一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法。屬于數(shù)字農(nóng)業(yè)領 域。
【背景技術】
[0002] 利用作物冠層的光譜反射率可獲取葉面積指數(shù)、葉片氮含量、葉綠素含量等作物 生長信息，這對作物生產(chǎn)精確管理調控具有重要的指導意義。為此，人們研制了基于光譜反 射率的低成本作物生長監(jiān)測儀器，根據(jù)反射率利用相關的模型計算作物的生長信息，可見， 反射率從根本上決定了儀器監(jiān)測作物生長信息的準確性。傳感器監(jiān)測的光譜反射率需進行 線性校正，線性校正方程是利用儀器監(jiān)測的反射率與標準反射率的對應關系通過建立一元 線性回歸得到的。
[0003] 上述利用標準反射率與儀器監(jiān)測的反射建立反射率線性校正方程的方法，在以 下文獻中有描述：王秀，趙春江，周漢昌等.冬小麥生長便攜式NDVI測量儀的研制與試驗 [J].農(nóng)業(yè)工程學報，2004(4) :95-98，2004(4) :95-98 ;郝曉劍，郝麗娜，劉良云等.智能便攜 式 NDVI 測量儀[J] ·儀器儀表學報，2005 (3) : 246-248, 2005 (3) : 246-248。
[0004] 上述僅利用標準反射率對傳感器采集的反射率進行線性校正的方法，忽略了太陽 高度角的影響，使得同一視場在相同的光強下，因太陽高度角的變化傳感器測得的反射率 會呈現(xiàn)較大變化，嚴重的影響了傳感器監(jiān)測的準確性與實用性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對【背景技術】光譜反射率校正的不足，提供一種多光譜作物生長 傳感器光譜反射率的校正方法，經(jīng)過太陽高度角修正的光譜反射率校正方法，提高光譜反 射率的監(jiān)測精度。
[0006] 本發(fā)明為了解決以上技術問題，采用以下技術方案：
[0007] -種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法，采用如下步驟：
[0008] 1.多光譜作物生長傳感器采集上行光傳感器和下行光傳感器入射光強分別對應 的電壓V up和V d_，并記錄采集時刻的太陽高度角Θ。
[0009] 2.計算陽光入射上行光傳感器界面前光強對應的電壓值V' up，
，TS為 光強透過率。
[0010] 3.計算反射率R，
[0011] 4.根據(jù)反射率R與標準反射率的對應關系，建立光譜反射率R的一元線性校正方 程：y = 1. 191χ-8· 3589。
[0012] 上述技術方案中，Ts的計算方法為： CN 105136746 A IX m "ti 2/4 頁
[0013] I； = 0.5x/?x(/； +〇 (I)[0014] η為上行光傳感器所覆蓋的毛玻璃相對空氣的折射率。
[0015] (2)
[0016] (3)
[0017]
[0018] 進一步，本發(fā)明的一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法，標準反射 率可以使用灰度板為被測對象，以灰度板的標稱值為標準反射率，也可以使用其它光譜儀 器測量的反射率為標準反射率。
[0019] 本發(fā)明采用以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：
[0020] 本發(fā)明解決了【背景技術】中多光譜作物生長傳感器監(jiān)測的反射率受太陽高度角影 響的缺陷，提供了一種經(jīng)過太陽高度角修正的光譜反射率校正方法，提高了光譜反射率的 監(jiān)測精度，具有較好的應用價值。
【附圖說明】
[0021] 圖1校正前上行光傳感器電壓值與光強的關系圖。
[0022] 圖2校正后上行光傳感器電壓值與光強的關系圖。
[0023] 圖3以40%標準反射率灰度板為監(jiān)測對象，電壓校正前后的反射率對比圖。
[0024] 圖4本實施例的光譜反射率校正曲線圖。
[0025] 圖5為多光譜作物生長傳感器結構圖。
[0026] 圖6為上行光、下行光作物生長傳感器的剖面結構圖。
