一种多光谱作物生长传感器光谱反射率校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法。属于数字农业领 域。
【背景技术】
[0002] 利用作物冠层的光谱反射率可获取叶面积指数、叶片氮含量、叶绿素含量等作物 生长信息，这对作物生产精确管理调控具有重要的指导意义。为此，人们研制了基于光谱反 射率的低成本作物生长监测仪器，根据反射率利用相关的模型计算作物的生长信息，可见， 反射率从根本上决定了仪器监测作物生长信息的准确性。传感器监测的光谱反射率需进行 线性校正，线性校正方程是利用仪器监测的反射率与标准反射率的对应关系通过建立一元 线性回归得到的。
[0003] 上述利用标准反射率与仪器监测的反射建立反射率线性校正方程的方法，在以 下文献中有描述：王秀，赵春江，周汉昌等.冬小麦生长便携式NDVI测量仪的研制与试验 [J].农业工程学报，2004(4) :95-98，2004(4) :95-98 ;郝晓剑，郝丽娜，刘良云等.智能便携 式 NDVI 测量仪[J] ·仪器仪表学报，2005 (3) : 246-248, 2005 (3) : 246-248。
[0004] 上述仅利用标准反射率对传感器采集的反射率进行线性校正的方法，忽略了太阳 高度角的影响，使得同一视场在相同的光强下，因太阳高度角的变化传感器测得的反射率 会呈现较大变化，严重的影响了传感器监测的准确性与实用性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对【背景技术】光谱反射率校正的不足，提供一种多光谱作物生长 传感器光谱反射率的校正方法，经过太阳高度角修正的光谱反射率校正方法，提高光谱反 射率的监测精度。
[0006] 本发明为了解决以上技术问题，采用以下技术方案：
[0007] -种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法，采用如下步骤：
[0008] 1.多光谱作物生长传感器采集上行光传感器和下行光传感器入射光强分别对应 的电压V up和V d_，并记录采集时刻的太阳高度角Θ。
[0009] 2.计算阳光入射上行光传感器界面前光强对应的电压值V' up，
，TS为 光强透过率。
[0010] 3.计算反射率R，
[0011] 4.根据反射率R与标准反射率的对应关系，建立光谱反射率R的一元线性校正方 程：y = 1. 191χ-8· 3589。
[0012] 上述技术方案中，Ts的计算方法为： CN 105136746 A IX m "ti 2/4 页
[0013] I； = 0.5x/?x(/； +〇 (I)[0014] η为上行光传感器所覆盖的毛玻璃相对空气的折射率。
[0015] (2)
[0016] (3)
[0017]
[0018] 进一步，本发明的一种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法，标准反射 率可以使用灰度板为被测对象，以灰度板的标称值为标准反射率，也可以使用其它光谱仪 器测量的反射率为标准反射率。
[0019] 本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0020] 本发明解决了【背景技术】中多光谱作物生长传感器监测的反射率受太阳高度角影 响的缺陷，提供了一种经过太阳高度角修正的光谱反射率校正方法，提高了光谱反射率的 监测精度，具有较好的应用价值。
【附图说明】
[0021] 图1校正前上行光传感器电压值与光强的关系图。
[0022] 图2校正后上行光传感器电压值与光强的关系图。
[0023] 图3以40%标准反射率灰度板为监测对象，电压校正前后的反射率对比图。
[0024] 图4本实施例的光谱反射率校正曲线图。
[0025] 图5为多光谱作物生长传感器结构图。
[0026] 图6为上行光、下行光作物生长传感器的剖面结构图。
[0027] 图7为上行光作物生长传感器的结构图。
[0028] 图8为下行光作物生长传感器的结构图。
[0029] 图中标号：1 一上行光作物生长传感器，2-下行光作物生长传感器，3-固定支架， 4一活动支撑杆，5-多孔传感器固件，6-光电探测器阵列，7-光谱滤光片，8-清洁玻璃， 9 一滤波圈，10-余弦校正器，11 一保护玻璃。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0031] 1)于晴朗天气10:00:00-14:00:00之间，以标准反射率为5%、10%、20%、40%、 60%、75 %和99 %的灰度板为监测对象，记录上行光传感器和下行光传感器入射光强对应 的电压，并记录采集时刻的太阳高度角S1, i e [1，η]，η为采集数据的总次数，
[匕,，匕_,，幻为数据对。校正前上行光传感器电压值与光强的关系见图1，图1中上午和下 午相同光强的时刻，因太阳高度角的不同，上行光电压值并不随光强呈线性变化，在图中表 现为上午和下午各为一条曲线。
[0032] 2)折射率η = I. 53,根据公式（1)、⑵和（3)计算光强透过率《与 胃，<1]数据对对应。根据7:计算&，
。通过计算消除了太阳高度角对传感 器接收光强信号的影响，使电压值与光强呈现良好的线性关系，校正后上行光传感器电 压值与光强的关系见图2。以视场为40%标准反射率灰度板为例，上行光传感器电压值校 正前反射率
和校正后反射率
·与光强的关系见图3,图3中反射率R1随着 太阳高度角的增大而变小，而反射率R2不受太阳高度角的影响。
