專利名稱：一種植被熒光探測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域，特別是涉及一種植被熒光探測方法及 裝置。
背景技術(shù)：
光合作用是提供植物所有物質(zhì)代謝和能量代謝的基礎(chǔ)，它包括一 系列光物理、光化學(xué)和生物化學(xué)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜過程，在光合作用的原初 反應(yīng)，將吸收光能傳遞、轉(zhuǎn)換為電能的過程中，有一部分光能損耗以 較長波長的熒光方式釋放(通常不到1%的入射能量)。研究和探測這 種自然條件下光合作用的熒光特性有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià) 值。首先，自然條件下的葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔糜兄置芮械年P(guān)系。 一方面，當(dāng)植物被暴露在過強(qiáng)的光照條件下，熒光起著十分重要的保 護(hù)作用，避免葉綠體吸收光能超過光合作用的消化能力，將強(qiáng)光灼傷
的損失降低到最??；另一方面， 一般來說，自然條件下葉綠素?zé)晒夂?光合速率是相互負(fù)關(guān)聯(lián)的，光合速率較高，則熒光較弱，反之亦然。 所以通過探測葉綠素?zé)晒?，可以間接了解植物的光合作用。其次，作 為植物健康狀況的"探針"，自然條件下光合作用熒光特性與植物的 營養(yǎng)和受脅迫程度密切相關(guān)。因此，通過植物光合作用的熒光特性探 測可以了解植物的生理、生長、病害及受脅迫狀態(tài)。
幾乎所有光合作用過程的變化均可通過葉綠素?zé)晒夥从吵鰜恚?熒光測定技術(shù)不需破碎細(xì)胞，不傷害生物體，因此通過研究葉綠素?zé)?光來間接研究光合作用的變化是一種簡便、快捷、可靠的方法。目前， 葉綠素?zé)晒庠诠夂献饔?、植物脅迫生理學(xué)、水生生物學(xué)、海洋學(xué)和遙 感等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
目前葉綠素?zé)晒馓綔y主要釆用熒光光譜法，它利用調(diào)制葉綠素?zé)?br> 4光儀、熒光分光光度計(jì)等熒光測量儀器，測量單色光激發(fā)照明條件下 的熒光波長的發(fā)射熒光，這種方法測定的葉綠素激發(fā)熒光與自然條件 光合作用的熒光的物理意義差別很大，并且，由于使用條件的限制(激 光激發(fā)、葉片接觸式測量等)，難以推廣到遙感應(yīng)用。
自然光照條件下測定的植被反射的輻照度光譜既包括太陽光誘 導(dǎo)熒光的發(fā)射光譜，又包括葉片對入射光的反射光譜。由于熒光發(fā)射 光譜和植被冠層反射光譜是混合在一起的，所以研究如何從冠層光譜 中提取熒光光譜有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，目前本領(lǐng)域技術(shù)人員 迫切需要發(fā)展出 一種自然光條件下的植被熒光探測方法和測量儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自然光照條件下的植被熒光探測方法， 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種植被熒光探測方法，所
述探測方法包括在自然光照條件下測量熒光波段入射能量、參考波 段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的 反射能量；利用測量所得到的能量值獲取植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度f。
其中，禾U用f= (axd-cxb) / (a-b)計(jì)算植被冠層的熒光絕對 強(qiáng)度f，其中a是熒光波段入射能量，b是參考波段入射能量，c是植 被在待測熒光波段的反射能量，d是植被在參考波段的反射能量。
其中，所述測量能量的步驟包括獲取熒光波段入射能量、參考 波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段 的反射能量的模擬量；轉(zhuǎn)換所獲得的模擬量為數(shù)字量。
本發(fā)明的另 一 目的是提供一種自然光照條件下的植被熒光探測 裝置，為達(dá)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種植被熒光探測裝置， 所述裝置包括
能量探測單元，用于探測植被在自然光照條件下的入射能量和植 被反射能量并將所獲能量的模擬量信號(hào)傳輸至信號(hào)處理單元；
信號(hào)處理單元，將接受到的能量的模擬量信號(hào)濾波、放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；
中央控制單元，控制信號(hào)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將得到的數(shù)字 信號(hào)輸入能量計(jì)算模型，得到熒光的能量數(shù)據(jù)。
