叶片重量数据和不同波长反射光线及反射强度数据：电磁阀9开始启，雾化喷头10喷雾。喷雾完毕后，上位机1读取电子秤13的称量数据并保存至上位机1，高光谱仪12进行扫描，并将扫描到的不同波长反射光线及强度传输至上位机1并保存。将该流程循环进行15次。
数据处理：上位机1获取大量无雾滴沉积叶片重量数据、不同波长反射光线及反射强度数据和经过喷雾后雾滴沉积逐渐增加的叶片重量数据、不同波长反射光线及反射强度数据，收集到的喷雾沉积后叶片重量数据减去没有喷雾沉积叶片重量数据，就能得到沉积喷雾的重量数据，并将重量数据与反射光线及其强度数据一一对应起来，就如图4a中喷雾沉积少，660nm红色led灯的波长处的波峰强度有39129，而图4b中喷雾沉积增加，660nm处的波峰强度就降低到了33460。随着喷雾次数的增加，叶片上沉积的雾滴越来越多，重量增加，660nm处的波峰强度也会对应减少，因为雾滴侧部反射光线不能被高光谱仪扫描到，沉积雾滴越多，被反射离开高光谱仪扫描范围的光线就越多，对应波长的反射强度就会减少。
建立基于最小二乘法的相关关系模型：雾滴数量增加，雾滴重量数据和660nm处波峰强度数据具有强烈的相关关系，基于最小二乘法原理建立，为了提升模型的准确性，需要获取不同情况下叶片上多种雾滴沉积量数据，使用spss等数据处理软件即可建立模型。
基于关系模型的叶片雾滴沉积量快速测量：获取到足够多的沉积雾滴重量数据和不同波长反射光线及强度数据，就可以建立二者之间基于最小二乘法原理的相关关系模型，搭建完毕过后，在未来的田间施药机具喷雾特性实验中，只需要收集喷雾后的叶片，放置在叶片支撑装置15中心使用高光谱仪12扫描，就能够通过获取到的不同波长反射光线及强度数据通过模型计算快速得到沉积雾滴的重量数据，对比现有的需要布样、收样、测量的沉积雾滴测量方法，节省了大量的人力物力。
在使用本发明的基于高光谱仪扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置时，只需要在开始工作前对测量装置进行调试并使其进入准备状态。之后只需要操作人员手动更换一次叶片，就能得到无雾滴沉积叶片重量数据和不同波长反射光线及反射强度数据，经过喷雾后雾滴沉积逐渐增加的叶片重量数据和不同波长反射光线及反射强度数据。除去更换叶片这一步骤，该测量装置都是自动化的，节约时间、省时省力。
喷雾组件中包括能改变管路内压力的压力调节阀7、能够更换喷嘴的雾化喷头10、能够控制雾化喷头10开闭时间的电磁阀9。使用该套测量装置能够在短时间内，快速、省力地获得多种叶片不同沉积量的重量数据和不同波长反射光线及反射强度数据，为准确测量植物叶片沉积雾滴量提供大量数据。

Claims (7)

1.一种基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，包括控制组件、喷雾组件和测量组件；
所述控制组件包括上位机(1)、嵌入式控制板(2)、第一继电器(3)、第二继电器(4)和第三继电器(5)；
所述喷雾组件包括泵(6)、压力调节阀(7)、压力计(8)、电磁阀(9)和雾化喷头(10)；其中，泵(6)的两端通过管道分别与药液源和雾化喷头(10)连接，泵(6)和雾化喷头(10)的管道上设有压力调节阀(7)、压力计(8)和电磁阀(9)；
所述测量组件包括光源(11)、高光谱仪(12)、电子秤(13)、秤台覆盖罩(14)、叶片支撑装置(15)和测量框架(16)；
所述测量框架(16)为一立方体框架，所述电子秤(13)通过一对支撑梁设置在测量框架(16)内，电子秤(13)的秤台的中心位于测量框架(16)的中心垂线上；所述秤台覆盖罩(14)罩设在电子秤(13)的上方，且不与电子秤(13)的秤台接触；秤台覆盖罩(14)的中心处开有与电子秤(13)的秤台的中心同直线的通孔；所述叶片支撑装置(15)包括底座、连接杆和样品平台；所述连接杆从秤台覆盖罩(14)的通孔中穿过，连接杆的两端分别与底座和样品平台的中心连接；所述底座位于秤台覆盖罩(14)内部，并放置于电子秤(13)的秤台上；所述样品平台位于秤台覆盖罩(14)外部，用于放置植物叶片；所述秤台覆盖罩(14)的顶部外表面设有一层黑色海绵；
