一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法。所述采集装置包括：面阵光谱传感器和设置在所述面阵光谱传感器左右两侧的两个点阵光谱传感器；所述面阵光谱传感器，用于采集自身下方的面状区域内的作物冠层的光谱图像信息；所述点阵光谱传感器，用于采集自身正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号；其中，每一个点状区域具有一组反射光信号；所述多个点状区域位于所述面状区域内。本发明专利技术提供的装置及方法，通过将点阵光谱传感器和面阵光谱传感器组合使用，能够以较快的计算速度剔除土壤背景等对作物冠层反射光信号的干扰，进而获取高精度的作物冠层的反射光信号，为实时获取作物植被指数提供更可靠的数据支持。

A crop spectral information acquisition device and crop vegetation index acquisition method

The invention provides a device for collecting crop spectral information and a method for obtaining crop vegetation index. The acquisition device includes: a surface array spectral sensor and two lattice spectral sensors set on the left and right sides of the array spectrum sensor; the array spectral sensor is used to collect spectral image information of the crop canopy in the face like region below itself; the dot matrix spectral sensor is used for collecting the self positive. Multiple sets of reflected light signals of the crop canopy in a plurality of spot shaped regions; in which each spot area has a set of reflected light signals; the multiple spot areas are located in the surface area. The device and method of the invention, by combining the dot matrix spectral sensor and the surface array spectral sensor, can eliminate the interference of the soil background and so on to the canopy reflected light signal at a faster rate of calculation, and then obtain the high precision reflected light signal of the crop canopy, and provide the real-time acquisition of crop vegetation index. Reliable data support.

【技术实现步骤摘要】
一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法
本专利技术涉及变量施肥
，更具体地，涉及一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法。
技术介绍
我国自20世纪70年代开始，化肥的消费量迅速增加，对提高农作物产量起到了很大的作用，但我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。1978—2005年粮食产量仅增产50％，但化肥消费量却增长了300％以上。目前我国施用化肥多停留在经验施肥的水平上，化肥利用率仅为30％～40％，化肥的增产效果并未得到充分发挥，造成了惊人的浪费，在一些地区已出现了水污染等问题。据统计，我国的化肥施用量已经达到了平均434.3kg/hm2，远远超出发达国家为防止化肥对水体造成污染所设置的225kg/hm2的安全上限，是国际标准的1.93倍。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不仅造成了经济上的巨大损失，而且引起了严重的环境污染。化肥尤其是氮肥已成为主要的环境污染源之一，实行科学的变量施肥是农业可持续发展的必要措施和亟待解决的问题。