其中，所述能量探測單元包括熒光波段入射能量探測器、參考波 段入射能量探測器、植被在待測熒光波段的反射能量探測器以及植被 在參考波段的反射能量探測器，均與信號(hào)處理單元連接，分別用以測 量熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待測熒光波段的反 射能量以及植被在參考波段的反射能量。
其中，所述熒光波段入射能量探測器和參考波段入射能量探測器 垂直于植被冠層向上布置，所述植被在待測熒光波段的反射能量探測 器以及植被在參考波段的反射能量探測器垂直于植被冠層向下布置。
其中，所述能量探測單元包括濾光片、透鏡以及封裝在外殼中的 光電探測器，入射光線依次經(jīng)過濾光片、透鏡后，待測波長的光線在 光電探測器上成像。
其中，所述濾光片為窄帶干涉濾光片。
其中，所述外殼為鋁合金材質(zhì)。
通過本發(fā)明提出一種自然光條件下計(jì)算太陽光誘導(dǎo)的光合作用 熒光的方法。該方法能夠更加直觀地反映自然條件下的光合作用的熒 光信息，并且能夠探測植被冠層熒光。此外，本發(fā)明所提供的測量方 法與傳統(tǒng)的激光脈沖調(diào)制熒光儀測定方法相比，由于其簡便快捷、真 實(shí)可靠的特點(diǎn)，更容易推廣到航空或衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)熒光探測從接觸 式的點(diǎn)測量方式到航空或衛(wèi)星遙感大面積監(jiān)測的技術(shù)飛越。


圖l是本發(fā)明植被
圖2是本發(fā)明植被 圖3是本發(fā)明植被
其中，1、濾光片
熒光探測方法的探測原理圖； 熒光探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 熒光探測裝置的探測單元結(jié)構(gòu)示意圖。 ;2、透鏡；3、外殼；4、探測器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì) 描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
圖l為本發(fā)明植被熒光探測方法的探測原理圖，其中a， b分別表 示測定的太陽輻照度光譜在夫瑯和費(fèi)暗線和相鄰譜區(qū)的強(qiáng)度，c， d 分別表示植被冠層反射的輻照度光譜在夫瑯和費(fèi)暗線和相鄰譜區(qū)的 強(qiáng)度，人o為夫瑯和費(fèi)暗線波長。若假定植被在夫瑯和費(fèi)暗線和相鄰 譜區(qū)的冠層光譜反射率相等R，植被在夫瑯和費(fèi)暗線和相鄰譜區(qū)的熒 光強(qiáng)度為f,則
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只要測定夫瑯和費(fèi)暗線和相鄰譜區(qū)的太陽光譜輻射強(qiáng)度和植被 反射的光譜輻射強(qiáng)度a， b, c, d，就可以計(jì)算植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度f。
f=c-Rxa = (axd-cxb)/(a-b)
考慮到R = ( c - d) / ( a - b)冠層光譜反射率R與熒光無關(guān)，而f = c -Rxa，這表明只要能夠測定夫瑯和費(fèi)暗線波段的光譜反射率、太陽輻 照度、冠層反射輻照度，就可以測定葉綠素?zé)晒狻?br> 基于上述原理，本發(fā)明提供了一種植被熒光探測方法，所述探測 方法包括在自然光照條件下測量熒光波段入射能量、參考波段入射 能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能 量；利用測量所得到的能量值獲取植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度f。
其中，禾U用f= (axd-cxb) / (a-b)計(jì)算植被冠層的熒光絕對 強(qiáng)度f，其中a是熒光波段入射能量，b是參考波段入射能量，c是植 被在待測熒光波段的反射能量，d是植被在參考波段的反射能量。
其中，所述測量能量的步驟包括獲取熒光波段入射能量、參考 波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段 的反射能量的模擬量；轉(zhuǎn)換所獲得的模擬量為數(shù)字量。如圖2所示為本發(fā)明植被熒光探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置
包括能量探測單元，用于探測植被在自然光照條件下的入射能量和 植被反射能量并將所獲能量的模擬量信號(hào)傳輸至信號(hào)處理單元；信號(hào) 處理單元，將接受到的能量的模擬量信號(hào)濾波、放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號(hào)；中央控制單元，控制信號(hào)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將得到的數(shù)字 信號(hào)輸入能量計(jì)算模型，得到熒光的能量數(shù)據(jù)。所述能量探測單元包 括熒光波段入射能量探測器、參考波段入射能量探測器、植被在待測 熒光波段的反射能量探測器以及植被在參考波段的反射能量探測器， 均與信號(hào)處理單元連接。將熒光波段入射能量探測器和參考波段入射 能量探測器垂直于作物冠層向上布置，用以測量入射光能量；將植被 在待測熒光波段的反射能量探測器和植被在參考波段的反射能量探 測器垂直于植被冠層向下布置，用以測量植被反射光能量。
