CN201096717Y - 植被差异指数及其地理坐标测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种植被差异指数及其地理坐标测试仪，包括用于测量测定点近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强的第一测量模块，用于测量测定点地理坐标的第二测量模块，用于根据接收到的测定点的近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强计算出该测定点的归一化植被差异指数和处理该测定点的地理坐标的处理模块，与所述第一测量模块和第二测量模块相连接。通过本实用新型，可以实现同时采集并存储测定点的归一化植被差异指数及其地理坐标，方便研究人员对不同生长区域的农作物长势及氮肥吸收情况进行分析，并且该测试仪操作简单、结构简单、功能丰富、便于携带和操作。

Description

植被差异指数及其地理坐标测试仪

技术领域

本实用新型属于光学仪器领域，特别涉及一种能够同时测量测定点归一化植被差异指数和测定点地理坐标的植被差异指数及其地理坐标测试仪。

背景技术

植被是环境的重要组成部分，为了保护人类生存环境，全球变化的研究已经在许多国家相继开展，人们迫切希望找到一种量度这种变化的客观因子，而地表的植被的变化是一种理想的标尺。它分布很广泛，并与一定的气候、地貌、土壤条件相适应，同时又受多种因素控制。在满足一定的光、温、水条件下，植被才能存在、繁衍；而植被的存在又改变了地表的反射率，影响局地蒸发率以及地表能量和质量交换，植被与短期气候变化具有双向指示的特点，这种特点可以从NOAA极轨气象卫星观测到的归一化植被差异指数(Normalized Difference Vegetation Index，以下简称：NDVI)的季节变化和年际变化的规律体现出来。归一化植被差异指数是遥感监测地面植物生长和分布的一种方法。当遥感器测量地面反射光谱时，不仅测得地面植物的反射光谱，还测得土壤的反射光谱。当光照射在植物上时，近红外波段的光大部分被植物反射回来，可见光波段的光则大部分被植物吸收，通过对近红外光和红光波段反射率的线性或非线性组合，可以消除土壤光谱的影响，得到的特征指数称为归一化植被差异指数。美国俄克拉荷马州立大学Dr.Marvin Stone等人用便携式光纤光谱仪测量光谱反射率的方法，开展了用NDVI来获取氮利用率NUE(nitrogen use efficiency)和氮肥需要量的研究，并取得成果。归一化植被差异指数NDVI定义为：

$\mathrm{NDVI}=\frac{R_{\mathrm{IR}}-R_R}{R_{\mathrm{IR}}+R_R}---\left(1\right)$

式中R_IR为某红外光特征波长处的植被反射率，R_R为某红光特征波长处植被的反射率。

目前，常采用地物光谱仪进行NDVI的测量，该测量方法视场角较小、对日光照明条件有较高要求，而且设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，所以难以推广，并且现有装置只能单独测量出测定点的NDVI值或者测定点的地理坐标值，不能实现在环境研究过程中，对不同区域农作物长势及氮肥吸收情况进行评估。

实用新型内容

本实用新型通过一些实施例提供了一种植被差异指数及其地理坐标测试仪，用以解决现有技术不能同时测量出测定点归一化植被差异指数及其地理坐标的问题，实现同时测量出测定点归一化植被差异指数及其地理坐标，以便研究人员对不同区域农作物长势及氮肥吸收情况进行评估。

本实用新型通过一些实施例提供了如下的技术方案：

一种植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于包括：

用于测量测定点近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强的第一测量模块；

用于测量测定点地理坐标的第二测量模块；

用于根据接收到的测定点的近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强计算出该测定点的归一化植被差异指数和处理该测定点的地理坐标的处理模块，与所述第一测量模块和第二测量模块相连接。

本实用新型通过一些实施例实现了测定点的归一化植被差异指数和地理坐标信息的同时采集，为科研人员评估不同区域农作物长势及氮肥吸收情况提供了数据基础。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例一结构示意图；

