一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器光譜反射率校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器光譜反射率的校正方法。屬于數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[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(zhǎng)信息，這對(duì)作物生產(chǎn)精確管理調(diào)控具有重要的指導(dǎo)意義。為此，人們研制了基于光譜反 射率的低成本作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器，根據(jù)反射率利用相關(guān)的模型計(jì)算作物的生長(zhǎng)信息，可見， 反射率從根本上決定了儀器監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)信息的準(zhǔn)確性。傳感器監(jiān)測(cè)的光譜反射率需進(jìn)行 線性校正，線性校正方程是利用儀器監(jiān)測(cè)的反射率與標(biāo)準(zhǔn)反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過建立一元 線性回歸得到的。
[0003] 上述利用標(biāo)準(zhǔn)反射率與儀器監(jiān)測(cè)的反射建立反射率線性校正方程的方法，在以 下文獻(xiàn)中有描述：王秀，趙春江，周漢昌等.冬小麥生長(zhǎng)便攜式NDVI測(cè)量?jī)x的研制與試驗(yàn) [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(cè)量?jī)x[J] ·儀器儀表學(xué)報(bào)，2005 (3) : 246-248, 2005 (3) : 246-248。
[0004] 上述僅利用標(biāo)準(zhǔn)反射率對(duì)傳感器采集的反射率進(jìn)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(chǎng)在相同的光強(qiáng)下，因太陽高度角的變化傳感器測(cè)得的反射率 會(huì)呈現(xiàn)較大變化，嚴(yán)重的影響了傳感器監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】光譜反射率校正的不足，提供一種多光譜作物生長(zhǎng) 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(cè)精度。
[0006] 本發(fā)明為了解決以上技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種多光譜作物生長(zhǎng)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(zhǎng)傳感器采集上行光傳感器和下行光傳感器入射光強(qiáng)分別對(duì)應(yīng) 的電壓V up和V d_，并記錄采集時(shí)刻的太陽高度角Θ。
[0009] 2.計(jì)算陽光入射上行光傳感器界面前光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓值V' up，
，TS為 光強(qiáng)透過率。
[0010] 3.計(jì)算反射率R，
[0011] 4.根據(jù)反射率R與標(biāo)準(zhǔn)反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)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(shù)方案中，Ts的計(jì)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(duì)空氣的折射率。
[0015] (2)
[0016] (3)
[0017]
[0018] 進(jìn)一步，本發(fā)明的一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器光譜反射率的校正方法，標(biāo)準(zhǔn)反射 率可以使用灰度板為被測(cè)對(duì)象，以灰度板的標(biāo)稱值為標(biāo)準(zhǔn)反射率，也可以使用其它光譜儀 器測(cè)量的反射率為標(biāo)準(zhǔn)反射率。
[0019] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0020] 本發(fā)明解決了【背景技術(shù)】中多光譜作物生長(zhǎng)傳感器監(jiān)測(cè)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(cè)精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0021] 圖1校正前上行光傳感器電壓值與光強(qiáng)的關(guān)系圖。
[0022] 圖2校正后上行光傳感器電壓值與光強(qiáng)的關(guān)系圖。
[0023] 圖3以40%標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象，電壓校正前后的反射率對(duì)比圖。
[0024] 圖4本實(shí)施例的光譜反射率校正曲線圖。
[0025] 圖5為多光譜作物生長(zhǎng)傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖6為上行光、下行光作物生長(zhǎng)傳感器的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖7為上行光作物生長(zhǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖8為下行光作物生長(zhǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖中標(biāo)號(hào)：1 一上行光作物生長(zhǎng)傳感器，2-下行光作物生長(zhǎng)傳感器，3-固定支架， 4一活動(dòng)支撐桿，5-多孔傳感器固件，6-光電探測(cè)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(hù)玻璃。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0031] 1)于晴朗天氣10:00:00-14:00:00之間，以標(biāo)準(zhǔn)反射率為5%、10%、20%、40%、 60%、75 %和99 %的灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象，記錄上行光傳感器和下行光傳感器入射光強(qiáng)對(duì)應(yīng) 的電壓，并記錄采集時(shí)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(duì)。校正前上行光傳感器電壓值與光強(qiáng)的關(guān)系見圖1，圖1中上午和下 午相同光強(qiáng)的時(shí)刻，因太陽高度角的不同，上行光電壓值并不隨光強(qiáng)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(jì)算光強(qiáng)透過率《與 胃，<1]數(shù)據(jù)對(duì)對(duì)應(yīng)。根據(jù)7:計(jì)算&，