为了实行科学的变量施肥，获知被测农作物的生长状态信息极为关键，但现有的获取农作物的生长状态信息的技术一方面不能有效消除田间土壤反射光谱和作物生长形态导致的光谱干扰，从而导致测得的农作物的生长状态信息不够精确；另一方面，对于反演农作物的反射光信号所用的算法较为复杂，处理时间较长，对处理器要求较高，实时性差。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服现有技术中的测得的农作物的生长状态信息不够精确，并且对于反演农作物的反射光信号所用的算法较为复杂，处理时间较长，对处理器要求较高，实时性差的问题的一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种作物光谱信息采集装置，所述采集装置包括：面阵光谱传感器和设置在所述面阵光谱传感器左右两侧的两个点阵光谱传感器；所述面阵光谱传感器，用于采集自身下方的面状区域内的作物冠层的光谱图像信息；所述点阵光谱传感器，用于采集自身正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号；其中，每一个点状区域具有一组反射光信号；所述多个点状区域位于所述面状区域内。优选地，所述点阵光谱传感器具有多个光学通道，所述多个光学通道与所述多个点状区域一一对应；其中，每一个光学通道，用于采集对应的点状区域内的作物冠层在一个特定波长处的反射光信号。优选地，所述多个光学通道至少为三个；其中，三个光学通道分别采集对应的点状区域内的作物冠层在可见光波段内的任一波长处、在红边波段内的任一波长处和在近红外光波段内的任一波长处的反射光信号。优选地，所述点阵光谱传感器的多个光学通道彼此独立，其中，每一个光学通道中包含光电探测器、滤光片和透镜；每一个光学通道通过更换滤波片，以采集不同的特定波长处的反射光信号；所述光电探测器，用于将所述特定波长处的反射光信号转换为微弱电流信号。优选地，所述点阵光谱传感器还具有：信号调理电路、微控制器和通信电路；所述信号调理电路，用于将多组所述微弱电流信号进行I/U转换和滤波放大处理；所述微控制器，用于接收所述信号调理电路发送的经过I/U转换和滤波放大处理后的多组电信号，并将所述经过I/U转换和滤波放大处理后的多组电信号转换为多组数字电信号；所述通信电路，用于将所述多组数字电信号发送至上位机。根据本专利技术的另一个方面，提供一种使用上述的作物光谱信息采集装置获取生物植被指数的方法，所述方法包括：S1，根据所述两个点阵光谱传感器正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号，获取每一组反射光信号在对应的一个特定波长处的反射率；S2，根据多组反射光信号在对应的多个特定波长处的反射率，利用插值算法，获取所述面阵光谱传感器正下方区域内的作物冠层在所述多个特定波长处的反射率；S3，将所述面状区域划分为三个小区；对于每一小区，根据每一小区内的作物冠层的反射光信号在对应的特定波长处的反射率，获取第一实际植被指数和第二实际植被指数；S4，对于每一小区，通过每一小区内的光谱图像信息，获取每一小区内的作物覆盖率参数；并根据所述作物覆盖率参数，对所述第一实际植被指数和第二实际植被指数进行修正，以获取第一修正植被指数和第二修正植被指数；S5，根据每一小区的第一修正植被指数和第二修正植被指数，获取面状区域内的第一植被指数和第二植被指数。优选地，步骤S3中的第一实际植被指数NDVI实和第二实际植被指数NDRE实，通过以下公式获取：其中，Rnir为近红外光在对应的特定波长处的反射率，Rre为红边在对应的特定波长处的反射率，Rr为可见光在对应的特定波长处的反射率。优选地，步骤S4具体包括：S41，对面阵光谱传感器采集的光谱图像信息进行滤波平滑处理；S42，根据经过滤波平滑处理后的光谱图像信息，基于HIS彩色空间模型的H分量，分割出作物的冠层叶片图像信息；S43，根据作物的冠层叶片在近红外光波段内的反射光的反射灰度级高于土壤背景的反射光的反射灰度级的特征，对所述冠层叶片图像信息进行二次分割，对经过二次分割的冠层叶片图像信息进行二值化处理；S44，根据经过二值化处理后的冠层叶片图像信息，获取每一小区内的作物覆盖率参数；并根据所述作物覆盖率参数，对所述第一实际植被指数和第二实际植被指数进行修正，以获取第一修正植被指数和第二修正植被指数。优选地，步骤S44中的每一小区作物覆盖率参数C，通过以下公式获取：其中，LP为任一小区内冠层叶片像素点数，Ap为任一小区内总像素点数；所述第一修正植被指数NDVI修和第二修正植被指数NDRE修，通过以下公式获取：其中，NDVI实为第一实际植被指数，NDRE实为第二实际植被指数，NDVIs为裸土区的第一植被指数，NDREs为裸土区的第二植被指数，C为作物覆盖率参数。