[0027] 圖7為上行光作物生長傳感器的結構圖。
[0028] 圖8為下行光作物生長傳感器的結構圖。
[0029] 圖中標號：1 一上行光作物生長傳感器，2-下行光作物生長傳感器，3-固定支架， 4一活動支撐桿，5-多孔傳感器固件，6-光電探測器陣列，7-光譜濾光片，8-清潔玻璃， 9 一濾波圈，10-余弦校正器，11 一保護玻璃。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0031] 1)于晴朗天氣10:00:00-14:00:00之間，以標準反射率為5%、10%、20%、40%、 60%、75 %和99 %的灰度板為監(jiān)測對象，記錄上行光傳感器和下行光傳感器入射光強對應 的電壓，并記錄采集時刻的太陽高度角S1, i e [1，η]，η為采集數(shù)據(jù)的總次數(shù)，
[匕,，匕_,，幻為數(shù)據(jù)對。校正前上行光傳感器電壓值與光強的關系見圖1，圖1中上午和下 午相同光強的時刻，因太陽高度角的不同，上行光電壓值并不隨光強呈線性變化，在圖中表 現(xiàn)為上午和下午各為一條曲線。
[0032] 2)折射率η = I. 53,根據(jù)公式（1)、⑵和（3)計算光強透過率《與 胃，<1]數(shù)據(jù)對對應。根據(jù)7:計算&，
。通過計算消除了太陽高度角對傳感 器接收光強信號的影響，使電壓值與光強呈現(xiàn)良好的線性關系，校正后上行光傳感器電 壓值與光強的關系見圖2。以視場為40%標準反射率灰度板為例，上行光傳感器電壓值校 正前反射率
和校正后反射率
·與光強的關系見圖3,圖3中反射率R1隨著 太陽高度角的增大而變小，而反射率R2不受太陽高度角的影響。
[0033] 3)計算反射率R，根據(jù)R與對應的灰度板的標準反射率建立光譜反射率R的一元 線性校正方程，得y = I. 191x-8. 3589，r2= 0. 9906,其中X = R，y為校正后的光譜反射率， 線性校正方程見圖4。
[0034] 參照圖5,多光譜作物生長傳感器的結構包括上行光作物生長傳感器1、下行光作 物生長傳感器2、固定支架3、活動支撐桿4。上行光作物生長傳感器1與水平位置成90° 連接于固定支架3上表面；下行光作物生長傳感器2與水平位置成90°固定連接于固定支 架3下表面；固定支架3通過緊固螺絲固定在活動支撐桿4的頂部。調節(jié)活動支撐桿4,設 置下行光作物生長傳感器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度Im~I. 3m，以獲取適當 的分辨視場。
[0035] 參照圖6、圖7和圖8,上行光作物生長傳感器1包括多孔傳感器固件5、光電探測 器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8、濾波圈9和余弦校正器10 ;光電探測器陣列6是由四 個光電二極管間隔排列而成；光譜濾光片7選用中心波段56〇11111，71〇11111，72〇1111181〇11111四種 ； 光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列于多孔傳感器固件5中且被密 封；濾波圈9通過緊固螺絲連接在多孔傳感器固件5表面；余弦校正器10敷貼于濾波圈表 面；
[0036] 下行光光傳感器2包括多孔傳感器固件5、光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔 玻璃8、濾波圈9和保護玻璃11 ;光電探測器陣列6是由四個光電二極管間隔排列而成；光 譜濾光片7選用中心波段560nm，710nm，720nm，810nm四種；光電探測器陣列6、光譜濾光片 7、清潔玻璃8依次間隔排列于三孔傳感器固件5中且被密封；濾波圈9通過緊固螺絲連接 在多孔傳感器固件5表面；保護玻璃11敷貼于濾波圈表面；五芯屏蔽傳輸導線的一端連接 光電探測器，另一端連接所述電流-電壓轉換電路。