。通過計(jì)算消除了太陽高度角對(duì)傳感 器接收光強(qiáng)信號(hào)的影響，使電壓值與光強(qiáng)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，校正后上行光傳感器電 壓值與光強(qiáng)的關(guān)系見圖2。以視場(chǎng)為40%標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的關(guān)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(jì)算反射率R，根據(jù)R與對(duì)應(yīng)的灰度板的標(biāo)準(zhǔn)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?qǐng)D5,多光譜作物生長(zhǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)包括上行光作物生長(zhǎng)傳感器1、下行光作 物生長(zhǎng)傳感器2、固定支架3、活動(dòng)支撐桿4。上行光作物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)支撐桿4的頂部。調(diào)節(jié)活動(dòng)支撐桿4,設(shè) 置下行光作物生長(zhǎng)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(dāng) 的分辨視場(chǎng)。
[0035] 參照?qǐng)D6、圖7和圖8,上行光作物生長(zhǎng)傳感器1包括多孔傳感器固件5、光電探測(cè) 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(cè)器陣列6是由四 個(gè)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(cè)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(cè)器陣列6、光譜濾光片7、清潔 玻璃8、濾波圈9和保護(hù)玻璃11 ;光電探測(cè)器陣列6是由四個(gè)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(cè)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(hù)玻璃11敷貼于濾波圈表面；五芯屏蔽傳輸導(dǎo)線的一端連接 光電探測(cè)器，另一端連接所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。
[0037] 單片微型處理器選用的是STC89C516單片機(jī)，通過數(shù)據(jù)口采集多光譜信息和測(cè)試 環(huán)境溫度信息。控制鍵盤由"復(fù)位"、"測(cè)量"、"監(jiān)測(cè)"、"診斷"四個(gè)鍵組成，其中"測(cè)量"按鍵 用來實(shí)時(shí)采集作物冠層光譜信息且對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在顯示液 晶屏上；"監(jiān)測(cè)"按鍵用來中斷當(dāng)前實(shí)時(shí)測(cè)量，捕捉當(dāng)前值；"診斷"按鍵用來耦合作物生長(zhǎng) 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(zhǎng)信息，并將結(jié)果顯示在顯示 液晶屏上，用于評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)狀況；"復(fù)位"按鍵用來恢復(fù)至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示 初始化信息及當(dāng)前測(cè)試環(huán)境溫度。
[0038] 在監(jiān)測(cè)田間作物生長(zhǎng)信息過程中，將多光譜作物生長(zhǎng)傳感器1安裝于活動(dòng)支撐桿 4頂部的固定支架3上，調(diào)節(jié)活動(dòng)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(chǎng)中的光譜信息，經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、靈 敏度調(diào)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(fù)位"、"測(cè)量"、"監(jiān)測(cè)"與"診斷"，由控制鍵盤選擇切換。在"測(cè)量"模式下， 單片微型處理器實(shí)時(shí)采集作物冠層光譜信息且對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯 示在顯示液晶屏上；在"監(jiān)測(cè)"模式下，單片微型處理器中斷當(dāng)前實(shí)時(shí)測(cè)量，捕捉當(dāng)前值；在 "診斷"模式下，系統(tǒng)耦合作物生長(zhǎng)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(zhǎng)信息，并將結(jié)果顯示在顯示液晶屏上，用于評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)狀況；在"復(fù)位"模式下，系 統(tǒng)恢復(fù)至初始化狀態(tài)，并在液晶屏上顯示初始化信息及當(dāng)前測(cè)試環(huán)境溫度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多光譜作物生長(zhǎng)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(zhǎng)傳感器采集上行光傳感器和下行光傳感器入射光強(qiáng)分別對(duì)應(yīng)的電 壓Vup和Vd_，并記錄采集時(shí)刻的太陽高度角0 ; (2) 計(jì)算陽光入射上行光傳感器界面前光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓值Vu'tTsS光強(qiáng)透 過率；(4)根據(jù)反射率R與標(biāo)準(zhǔn)反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)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(quán)利要求1所述的一種多光譜作物生長(zhǎng)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(jì)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(duì)空氣的折射率，其中，3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器光譜反射率的校正方法，其特征 在于所述步驟（4)標(biāo)準(zhǔn)反射率可以使用灰度板為被測(cè)對(duì)象，以灰度板的標(biāo)稱值為標(biāo)準(zhǔn)反射 率，也可以使用其它光譜儀器測(cè)量的反射率為標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域。多光譜作物生長(zhǎng)傳感器將上行光傳感器和下行光傳感器入射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電壓值，該方法將上行光傳感器電壓值轉(zhuǎn)換成傳感器入射界面處光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓值，由下行光傳感器與入射界面處光強(qiáng)電壓的比值得到反射率，再將該反射率與標(biāo)準(zhǔn)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(duì)光譜反射率的影響，具有較好的普適性。
【IPC分類】G01N21/55
【公開號(hào)】CN105136746
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510422641
【發(fā)明人】倪軍, 曹衛(wèi)星, 朱艷, 劉乃森, 龐方榮
【申請(qǐng)人】南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月17日