专利名称：一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器及方法
技术领域：
本发明属于植物营养检测领域，尤其涉及一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器及方法。
背景技术：
植物叶片生理指标的无损检测主要是指对叶绿素、氮素、水分等的测定，它可以用于实时检测植物的生长发育与健康状态，分析水分和肥力状况，通过检测，不仅可以精确调节肥料和水的供给情况，实现精确施肥，节省资源，减少环境污染，而且可以科学指导栽培工作，以便能够保障栽培植物健康生长和良好发育，提高作物产量。目前叶片无损检测的方法有图像法和光谱法。图像主要是依靠机器视觉方法获得的植物叶片某些静态或者动态的图像特征，而这些图像特征与植物叶片的生理特征(如植被指数、吸水率等)有着密切的关系，通过建立两者之间的关系，对植物生长状况进行检·测。这种方法需要很复杂的硬件系统，不能做到方便携带，最主要的是可检测的参数比较少，模型的精度比较低，因此目前应用得不是很广泛。利用植物冠层光谱信息进行营养含量的测定是目前应用较多的一种光谱检测方法。植物冠层光谱特征是植物光谱特性与背景土壤光谱特性的综合，随着植物冠层的发育，土壤光谱特性的作用逐渐下降，而在植物衰老时，土壤背景的作用又逐渐增大。一般叶面积指数(LAI)达到3左右时，冠层在可见光和中红外波段的光谱反射率基本稳定，而在近红外波段，LAI达到5 6时光谱反射率才能饱和。由于植物营养状况能影响到叶面积、冠层形态、内在生理特征，而且不同营养元素的影响程度也不一，因此，利用冠层光谱分析可以诊断植物营养状况。目前，氮素营养对冠层光谱特性影响的研究最为系统和深入。随着氮素营养水平的提高，光谱反射率在可见光和中红外波段降低，而在近红外波段却增加。不同氮素营养水平下的冠层光谱反射率存在着明显差异，经植被指数转换后差异更为显著和稳定，利用冠层光谱测试可以区分作物的氮素营养水平。植物冠层信息光谱检测仪是一种基于植物冠层光谱信息对植物营养含量进行测定的仪器，测定时以太阳光作为光源。由于一天之中，太阳所处位置不同，太阳入射角也随之不断变化。现有植物冠层信息光谱检测仪中，探头位置固定不变，太阳入射角的变化会导致探头采集到的太阳光反射信号强弱不同，进而影响氮素和叶绿素等营养素含量的检测结果。当太阳入射角为零时，测量误差最小；当太阳入射角大于零时，测量误差变大，太阳入射角越大，测量误差越大。

发明内容
本发明提供了一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪，解决了植物冠层信息光谱检测仪测量误差大的问题。一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，包括探头和数据处理单元，设有太阳入射角度检测装置，所述探头和太阳入射角度检测装置的信号输出端均接入数据
处理单元。所述基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器的工作原理为通过太阳入射角度检测装置获取太阳入射角度；利用植物冠层信息光谱检测仪中的原有检测模型获取植物氮素和叶绿素含量的检测值；所述检测值在数据处理单元中经太阳入射角度修正后，得到修正后的检测值作为输出。基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器可消除太阳入射角对检测数据的影响，从而提高检测数据的准确性。所述太阳入射角度检测装置优选为呈圆形点阵分布的若干个光学传感器；其测量太阳入射角的原理具体如下呈圆形点阵分布的光学传感器，可感应不同入射角时的太阳光光强；圆形点阵中， 太阳光照射到的光学传感器获得的感应光强较强，而其余部位的光学传感器(处于阴影区)获得的感应光强较弱。当太阳入射角不同时，点阵中接受太阳光照射的部位不同；太阳入射角越小，点阵光学传感器的感应光强越大，反之则相反；当太阳入射角为0°时，点阵光学传感器的感应光强最大。所述点阵光学传感器是指点阵中所有的光学传感器，下同。点阵光学传感器的感应光强，只与太阳光的入射角有关，而与入射方向无关；对于不同的太阳入射方向，虽然点阵中接受光照的部位不同，但只要太阳入射角度相同，则点阵光学传感器的感应光强是相同的。因此，根据点阵光学传感器的感应光强，可获得太阳入射角度。所述探头具有底面带光路通道的壳体，所述光学传感器安装在探头的顶面；探头可用于发射并采集光信号，光学传感器安装在探头的顶面便于太阳入射角度的获取。所述探头与数据处理单元通过数据线连接，所述数据线在探头上的数据接口位于探头侧壁，以避免对顶面的干涉和遮挡。为了更为精确的测得太阳入射角，所述光电传感器阵列的单元个数20 100个。为了保护点阵光学传感器免受外界环境的影响，所述光学传感器上方罩有透光板；透光板将光学传感器密封。本发明还提供了一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法，解决了太阳角对植物冠层信息光谱检测方法影响较大，致使叶绿素、氮素测量精度较低的问题。一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法，包括以下步骤(I)获取太阳入射角度；(2)利用植物冠层信息光谱检测仪获取标准校验样本的叶绿素检测值，所述标准校验样本是指SPAD值分布均匀且取平均值的样本；根据样本校正模型，得到校正系数；所述样本校正模型为
^ 凡OK=^—其中，ys(l为标准校验样本的叶绿素SPAD值，yv0为植物冠层信息光谱检测仪测得的标准校验样本的叶绿素SPAD值，Θ为太阳入射角度，K为校正系数；(3)利用植物冠层信息光谱检测仪获取待测植物的实际检测值；所述实际检测值为氮素或叶绿素实际检测值；
(4)基于公式ys = K Θ yv，根据获取的太阳入射角度、样本校正系数及待测植物的实际检测值，获得太阳角修正后的检测值；其中，ys为太阳角修正后的检测值，yvS植物冠层信息光谱检测仪的实际检测值，K为校正系数，θ为太阳入射角度。步骤(3)也可置于步骤⑴或(2)之前。太阳入射角是指太阳直射光线与壁面法线之间的夹角。现有技术中，获取太阳入射角度的方法较多，如影子长度法等。为了实现太阳入射角度的快速、准确测量，优选利用呈圆形点阵分布的光学传感
