[发明专利]作物冠层光谱指数测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术与光谱测量技术领域，特别涉及一种作物冠层光谱指数测量系统及方法。

背景技术

植被长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上，利用作物冠层叶片的反射光谱可以计算多种植被指数，如RVI(Ratio VegetationIndex，比值植被指数)、NDVI(Normalized Differential VegetationIndex，归一化植被指数)、GVI(Greenness Vegetation Index，绿度植被指数等)，估计作物冠层叶片的叶绿素含量或氮素含量，进而判断作物长势。

测量作物的光谱反射率的方法有多种。美国ASD(AnalyticalSpectral Devices)公司生产用于测量地物光谱反射率的系列光谱辐射仪，包括全光谱便携式光谱分析仪(波长范围：350～2500nm)以及手持便携式光谱分析仪(波长范围：300～1100nm)等，这些仪器测量精度和光谱分辨率都很高，但它们的色散元件都是采用全息反射光栅，使得仪器价格昂贵，从几万到几十万不等，非常不适于农业生产的应用。这些仪器的操作也非常复杂，以地物光谱仪为例，研究人员需要背负近10kg的仪器和笔记本电脑在现场进行测量，要想得到相关植被指数，还必须从植被光谱反射率曲线中提取出相关敏感波段的反射率，最后通过特定的计算才能得出。这些造价昂贵、操作不便、分析方法复杂等因素大大限制了这些仪器在农业生产方面的应用。

日本研制的叶绿素计(SPAD-502)是一款应用广泛的便携式仪器，用于田间的作物氮素营养水平诊断及指导施肥。它由发光二极管(light emitting diodes)发射红光(峰值波长大约650nm)和近红外光(峰值大约在940nm)。透过样本叶的发射光到达接收器，将透射光转换成为相似的电信号，经过放大器的放大，然后通过A/D转换器转换为数字信号，微处理器利用这些数字信号计算出一种光谱指数即SPAD值，显示并自动存储。但这款仪器只能测量单一叶片，无法测量冠层，无法对作物长势作综合评价，虽然其属于便携式仪器，操作简便，但也有无法对较大面积农田进行快速测量的缺陷，另外，该仪器仅采用了2个波段，所能检测的光谱指数太少。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：简化作物冠层光谱指数测量装置的结构，增加通道数(波长数)、提出新的冠层光谱指数计算模型，将多个测量装置通过无线通信装置连接形成测量系统，提高光谱指数测量范围和农田适用性，并简化测量方法，提高测量结果的准确度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种作物冠层光谱指数测量系统，包括：

测量子系统，由多个相同结构的测量单元组成，用于采集光学信号，测量该光学信号的光强之后进行处理，将处理后得到的数据发送给控制子系统，所述光学信号包括作为入射光的太阳光以及所述太阳光在作物冠层的反射光，所述处理包括放大和采样处理；

控制子系统，用于接收来自测量子系统的数据，并利用该数据计算作物冠层的光谱反射率，再根据所述光谱反射率和嵌入在控制子系统中的用于计算作物冠层光谱指数的模型来计算光谱指数，并且显示和存储计算结果。

其中，所述测量子系统的测量单元和测量单元之间通过无线通信系统传递数据和指令。

其中，所述测量单元包括传感器，传感器包括上部和下部的共2×N个光学通道，N≥4，其中上部的N个光学通道用于测量太阳光，下部的N个光学通道用于测量作物冠层反射光，每个光学通道包括凸透镜、滤光片、光电探测器以及外壁，所述凸透镜、滤光片和光电探测器均位于所述外壁内。

其中，所述滤光片位于凸透镜和光电探测器之间，所述光电探测器为光电二极管。

其中，测量太阳光的N个光学通道的表面还贴有漫射片。

其中，所述控制子系统包括JN5139芯片。

其中，所述传感器还包括依次连接的信号放大电路、A/D采样电路和射频无线发送电路，且所述信号放大电路与所述光电探测器连接。

本发明提供了一种利用所述的系统进行作物冠层光谱指数测量的方法，包括以下步骤：

S1、利用所述测量子系统采集光学信号，测量该光学信号的光强之后进行处理，将处理后得到的数据发送给控制子系统，所述光学信号包括作为入射光的太阳光以及所述太阳光在作物冠层的反射光，所述处理包括放大和采样处理；

S2、利用同一波长通道的反射光光强和太阳光光强之比，计算作物冠层的光谱反射率：

其中，λ＝λ_i，i＝1，......N，N≥4，且为正整数；