优选地，步骤S5中所述面状区域内的第一植被指数NDVI和第二植被指数NDRE，通过以下公式获取：NDVI＝KA·NDVIA+KB·NDVIB+KC·NDVIC；NDRE＝KA·NDREA+KB·NDREB+KC·NDREC；其中，NDVIA为第一小区的第一修正植被指数，NDVIB为第二小区的第一修正植被指数，NDVIC为第三小区的第一修正植被指数，NDREA为第一小区的第二修正植被指数，NDREB为第二小区的第二修正植被指数，NDREC为第三小区的第二修正植被指数，KA、KB、KC均为加权系数。本专利技术提供的一种作物光谱信息采集装置及作物植被指数获取方法，通过将点阵光谱传感器和面阵光谱传感器组合使用，使得该采集装置既保持了点阵传感器数据格式简单、处理速度快、实时性好且信噪比高的优点；又可利用面阵传感器采集的光谱图像信息而方便计算出地表作物覆盖度，以修正田间土壤反射光谱和作物生长形态导致的光谱干扰影响，从而可获得高精度的作物冠层的反射光信号，并可通过高精度的作物冠层的反射光信号，获得更精确的作物植被指数，进而为施肥决策提供更可靠的数据支持。附图说明图1为根据本专利技术实施例提供的一种作物光谱信息采集装置的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例提供的一种点阵光谱传感器的硬件结构示意图；图3为根据本专利技术实施例提供的一种面阵光谱传感器的硬件结构示意图；图4为根据本专利技术实施例提供的一种点阵光谱传感器的感光原理示意图；图5为根据本专利技术实施例提供的一种面阵光谱传感器的感光原理示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作物光谱信息采集装置，其特征在于，包括：面阵光谱传感器和设置在所述面阵光谱传感器左右两侧的两个点阵光谱传感器；所述面阵光谱传感器，用于采集自身下方的面状区域内的作物冠层的光谱图像信息；所述点阵光谱传感器，用于采集自身正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号；其中，每一个点状区域具有一组反射光信号；所述多个点状区域位于所述面状区域内。

【技术特征摘要】
1.一种作物光谱信息采集装置，其特征在于，包括：面阵光谱传感器和设置在所述面阵光谱传感器左右两侧的两个点阵光谱传感器；所述面阵光谱传感器，用于采集自身下方的面状区域内的作物冠层的光谱图像信息；所述点阵光谱传感器，用于采集自身正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号；其中，每一个点状区域具有一组反射光信号；所述多个点状区域位于所述面状区域内。2.根据权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述点阵光谱传感器具有多个光学通道，所述多个光学通道与所述多个点状区域一一对应；其中，每一个光学通道，用于采集对应的点状区域内的作物冠层在一个特定波长处的反射光信号。3.根据权利要求2所述的采集装置，其特征在于，所述多个光学通道至少为三个；其中，三个光学通道分别采集对应的点状区域内的作物冠层在可见光波段内的任一波长处、在红边波段内的任一波长处和在近红外光波段内的任一波长处的反射光信号。4.根据权利要求2所述的采集装置，其特征在于，所述点阵光谱传感器的多个光学通道彼此独立，其中，每一个光学通道中包含光电探测器、滤光片和透镜；每一个光学通道通过更换滤波片，以采集不同的特定波长处的反射光信号；所述光电探测器，用于将所述特定波长处的反射光信号转换为微弱电流信号。5.根据权利要求2所述的采集装置，其特征在于，所述点阵光谱传感器还具有：信号调理电路、微控制器和通信电路；所述信号调理电路，用于将多组所述微弱电流信号进行I/U转换和滤波放大处理；所述微控制器，用于接收所述信号调理电路发送的经过I/U转换和滤波放大处理后的多组电信号，并将所述经过I/U转换和滤波放大处理后的多组电信号转换为多组数字电信号；所述通信电路，用于将所述多组数字电信号发送至上位机。6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的作物光谱信息采集装置获取生物植被指数的方法，其特征在于，包括：S1，根据所述两个点阵光谱传感器正下方的多个点状区域内的作物冠层的多组反射光信号，获取每一组反射光信号在对应的一个特定波长处的反射率；S2，根据多组反射光信号在对应的多个特定波长处的反射率，利用插值算法，获取所述面阵光谱传感器正下方区域内的作物冠层在所述多个特定波长处的反射率；S3，将所述面状区域划分为三个小区；对于每一小区，根据每一小区内的作物冠层的反射光信号在对应的特定波长处的反射率，获取第一实际植被指数和第二实际植被指数；S4，对于每一小区，通过每一小区内的光谱图像信息，获取每一小区内的作物覆盖率参数；并根据所述作物覆盖率...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红，刘豪杰，孙梓淳，张俊逸，王旭，李民赞，郑立华，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11