所述高光谱仪(12)设置在叶片支撑装置(15)的样品平台的正上方；
多个光源(11)固接在测量框架(16)的顶部四周，各光源(11)的光斑落在叶片支撑装置(15)的样品平台的中心，构成无影照射；
所述雾化喷头(10)设置在测量框架(16)的侧部，并以叶片支撑装置(15)的样品平台的中心区域为雾化区域；
所述第一继电器(3)、第二继电器(4)和第三继电器(5)分别与泵(6)、电磁阀(9)和光源(11)电连接，分别控制控制泵(6)、电磁阀(9)、光源(11)的开闭；
所述上位机(1)通过数据线分别与嵌入式控制板(2)、高光谱仪(12)和电子秤(13)连接，向嵌入式控制板(2)发出控制指令并接收和存储高光谱仪(12)和电子秤(13)采集的数据；
所述嵌入式控制板(2)分别与高光谱仪(12)、第一继电器(3)、第二继电器(4)和第三继电器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，所述光源(11)为红色光源。
3.根据权利要求1所述的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，所述光源(11)为LED灯。
4.根据权利要求1所述的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，雾化喷头(10)的工作压力为3±1bar。
5.根据权利要求1所述的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，所述高光谱仪(12)的高度高于雾化喷头(10)雾化雾滴运动至测量框架(16)中心垂线时的最高高度。
6.根据权利要求1所述的基于高光谱扫描的植物叶片雾滴沉积量测量装置，其特征在于，所述植物叶片雾滴沉积量测量装置通过电源(17)分别为上位机(1)、嵌入式控制板(2)、电子秤(13)、第一继电器(3)、第二继电器(4)和第三继电器(5)供电。
7.一种利用如权利要求1-6所述的基于高光谱仪的植物叶片雾滴沉积量测量装置的植物叶片雾滴沉积量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将一植物叶片放置在叶片支撑装置(15)的样品平台的中心，开启光源(11)，各光源(11)的红色光斑落在叶片支撑装置(15)的样品平台的中心的植物叶片上，构成无影照射；电子秤(13)和高光谱仪(12)分别采集无雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，并传输至上位机(1)保存；
S2、电磁阀(9)开启，药液经雾化喷头(10)雾化成雾滴沉积在植物叶片表面，电子秤(13)和高光谱仪(12)分别采集有雾滴沉积的植物叶片的重量和不同波长反射光线及反射强度数据，数据保存至上位机(1)；
S3、步骤S2重复10～20次；
S4、更换植物叶片，重复步骤S2～S3；
S5、上位机(1)将有雾滴沉积植物叶片重量数据减去无雾滴沉积植物叶片重量数据，得到植物叶片沉积雾滴重量数据，并将与有雾滴沉积的植物叶片的重量相应的波峰强度数据与植物叶片沉积雾滴重量数据对应打包为一个数据文件；
S6：建立基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和波峰强度数据之间的相关关系模型；通过高光谱仪(12)获取喷雾后植物叶片不同波长反射光线及强度数据后，根据基于最小二乘法原理的雾滴重量数据和波峰强度数据之间的关系模型获得植物叶片上的雾滴沉积量。
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