专利名称：一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明属光学仪器领域，特别涉及一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器，能快速、方便地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，再根据在不同生长时期作物对氮肥的需求量实施变量施肥，对指导氮肥使用有着重要作用。
背景技术：
施用氮肥是农作物增产的重要手段，在植物体内，氮是蛋白质、核酸和叶绿素的重要成分，关系着植物体的细胞增长和新细胞形成，植物缺氮时，叶片中的叶绿素含量低下，叶色浅绿，光合作用也随之减弱，从而使碳水化合物的合成量减少，导致植物生长缓慢，植株矮小。但植物吸收氮过多时，常常表现为组织柔软，叶色浓绿，茎叶徒长，贪青迟熟，易倒状，并易遭病虫危害，最终也会造成减产。由于植被的含氮量与叶片色泽密切相关，根据对不同含氮量植被光谱反射率曲线特性的分析，发现可由某些波长的反射率分析得到植被的含氮量。美国俄克拉荷马州立大学Dr.MarvinStone等人用便携式光纤光谱仪测量光谱反射率的方法，开展了用NDVI来获取氮利用率NUE(nitrogen use efficiency)和氮肥需要量的研究，并取得成果。
归一化植被差异指数NDVI的定义为NDVI=ρIR-ρRρIR+ρR---(1)]]>式中ρR为某红外光特征波长处的植被反射率，ρIR为某红光特征波长处植被的反射率。目前，常采用地物光谱仪进行NDVI的测量，该测量方法视场角较小、对日光照明条件有较高要求，而且设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，所以难以推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量归一化植被差异指数(NDVI)的新方法，根据这种方法设计的NDVI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。
该仪器的工作原理如下利用日光作光源，通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器，在近红外和红光两个特定波长处，分别对入射光和植被的反射光进行探测，测得的四个参数，经模拟—数字转换后，由单片机进行处理得到NDVI值，所得结果由液晶显示器(LCD)显示。若仪器测得红光特征波长处的入射光信号为ER、对应波长植被反射光信号为ERR、红外光特征波长处的入射光信号为EIR、对应波长植被反射光信号为EIRR，则有RR=KRERRER;]]>RIR=KIREIRREIR---(2)]]>式中kR和kIR为比例常数，由仪器的光学系统、光电探测器及其适配放大器的特性参数决定。若令kIR＝kRk，就有NDVI=KRERRER-KIREIRREIRKRERRER+KIREIRREIR=ERREIR-KEIRRERERREIR+KEIRRER---(3)]]>公式(3)表明只要确定仪器的待定特征常数为k，就可由四个光电探测器测得的信号求得NDVI。
实现上述测试方法而设计的NDVI测试仪，包括特殊光谱响应特性的四个光电探测器1、2、3、4，光学镜头19、20，模拟—数字转换器9，单片机10，显示器11，四个窄带干涉滤光片14、15、17、18，四个窄带干涉滤光片14、15、17、18分为两组，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植被光谱反射率曲线斜率最大处两端的近红外(0.77-0.86μm)和红光(0.65-0.68μm)波段；测量太阳入射光信号的两个光电探测器前分别耦合近红外滤光片14和红光滤光片15，滤光片14、15前设有漫射体12、13，以减小日光入射角对信号幅度造成的影响；测量植被反射光信号的两个光电探测器3、4前设有成像物镜19、20，成像物镜19、20将距离1-1.5m处的植被目标成像在光的探测器3、4的光敏面上，在成像物镜19、20和光电探测器3、4中间设置近红外滤光片17和红光滤光片18。
上述特殊光谱响应特性的光电探测器由窄带干涉滤光片、硅光电二极管及其适配放大器等组成。窄带干涉滤光片只允许中心波长附近通带内的光通过，四个窄带干涉滤光片分为两组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两边的近红外(0.77-0.86μm)和红光(0.65-0.68μm)波段，红光波段为植被叶绿体峰值吸收区域，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NDVI的测量精度。四个硅光电二极管与四个窄带干涉滤光片组成两组光电探测器，分别用于近红外和红光两特征波长处入射光和植被的反射光的探测，硅光电二级管在近红外和红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。用于入射日光信号探测的两个光电探测器安装在仪器的上方，用于植被反射光探测的两个光电探测器安装在仪器的下方面向植被。
上述光学系统包括入射日光信号探测器前面的毛玻璃、光阑和植被反射光探测器前面的接收物镜。
上述仪器的待定特征常数k的确定，可通过对在近红外和红光两特征波长处光谱反射率相等的参考板标定求得，参考板的尺寸应与仪器探测范围相符。由于RR＝RIR，公式(1)可知NDVI＝0，根据式(3)就可得到待定特征常数的计算公式K=ERREIREREIRR---(4)]]>上述模拟—数字转换器、单片机及显示器的作用是将硅光电二极管适配放大器输出的模拟信号，经模拟—数字转换器转换为数字信号，再由单片计算机按公式(3)计算，求出NDVI值出液晶显示器(LCD)显示。