[0033] 3)计算反射率R，根据R与对应的灰度板的标准反射率建立光谱反射率R的一元 线性校正方程，得y = I. 191x-8. 3589，r2= 0. 9906,其中X = R，y为校正后的光谱反射率， 线性校正方程见图4。
[0034] 参照图5,多光谱作物生长传感器的结构包括上行光作物生长传感器1、下行光作 物生长传感器2、固定支架3、活动支撑杆4。上行光作物生长传感器1与水平位置成90° 连接于固定支架3上表面；下行光作物生长传感器2与水平位置成90°固定连接于固定支 架3下表面；固定支架3通过紧固螺丝固定在活动支撑杆4的顶部。调节活动支撑杆4,设 置下行光作物生长传感器与水平位置成90°，且距离作物冠层高度Im~I. 3m，以获取适当 的分辨视场。
[0035] 参照图6、图7和图8,上行光作物生长传感器1包括多孔传感器固件5、光电探测 器阵列6、光谱滤光片7、清洁玻璃8、滤波圈9和余弦校正器10 ;光电探测器阵列6是由四 个光电二极管间隔排列而成；光谱滤光片7选用中心波段56〇11111，71〇11111，72〇1111181〇11111四种 ； 光电探测器阵列6、光谱滤光片7、清洁玻璃8依次间隔排列于多孔传感器固件5中且被密 封；滤波圈9通过紧固螺丝连接在多孔传感器固件5表面；余弦校正器10敷贴于滤波圈表 面；
[0036] 下行光光传感器2包括多孔传感器固件5、光电探测器阵列6、光谱滤光片7、清洁 玻璃8、滤波圈9和保护玻璃11 ;光电探测器阵列6是由四个光电二极管间隔排列而成；光 谱滤光片7选用中心波段560nm，710nm，720nm，810nm四种；光电探测器阵列6、光谱滤光片 7、清洁玻璃8依次间隔排列于三孔传感器固件5中且被密封；滤波圈9通过紧固螺丝连接 在多孔传感器固件5表面；保护玻璃11敷贴于滤波圈表面；五芯屏蔽传输导线的一端连接 光电探测器，另一端连接所述电流-电压转换电路。
[0037] 单片微型处理器选用的是STC89C516单片机，通过数据口采集多光谱信息和测试 环境温度信息。控制键盘由"复位"、"测量"、"监测"、"诊断"四个键组成，其中"测量"按键 用来实时采集作物冠层光谱信息且对采集到的信息进行处理，并将结果实时显示在显示液 晶屏上；"监测"按键用来中断当前实时测量，捕捉当前值；"诊断"按键用来耦合作物生长 模型，反演作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和叶干重等生长信息，并将结果显示在显示 液晶屏上，用于评价作物生长状况；"复位"按键用来恢复至初始化状态，并在液晶屏上显示 初始化信息及当前测试环境温度。
[0038] 在监测田间作物生长信息过程中，将多光谱作物生长传感器1安装于活动支撑杆 4顶部的固定支架3上，调节活动支撑杆4使下行光光谱传感器与水平位置成90°，且距离 作物冠层高度0. 7m~I. lm，以获取一定分辨视场中的光谱信息，经电流-电压转换电路、灵 敏度调节电路、滤波电路处理，提取出作物冠层反射特征光谱信息。单片微型处理器提供了 三种工作模式："复位"、"测量"、"监测"与"诊断"，由控制键盘选择切换。在"测量"模式下， 单片微型处理器实时采集作物冠层光谱信息且对采集到的信息进行处理，并将结果实时显 示在显示液晶屏上；在"监测"模式下，单片微型处理器中断当前实时测量，捕捉当前值；在 "诊断"模式下，系统耦合作物生长模型，反演作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和叶干重 等生长信息，并将结果显示在显示液晶屏上，用于评价作物生长状况；在"复位"模式下，系 统恢复至初始化状态，并在液晶屏上显示初始化信息及当前测试环境温度。
【主权项】
1. 一种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法，其特征在于，采用如下步骤：(1) 多光谱作物生长传感器采集上行光传感器和下行光传感器入射光强分别对应的电 压Vup和Vd_，并记录采集时刻的太阳高度角0 ; (2) 计算阳光入射上行光传感器界面前光强对应的电压值Vu'tTsS光强透 过率；(4)根据反射率R与标准反射率的对应关系，建立光谱反射率R的一元线性校正方程：y=I. 191x-8. 3589〇2. 根据权利要求1所述的一种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法，其特征 在于所述步骤（2)Ts的计算方法为： 7；二0.5X〃X& +<)，n为上行光传感器所覆盖的毛玻璃相对空气的折射率，其中，3. 根据权利要求1所述的一种多光谱作物生长传感器光谱反射率的校正方法，其特征 在于所述步骤（4)标准反射率可以使用灰度板为被测对象，以灰度板的标称值为标准反射 率，也可以使用其它光谱仪器测量的反射率为标准反射率。
【专利摘要】本发明公开了一种多光谱作物传感器光谱反射率的校正方法，属于数字农业领域。多光谱作物生长传感器将上行光传感器和下行光传感器入射光强转换成电压值，该方法将上行光传感器电压值转换成传感器入射界面处光强对应的电压值，由下行光传感器与入射界面处光强电压的比值得到反射率，再将该反射率与标准反射率建立一元线性回归校正方程，通过该校正方程即可得到后的光谱反射率。该方法消除了太阳高度角对光谱反射率的影响，具有较好的普适性。
【IPC分类】G01N21/55
【公开号】CN105136746
【申请号】CN201510422641
【发明人】倪军, 曹卫星, 朱艳, 刘乃森, 庞方荣
【申请人】南京农业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月17日