图2为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二结构示意图；

图3a为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的供电电路的外部输入电源示意图；

图3b为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的供电电路的稳压芯片电路原理图；

图3c为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的供电电路的一个电压转换芯片电路原理图；

图3d为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的供电电路的另一个电压转换芯片电路原理图；

图4a为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的显示电路一实施例电路原理图；

图4b为图4a的封装图；

图5为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的U盘模块一实施例电路原理图；

图6为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二的控制器局域网总线接口一实施例电路原理图；

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例一结构示意图，该植被差异指数及其地理坐标测试仪，包括：第一测量模块1，第二测量模块2，处理模块3；第一测量模块1测量测定点的近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强，第二测量模块2测量测定点的地理坐标，处理模块3根据接收到的来自第一测量模块1的测定点的近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强计算出该测定点的归一化植被差异指数，及接收来自第二测量模块2的测定点的地理坐标，并且对计算出的归一化植被差异指数和接收的地理坐标信息进行存储、显示或者传输；第一测量模块1和第二测量模块2均与处理模块3相连接。

通过本实施例可以实现同时测得测定点的NDVI及其地理坐标，为科研人员评估不同区域农作物长势及氮肥吸收情况提供了数据基础。

如图2所示，为本实用新型植被差异指数及其地理坐标测试仪实施例二结构示意图，该植被差异指数及其地理坐标测试仪，包括：光电信号探测器11、12、13、14，测量信号接口15，全球定位系统(GPS)2，ARM微处理器3，模数转换芯片4，电平转换芯片51，数据交换接口52，供电电路6，显示电路7、操作控制键8、U盘模块9；光电信号探测器11、12、13、14均与测量信号接口15连接，测量信号接口15通过模数转换芯片4与ARM微处理器连接，全球定位系统2通过数据交换接口52和电平转换芯片51与ARM微处理器3连接，显示电路7、操作控制键8、U盘模块9均与ARM微处理器3连接，供电电路6连接操作控制键8、ARM微处理器3、电平转换芯片51及模数转换芯片4。日光通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器11、12、13、14，在近红外和红光两个特定波长处，分别对入射光和植被的反射光进行探测，其中11为红光入射光信号探测器，12为红外植被反射光信号探测器，13为红外入射光信号探测器，14为红光植被反射光信号探测器，测得的四个参数，经测量信号接口15、模数转换芯片4进行模拟-数字转换(光电转换)后(模数转换芯片4为MAX186芯片，可以转换8路0-5V的模拟信号，即该芯片可以实现采集4路光电探测器的光电转换信号)，由单片机ARM微处理器3进行计算得到NDVI值。若仪器测得红光特征波长处的入射光信号为E_R、对应波长植被反射光信号为E_RR红外光特征波长处的入射光信号为E_IR对应波长植被反射光信号为E_IRR，则有

$R_{\mathrm{IR}}=k_{\mathrm{IR}}\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}{R}_R=k_R\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R};---\left(2\right)$

式中k_R和k_IR为比例常数，由仪器的光学系统、光电探测器及其适配放大器的特性参数决定。若令k_IR＝k_Rk，就有

$\mathrm{NDVI}=\frac{k_R\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R}-k_{\mathrm{IR}}\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}}{k_R\frac{E_{\mathrm{RR}}}{E_R}+k_{\mathrm{IR}}\frac{E_{\mathrm{IRR}}}{E_{\mathrm{IR}}}}=\frac{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}-{\mathrm{kE}}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}+{\mathrm{kE}}_{\mathrm{IRR}}{E}_R}---\left(3\right)$

公式(3)表明：只要确定仪器的待定特征常数k，就可由四个光电探测器测得的信号求得NDVI值。上述仪器的特征常数k的确定，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射量相等的参考板标定球的，参考板的尺寸应与仪器探测范围相符。由于R_R＝R_IR，根据公式(1)、(3)，得到 $k=\frac{E_{\mathrm{RR}}{E}_{\mathrm{IR}}}{E_R{E}_{\mathrm{IRR}}}.$

电平转换芯片51一端与ARM微处理器3连接，另一端连接有用于插接外部设备，如对应于全球定位系统(GPS)定位器或计算机通讯口的数据交换接口52，用于对输入/输出信号进行电平转换。本实施例中电平转换芯片51采用MAX232芯片，完成ARM微处理器3并行接口的TTL电平和数据交换接口52的EIA电平相互转换，实现ARM微处理器3与GPS定位器2或计算机之间的通讯，进行地理位置坐标采集时，将GPS定位器的输出与数据交换接口插接，就可以进行土壤数据信息的定位采集。

