测量作物冠层色素比值的方法及测量仪技术

本发明专利技术属植物生理仪器领域。它是一种利用作物冠层反射光谱作物冠层色素比值的新方法及设计的测量仪，能快速、方便地测定作物的ＳＩＰＩ值，准确地对作物冠层特征色素比值进行评估，对判断作物长势和指导氮肥使用有着重要作用。它利用日光（太阳光）作光源，通过六个相同的具有特殊光谱响应特性的光电传感器，在近红外、红光和蓝光三个特征波长处，分别对日光入射光和植被的反射光进行探测，测得的信号经Ａ／Ｄ转换后，由微控制器按ＳＩＰＩ值的计算公式求出ＳＩＰＩ值，然后根据ＳＩＰＩ计算得出表征作物生长状态的结果，所得结果由液晶显示器显示。测量结果可以保存在仪器中，并且可以通过ＲＳ２３２串口传送到ＰＣ机上进行进一步的分析。这种探测方法及仪器对日光照明条件要求较低、结构简单、重量轻、成本低、使用方便，适合于大批量生产和应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属植物生理仪器领域，特别涉及一种利用作物冠层反射光谱测量作物冠层色素比值的方法以及基于此方法而设计的仪器，能快速、方便地测定作物的冠层色素比值，准确地对作物生长状态情况进行评估，再根据在不同生长时期作物对水、肥的需求量实施变量施肥和灌溉，对指导作物栽培有着重要作用。
技术介绍
关于遥感作物养分含量监测前人已经做了大量的研究，Blackmer等(1996)认为单叶的反射光谱和投射光谱受氮素缺乏的影响；Daughtry(2000)提出可以运用作物冠层的反射光谱进行冠层叶绿素含量等的评价。以往的研究，主要是将冠层光谱与同目标实验室内测定的氮素含量之间进行统计分析，筛选敏感波段和波段组合进行冠层生化组分的遥感监测。本研究经过大量试验数据分析得出可以运用结构不敏感植被指数(SIPI)来反演作物冠层的色素比值含量，色素比值我们选用类胡萝卜素和叶绿素的比值。冠层结构不敏感植被指数(SIPI)于1995年由 等提出。将SIPI定义为SIPI＝(R800-R445)/(R800-R680) (1)其中R800，R680，R445分别为在波长为800nm，680nm和445nm处的光谱反射率数值。大量研究表明近红外波段800nm可以用来降低叶片表面和叶片内部的部分的结构的影响。波段445nm和680nm分别是类胡萝卜素和叶绿素a的吸收峰。本文采用冠层结构不敏感植被指数(SIPI)来反演冠层类胡萝卜素和叶绿素a的比值。作物在环境胁迫等造成生理、生化物质变化进而生长状况发生变化的情况下，作物体内的类胡萝卜素和叶绿素a的相对含量发生变化，所以作物体内的类胡萝卜素和叶绿素a的相对含量可以反映作物的生长状态。由图1可知，开花期冠层结构不敏感植被指数与冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值之间在不同品种不同肥水条件下存在极显著的线性相关水平，方程的决定系数为0.7207，样本数目为64个。实验的关于类胡萝卜素和叶绿素a的变化关系的研究结果如Merzlyak(1999)的研究结果相一致。均认为作物在胁迫和衰老情况下叶绿素的衰减速度较类胡萝卜素快。图1表明可以运用冠层结构不敏感植被指数(SIPI)进行作物的冠层类胡萝卜素和叶绿素a比值反演。目前，常采用地物光谱仪进行SIPI的测量，该测量方法所需设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，测量数据还需要进行二次处理，所以难以推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于测量作物冠层作物冠层色素比值的新方法，根据这种方法设计的作物冠层色素比值测试仪重量轻、体积小、成本低，结构简单、使用方便、适合于大批量生产和应用。一种测量作物冠层色素比值的新方法，采用日光作为被动光源，在三个特征波长处分别对太阳入射光和被测植被的反射光进行探测，测得太阳入射光和植被反射光在蓝光、红光和近红外三个特征波段的辐射信号强度，将这六个辐射模拟信号经A/D转换，并由微控制器按冠层结构不敏感植被指数(SIPI)的计算公式进行处理，求出SIPI值，最终计算结果通过液晶显示器显示。另外，可以对测量结果进行存储和上传。本方法的关键点在于采用干涉滤光片进行滤光以产生本专利技术中所需的三个特征波长。