器获取太阳入射角度；具体方法如下利用呈圆形点阵分布的光学传感器获取太阳光感应
IS S
光强，将光电传感器阵列感应光强转化为电压，基于公式~ =得到太阳入射· max
角；其中，Θ为太阳入射角度，Θ值不为O ;Um为电压值；Umax是θ值为O时，转化得到的电压值。与现有技术相比，本发明具有以下优点(I)本发明的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪只需在原有仪器的基础上安装太阳入射角度检测装置，即可实现对太阳角的修正，克服了太阳角对仪器检测结果的影响，检测精度闻;(2)本发明的基于太阳角修正后的植物冠层信息光谱检测仪环境适应能力更强，适用范围更广；(3)本发明提供的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法，简便、可靠，通过对太阳角的修正，可提高植物冠层信息光谱检测方法对叶绿素、氮素的检测精度。
具体实施例方式实施例I 10一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，包括探头和数据处理单元，探头顶部设有呈圆形点阵分布的50个单元光学传感器，光学传感器上方罩有透光板，探头和太阳入射角度检测装置的信号输出端均接入数据处理单元。应用仪器对植物叶绿素进行检测的具体步骤如下首先，利用探头顶部呈圆形点阵分布的光学传感器获取太阳入射角度Θ。同时，探头发射光谱至待测植物，并采集反射光谱，获取待测植物的叶绿素实际检测值yv。其次，数据处理单元根据获取的太阳入射角度Θ和通过标准校验样本获取的样本校正系数K，对所述植物冠层信息光谱检测仪的叶绿素实际检测值^进行修正，得到太阳角修正后的叶绿素检测值ys。为了更好的比较说明本发明仪器的性能，同时利用植物冠层信息光谱检测仪器(芬兰CROP SCAN仪)和日本美能达公司生产的SPAD502高精度仪对待测植物的叶绿素含量进行检测。在不同的太阳入射条件下，对不同的待测植物分别利用三种仪器进行多次试验，得到的数据如表I所示。表I分别列举了在10种不同的太阳入射角条件下10个实施例的
试验数据。表I实施例相关数据表
权利要求
1.一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，包括探头和数据处理单元，其特征在于，设有太阳入射角度检测装置，所述探头和太阳入射角度检测装置的信号输出端均接入数据处理单元。
2.如权利要求I所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，其特征在于，所述太阳入射角度检测装置为呈圆形点阵分布的若干个光学传感器。
3.如权利要求I所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，其特征在于，所述探头具有底面带光路通道的壳体，所述光学传感器安装在探头的顶面。
4.如权利要求3所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，其特征在于，所述探头与数据处理单元通过数据线连接，所述数据线在探头上的数据接口位于探头侧壁。
5.如权利要求I所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，其特征在于，所述光学传感器阵列单元的个数为20 100个。
6.如权利要求I所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，其特征在于，所述光学传感器上方罩有透光板。
7.一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)获取太阳入射角度； (2)利用植物冠层信息光谱检测仪获取标准校验样本的叶绿素检测值，所述标准校验样本是指SPAD值分布均匀且为一固定值的样本；根据样本校正模型，得到校正系数，所述样本校正模型为 K=^ 其中，ys(l为标准校验样本的叶绿素SPAD值，yv0为植物冠层信息光谱检测仪测得的标准校验样本的叶绿素SPAD值，Θ为太阳入射角度，K为校正系数； (3)利用植物冠层信息光谱检测仪获取待测植物的实际检测值；所述实际检测值为氮素或叶绿素实际检测值； (4)基于公式ys= K Θ yv，根据获取的太阳入射角度、样本校正系数及待测植物的实际检测值，获得太阳角修正后的检测值；其中，ys为太阳角修正后的检测值，yv为植物冠层信息光谱检测仪的实际检测值，K为校正系数，Θ为太阳入射角度。
8.如权利要求7所述的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法，其特征在于，步骤(I)中，利用呈圆形点阵分布的光学传感器获取太阳入射角度；具体方法如下利用呈圆形点阵分布的光学传感器获取太阳光感应光强，将光电传感器阵列感应光强转化为电 is S压，基于公式0 =，得到太阳入射角；其中，θ为太阳入射角度，θ值不为o;um max为电压值；umax是Θ值为O时，转化得到的电压值。
全文摘要
本发明公开了一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪器，包括探头和数据处理单元，设有太阳入射角度检测装置，所述探头和太阳入射角度检测装置的信号输出端均接入数据处理单元；本发明还公开了一种基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法；本发明的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测仪检测精度高，环境适应能力强；本发明的基于太阳角修正的植物冠层信息光谱检测方法克服了太阳角对检测结果的影响，操作方便，可大大提高检测精度。
文档编号G01N21/25GK102841059SQ20121032014
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者聂鹏程, 李晓丽, 何勇, 吴迪 申请人:浙江大学