图1是植被光谱反射率曲线，它可由地物光谱仪测得，图中A为叶绿体吸收峰区域，B为水吸收峰区域，C为红光特征波长，D为近红外光特征波长，在这两特征波长处的植被光谱反射率与植被含氮量密切相关；图2是便携式NDVI测量仪的原理框图，图中1为用于测量红光特征波长处的入射光信号的探测器、2为用于测量红光特征波长处的植被反射光信号的探测器、3为用于测量红外光特征波长处的入射光信号的探测器、4为用于测量红外光特征波长处的植被反射光信号的探测器，5～8为光电探测器的适配电路、9为带多路模拟开关的A/D(模拟—数字)转换器、10为单片计算机、11为用于显示NDVI值的液晶显示器。
图3是便携式NDVI测量仪结构示意图，使用时如图所示垂直向下，12和13为毛玻璃或乳白玻璃的漫射体，以减小日光入射角对信号幅度造成的影响，在此漫射体下方的14、15为相应波长范围(650-680nm、770-860nm)的窄带干涉滤光片，以滤去其它波长的太阳入射光，1和2为两个相同的光电探测器，以测量滤光片12和13对应的红光(650-680nm)和近红外光(770-860nm)特征波长处的太阳光照强度，19和20为两个相同的接收物镜，设计视场角(FOV)，使仪器所要求的探测范围(如1m×1m)，在仪器离植被一定距离处(如1.2m)成像在物镜焦平面的硅光电二极管3和4的光敏面上，17和18为与14和15同样的干涉带通滤光片，位于接收物镜19、20和光电探测器3、4中间，以挑选滤光片17、18相应的红光(650-680nm)和近红外光(770-860nm)特征波长处的植被反射光，这样光电探测器3和4分别接收植被在650-680nm和770-860nm光谱范围的反射光，16为3个1.5伏的普通干电池，它为NDVI仪提供能源，9为带多路模拟开关的A/D(模拟—数字)转换器，它将4个光电探测器的模拟信号转换为数字信号，并输出给单片机10，单片机10接收4个光电探测器获取的红光(650-680nm)和近红外光(770-680nm)特征波长范围的太阳光照强度和植被反射光强，根据公式(3)计算NDVI值，11为显示屏，它显示单片机输出的NDVI值。
图4为NDVI的数字电路图，21为AT89C2051单片机与显示器电路，22为MAX1248模拟——数字转换器，23为LM308光电探测器及适配电路。
具体实施例方式
将NDVI垂直向下距植被冠层1.2米处，其对应地面视场范围为1m*1m，若探测器1接收的太阳光在650-680nm波段的光谱辐射强度为45watts/(m2)，探测器2接收的太阳光在770-860nm波段的光谱辐射强度为90watts/(m2)，探测器3接收的植被冠层在650-680nm红光波段的光谱反射强度为2.25watts/(m2)，探测器4接收的植被冠层在770-860nm近红外波段的光谱反射强度为45watts/(m2)，那么由公式(2)可以计算此时植被冠层在红光波段的光谱反射率为5％，在近红外波段的光谱反射率为50％，由公式(1)计算植被冠层的NDVI值为0.818。
权利要求
1.一种测量归一化植被差异指数的方法，其特征在于它利用太阳光作为光源，在四个相同的光电探测器前耦合两组近红外和红光波段的干涉滤光片，分别对太阳入射光和植被的反射光进行探测，测得太阳入射光和植被反射光在红光和近红外波段的辐射信号，将这四个辐射信号经模拟——数字转换，并由单片机按归一化植被差异指数(NDVI)的计算公式处理，求出NDVI值，输出结果到液晶显示器LCD显示。
2.一种实现权利要求1所述方法而设计的NDVI测试仪器，其特征在于它包括四个光电探测器(1)、(2)、(3)、(4)，光学镜头(19)、(20)，模拟-数字转换器(9)，单片机(10)，显示器(11)，四个窄带干涉滤光片(14)、(15)、(17)、(18)；四个窄带干涉滤光片(14)、(15)、(17)、(18)分为两组，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植被光谱反射率曲线斜率最大处两端的近红外(0.77-0.86μm)和红光(0.65-0.68μm)波段；测量太阳入射光信号的两个光电探测器前分别耦合近红外滤光片(14)和红光滤光片(15)，滤光片(14)、(15)前设有漫射体(12)、(13)，以减小日光入射角对信号幅度造成的影响；测量植被反射光信号的两个光电探测器(3)、(4)前设有成像物镜(19)、(20)，成像物镜(19)、(20)将距离1-1.5m处的植被目标成像在光的探测器(3)、(4)的光敏面上，在成像物镜(19)、(20)和光电探测器(3)、(4)中间设置近红外滤光片(17)和红光滤光片(18)。
全文摘要
一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器，能快速、方便地测定农作物的NDVI值，准确地对作物氮肥吸收情况进行评估，对指导氮肥使用有着重要作用。它利用日光作光源，通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器，在近红外和红光两个特征波长处，分别对入射光和植被的反射光进行探测，根据测得的信号，经模拟—数字转换后，由单片机按NDVI值的计算公式求出归一化植被差异指数，所得NDVI结果由液晶显示器(LCD)显示。这种探测方法及仪器对日光照明条件要求低、视场角大、结构简单、重量轻、使用方便、成本低，适合于大批量生产。
文档编号G01N21/35GK1566928SQ0314880
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月12日 优先权日2003年6月12日
发明者赵春江, 周汉昌, 薛绪掌, 姜三平, 刘良云 申请人:北京农业信息技术研究中心