根据上述方法而设计的作物冠层色素比值测量仪包括如附图4中六个光电探测器38、39、40、47、48、49，光学镜头53、54、55，A/D转换器42，单片机43，显示器44，六个窄带干涉滤光片35、36、37、50、51、52；六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为光学特性相同的两个滤光片，它们的中心波长分别位于近红外(0.795-0.805μm)和红光(0.665-0.675μm)及蓝光(0.44-0.45μm)波段；测量太阳入射光信号的三个光电探测器前分别耦合近红外滤光片37、红光滤光片36和蓝光滤光片35，滤光片35、36、37前设有漫射体32、33、34，以减小日光入射角度的影响；测量植被反射光信号的三个光电探测器前设有成像物镜53、54、55，成像物镜将距离1.3m左右的植被目标成像在光的探测器的光敏面上，在成像物镜和光电探测器中间设置近红外滤光片52、红光滤光片51和蓝光滤光片50。探测器和光学部分通过镜筒连接成一个密闭整体。仪器上的存储电路能将测量的数据存储在仪器上，用户可以通过RS232串口将数据上传到上位机PC上进行进一步分析和处理。仪器上的单片机上扩展LCD显示、掉电后数据不丢失的EEPROM存储器、串行A/D转换器、信号调理电路等。仪器的操作面板跟仪器主体分离，操作面板固定在仪器手柄上，靠近操作者，方便使用。另外，手柄跟仪器主体的连接器具有3个旋转自由度。该仪器的工作原理如下利用日光(太阳光)作光源，通过6个光电传感器，在近红外和可见光三个特定波长处，分别对日光入射光和待测植被的冠层反射光进行探测，测得的六个参数，经模拟—数字转换后，由单片机进行处理得到SIPI值，所得结果由液晶显示器(LCD)显示。在本应用中，若仪器测得445nm特征波长处的入射光信号为E445、对应波长植被反射光信号为ER445；680nm特征波长处的入射光信号为E680、对应波长植被反射光信号为ER680；800nm特征波长处的入射光信号为E800、对应波长植被反射光信号为ER800，则有R800=k800ER800E800;R680=k680ER680E680;R445=k445ER445E445]]>式中k800、k680和k445为比例常数(仪器参数)，由仪器的光学系统(入射部分和反射部分)、光电传感器及其适配放大器及其电路的特性参数决定。若令k680＝k1k800，k445＝k2k800就有SIPI=k800ER800E800-k445ER445E445k800ER800E800+k680ER680E680=E445ER800-k2ER445E800E445ER800+k1ER445E800---(2)]]>公式(2)表明只要确定仪器的待定特征常数k1，k2就可由六个光电传感器测得的信号求得SIPI值，进而得出作物冠层色素比值。上述特殊光谱响应特性的光电传感器的作用是测量特定波长的光的能量。从SIPI的计算公式可以看出来，测量SIPI的关键点是求出三个特定波长的能量，三个特征波长的能量的测量是通过光电传感器实现的。光电传感器由窄带干涉滤光片、硅光电传感器及其适配放大器等组成。窄带干涉滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，其只允许中心波长附近通带内的光通过，这就产生了三个特征波长。六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于近红外(0.795-0.805μm)和红光(0.665-0.675μm)波段及蓝光(0.44-0.45μm)，干涉滤光片的带宽应保证在通带内光谱反射率没有明显变化，以保证SIPI的测量精度。六个硅光电传感器与六个窄带干涉滤光片组成三组光电传感器，分别用于近红外、红光和蓝光三个特征波长处入射光和植被的反射光的探测，硅光电传感器在近红外和可见光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照明条件下有足够大信号输出和线性度。三个入射光电传感器安装在仪器的上方，用来测量入射日光的强度；三个反射光电传感器安装在仪器的下方，面向被测植被，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量作物冠层色素比值的方法，其特征在于：采用日光作为被动光源，在三个特征波长处分别对太阳入射光和被测植被的反射光进行探测，测得太阳入射光和植被反射光在蓝光、红光和近红外三个特征波段的辐射信号强度，将这六个辐射模拟信号经Ａ／Ｄ转换，并由微控制器按冠层结构不敏感植被指数（ＳＩＰＩ）的计算公式进行处理，求出ＳＩＰＩ值，最终计算结果通过液晶显示器显示，另外，可以对测量结果进行存储和上传；本方法的关键点在于采用干涉滤光片进行滤光以产生本专利技术中所需的三个特征波长。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文江，郑文刚，孙刚，刘良云，王纪华，赵春江，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]