分別用以測量熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待 測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能量。
如圖3所示為上述四個(gè)能量探測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。入射能量首 先經(jīng)過窄帶干涉濾光片l，只將所需要測量的波長的光的能量通過， 然后光線經(jīng)過透鏡2后成像在光電探測器4上。探測器4被封裝在一個(gè) 鋁合金外殼3里面。
本發(fā)明利用地物光譜儀測定的植被輻照度光譜數(shù)據(jù)，利用其在地 球大氣中氧氣吸收形成的"夫瑯和費(fèi)暗線"的光譜特征，成功探測了 太陽光誘導(dǎo)的光合作用熒光，驗(yàn)證了夫瑯和費(fèi)暗線探測葉綠素?zé)晒獾?方法，提供了一種新的葉綠素?zé)晒獾谋粍?dòng)探測方法，可應(yīng)用于機(jī)載或 星載的植被被動(dòng)熒光遙感監(jiān)測。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
8
權(quán)利要求
1、一種植被熒光探測方法，其特征在于，所述探測方法包括在自然光照條件下測量熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能量；利用測量所得到的能量值獲取植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度。
2、 如權(quán)利要求1所述的植被熒光探測方法，其特征在于，利用f=(axd_cxb)/(a-b)計(jì)算植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度，其中f是植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度，a是熒光波段入射能量，b是參考波段入射能量，c是植被在待測熒光波段的反射能量，d是植被在參考波段的反射能量。
3、 如權(quán)利要求1所述的植被熒光探測方法，其特征在于，所述測量能量的步驟包括獲取熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能量的模擬量；轉(zhuǎn)換所獲得的模擬量為數(shù)字量。
4、 一種植被熒光探測裝置，其特征在于，所述裝置包括能量探測單元，用于探測植被在自然光照條件下的入射能量和植被反射能量并將所獲能量的模擬量信號(hào)傳輸至信號(hào)處理單元；信號(hào)處理單元，將接受到的能量的模擬量信號(hào)濾波、放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；中央控制單元，控制信號(hào)處理單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將得到的數(shù)字信號(hào)輸入能量計(jì)算模型，得到熒光的能量數(shù)據(jù)。
5、 如權(quán)利要求4所述的植被熒光探測裝置，其特征在于，所述能量探測單元包括熒光波段入射能量探測器、參考波段入射能量探測器、植被在待測熒光波段的反射能量探測器以及植被在參考波段的反射能量探測器，均與信號(hào)處理單元連接，分別用以測量熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能量。
6、 如權(quán)利要求5所述的植被熒光探測裝置，其特征在于，所述能量探測單元包括濾光片、透鏡以及封裝在外殼中的光電探測器，入射光線依次經(jīng)過所述濾光片、透鏡后，待測波長的光線在光電探測器上成像。
7、 如權(quán)利要求6所述的植被熒光探測裝置，其特征在于，所述濾光片為窄帶干涉濾光片。
8、 如權(quán)利要求6所述的植被熒光探測裝置，其特征在于，所述外殼為鋁合金材質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自然光照條件下的植被熒光探測方法及裝置，所述探測方法包括在自然光照條件下測量熒光波段入射能量、參考波段入射能量、植被在待測熒光波段的反射能量以及植被在參考波段的反射能量；利用測量所得到的能量值獲取植被冠層的熒光絕對強(qiáng)度。該方法能夠更加直觀地反映自然條件下的光合作用的熒光信息，并且能夠探測植被冠層熒光。由于其簡便快捷、真實(shí)可靠的特點(diǎn)，更容易推廣到航空或衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)熒光探測從接觸式的點(diǎn)測量方式到航空或衛(wèi)星遙感大面積監(jiān)測的技術(shù)飛越。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101514963SQ200910080190
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者劉良云, 吳文彪, 平 周, 剛 孫, 孟祥勇, 王紀(jì)華, 申長軍, 趙春江, 振 邢, 鄭文剛, 華 閆, 黃文江 申請人:北京市農(nóng)林科學(xué)院