[0037] 單片微型處理器選用的是STC89C516單片機，通過數(shù)據(jù)口采集多光譜信息和測試 環(huán)境溫度信息。控制鍵盤由"復位"、"測量"、"監(jiān)測"、"診斷"四個鍵組成，其中"測量"按鍵 用來實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結果實時顯示在顯示液 晶屏上；"監(jiān)測"按鍵用來中斷當前實時測量，捕捉當前值；"診斷"按鍵用來耦合作物生長 模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)和葉干重等生長信息，并將結果顯示在顯示 液晶屏上，用于評價作物生長狀況；"復位"按鍵用來恢復至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示 初始化信息及當前測試環(huán)境溫度。
[0038] 在監(jiān)測田間作物生長信息過程中，將多光譜作物生長傳感器1安裝于活動支撐桿 4頂部的固定支架3上，調節(jié)活動支撐桿4使下行光光譜傳感器與水平位置成90°，且距離 作物冠層高度0. 7m~I. lm，以獲取一定分辨視場中的光譜信息，經(jīng)電流-電壓轉換電路、靈 敏度調節(jié)電路、濾波電路處理，提取出作物冠層反射特征光譜信息。單片微型處理器提供了 三種工作模式："復位"、"測量"、"監(jiān)測"與"診斷"，由控制鍵盤選擇切換。在"測量"模式下， 單片微型處理器實時采集作物冠層光譜信息且對采集到的信息進行處理，并將結果實時顯 示在顯示液晶屏上；在"監(jiān)測"模式下，單片微型處理器中斷當前實時測量，捕捉當前值；在 "診斷"模式下，系統(tǒng)耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)和葉干重 等生長信息，并將結果顯示在顯示液晶屏上，用于評價作物生長狀況；在"復位"模式下，系 統(tǒng)恢復至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示初始化信息及當前測試環(huán)境溫度。
【主權項】
1. 一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法，其特征在于，采用如下步驟：(1) 多光譜作物生長傳感器采集上行光傳感器和下行光傳感器入射光強分別對應的電 壓Vup和Vd_，并記錄采集時刻的太陽高度角0 ; (2) 計算陽光入射上行光傳感器界面前光強對應的電壓值Vu'tTsS光強透 過率；(4)根據(jù)反射率R與標準反射率的對應關系，建立光譜反射率R的一元線性校正方程：y=I. 191x-8. 3589〇2. 根據(jù)權利要求1所述的一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法，其特征 在于所述步驟（2)Ts的計算方法為： 7；二0.5X〃X& +<)，n為上行光傳感器所覆蓋的毛玻璃相對空氣的折射率，其中，3. 根據(jù)權利要求1所述的一種多光譜作物生長傳感器光譜反射率的校正方法，其特征 在于所述步驟（4)標準反射率可以使用灰度板為被測對象，以灰度板的標稱值為標準反射 率，也可以使用其它光譜儀器測量的反射率為標準反射率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多光譜作物傳感器光譜反射率的校正方法，屬于數(shù)字農(nóng)業(yè)領域。多光譜作物生長傳感器將上行光傳感器和下行光傳感器入射光強轉換成電壓值，該方法將上行光傳感器電壓值轉換成傳感器入射界面處光強對應的電壓值，由下行光傳感器與入射界面處光強電壓的比值得到反射率，再將該反射率與標準反射率建立一元線性回歸校正方程，通過該校正方程即可得到后的光譜反射率。該方法消除了太陽高度角對光譜反射率的影響，具有較好的普適性。
【IPC分類】G01N21/55
【公開號】CN105136746
【申請?zhí)枴緾N201510422641
【發(fā)明人】倪軍, 曹衛(wèi)星, 朱艷, 劉乃森, 龐方榮
【申請人】南京農(nóng)業(yè)大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月17日