U盘模块9用于存储测定点的NDVI及其地理坐标值，通过数据采集人员的操作，ARM微处理器将采集的地理坐标位置信息和计算出的NDVI信息进行对应处理，并存储在U盘模块中。当一个地区的数据(包括NDVI值和地理坐标值)采集完毕，数据采集人员可以到另一个地区进行数据采集，所有被采集的数据信息都是以NDVI值及其地理坐标值形式相对应的进行存储。当完成NDVI值及其地理坐标值采集后，可以将U盘模块存储的数据信息输出进行后续的分析处理。图5示出了该U盘模块一电路原理图，其中U17为U盘模块接口。

显示电路7用于显示测定点的NDVI及其地理坐标值，该显示电路7包括一128×64象素的图形液晶显示屏，用于显示仪器的工作状态以及NDVI数据和GPS信息。图4a和图4b为该显示模块一电路原理图及封装图，图中VDD可为3V或为5V，根据所使用的液晶进行选择，VO，VR两端外接一电阻，用于亮度调节，D2用于分压，保证液晶进行背光时工作在4.0V～4.4V，起到保护液晶的作用，CON1为液晶屏接口。在本实施例中对液晶采用的操作方式为串行方式。

本实施例中，供电电路包括8节1.5V的充电电池组成的外部输入电源(如图3a所示)，一片将外部输入电源提供的12V的电压转换为向整个系统提供5V电压的7805稳压芯片(如图3b所示)，将5伏电压分别转换为1.8伏和3.3伏的电压转换芯片(如图3c和图3d所示)，转换电压是为了满足ARM微处理器3的要求(ARM微处理器要求3.3伏和1.8伏供电)。

本实施例工作原理如下：4路光电探测器的光电转换信号经包括有AD620高精度仪表放大器的测量信号接口15放大后经模数转换电路4输入ARM微处理器3，同时GPS定位器2或计算机的信息经过数据交换接口52和电平转换芯片MAX232输入ARM微处理器3，ARM微处理器3对输入的数据通过U盘模块9进行存储，ARM微处理器3还可以将输入的数据通过液晶屏显示模块进行显示，使得用户能够从显示中了解所测参数的具体值，用户可以通过操作控制模块向ARM微处理器发送命令，供电电路6向系统中的各个电路模块提供工作电压。

本实施例中还包括控制器局域(CAN)总线接口10，与ARM微处理器3连接，可以根据需要进行CAN总线方式的通信。图6示出了CAN总线接口一电路原理图。

本实施例采用GPS定位信息(地理坐标信息)与NDVI数据信息的对应处理，使分析人员、数据采集人员能够方便、直观的从计算机屏幕或者液晶显示屏上了解土壤状况的分布；同时该测试仪具有CAN总线接口，能够方便的接入CAN网络，成为CAN网络中的一个节点，需要时可以与CAN网络中的其他节点以CAN总线协议进行通信；该测试仪操作简单，便于携带，可在野外使用，结构简单，功能丰富，外形小巧，可以直接在掌上操作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1、一种植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于包括：

用于测量测定点近红外和红光波长处入射光强和近红外和红光波长处植被反射光强的第一测量模块；

用于测量测定点地理坐标的第二测量模块；

用于根据接收到的测定点的近红外和红光波长处入射光强，和近红外和红光波长处植被反射光强，计算出该测定点的归一化植被差异指数和处理该测定点的地理坐标的处理模块，与所述第一测量模块和第二测量模块相连接。

2、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：所述第一测量模块通过用于将测定点的近红外和红光波长处入射光强，和近红外和红光波长处植被反射光强的光信号转化为电信号的光电转换模块，与所述处理模块相连接。

3、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：所述第二测量模块通过用于将串行接口电平和并行接口电平进行相互转换的电平转换模块，与所述处理模块相连接。

4、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：还包括一个用于显示测定点归一化植被差异指数及其地理坐标的显示模块，与所述处理模块相连接。

5、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：还包括一个用于接收输入命令的操作控制模块，与所述处理模块相连接。

6、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：还包括一个用于提供该测试仪工作的供电模块，与所述处理模块相连接。

7、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：还包括一个用于将测定点的归一化植被差异指数及其地理坐标进行存储的存储模块，与所述处理模块相连接。

8、根据权利要求1所述的植被差异指数及其地理坐标测试仪，其特征在于：还包括一个用于将测定点的归一化植被差异指数，及其地理坐标通过控制器局域网总线进行传输的控制器局域网总线接口，与所述处理模块相连接。

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