智能便攜式NDVI 測量儀

1、智能便攜式NDVI 測量儀摘要介紹了一種測量歸一化植被差異指數(shù)(NDV I,No rmalized D ifference V egetat ion Index) 的新儀器。該儀器能快速、方便、準(zhǔn)確地測定農(nóng)作物在生長的不同時期對氮肥的需求量, 確定植物施肥的最佳時機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、輕便、低功耗等特點。該測量儀已被用作測量幾種小麥的NDV I 值。實驗結(jié)果表明, 該NDV I 測量儀測得的數(shù)據(jù)與A SD 公司FR2500 地物光譜儀測定的數(shù)據(jù)是一致的。1引言現(xiàn)代新小麥種植者面臨許多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上的挑戰(zhàn), 但最大的挑戰(zhàn)之一是肥料的有效使用。種植者要想取得糧食作物高產(chǎn), 就需要使用足夠量的氮

2、肥, 但過量可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。就小麥來說, 一個關(guān)鍵的要素是時機(jī)的掌握, 為的是確定植物如何能最高效地利用氮肥?，F(xiàn)在確定最佳施肥時機(jī)的方法花費很高, 而且費時費力。合理施用氮肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要手段。在植物體內(nèi), 氮是蛋白質(zhì)、核酸和葉綠素的重要成分, 與植物體的細(xì)胞增長和新細(xì)胞形成有密切關(guān)系。植物缺氮時,葉片中的葉綠素含量低下, 葉色呈淺綠或黃色, 光合作用也隨之減弱, 從而使碳水化合物的合成量減少, 導(dǎo)致植物生長緩慢, 植株矮小。但植物吸收氮過多時, 常常表現(xiàn)為組織柔軟, 葉色濃綠, 莖葉徒長, 貪青遲熟, 并容易遭病蟲危害, 最終也會造成減產(chǎn)。因此合理使用氮肥是降低生產(chǎn)成本, 提高產(chǎn)

3、量的關(guān)鍵因素之一。實際上氮肥中能被植物直接吸收利用的氮素很少, 全球糧食作物氮肥的氮利用率(NU E, nitrogen use efficiency) 僅平均為33% , 發(fā)展中國家更低。為了扭轉(zhuǎn)這種局面, 必須推廣適宜的技術(shù), 加大糧食生產(chǎn)的科技含量。文獻(xiàn)提出了用便攜式光纖光譜儀測量歸一化植被差異指數(shù)(NDV I,Normalized Difference V egetat ion Index) 來獲取氮利用率NU E 和氮肥需要量數(shù)據(jù)的方法, 根據(jù)氮肥優(yōu)化算法(NFOA ,Nit rogen Fert ilization Optimization Algorithm ) , 可由測得的N

4、DV I 數(shù)據(jù)和預(yù)測的可能谷物產(chǎn)量等參數(shù), 計算出氮肥需要量( FNR, Fert ilizer Nitrogen Requirement)。文獻(xiàn)報道了利用航攝和衛(wèi)星成像的遙感技術(shù), 可以準(zhǔn)確地掌握施肥的時機(jī)。目前, 常采用地物光譜儀進(jìn)行NDV I 的測量, 該測量方法視場角較小、對日光照明條件有較高要求, 而且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、價值昂貴、操作困難, 所以難以推廣。因此開發(fā)一種體積小、重量輕、成本低、使用方便的NDV I 測量儀勢在必行。2NDVI 測量儀工作原理歸一化植被差異指數(shù)NDV I 的定義為:式中: R IR為某紅外光特征波長處植被的反射率,RR 為某紅光特征波長處植被的反射率

5、。該儀器原理如圖1 (a) 所示。利用日光作光源, 通過四個具有特殊光譜響應(yīng)特性的光電探測器, 在近紅外和紅光兩個特定波長處分別對入射光和植被的反射光進(jìn)行探測, 測得的四個參數(shù), 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 由單片機(jī)處理得到NDV I 值, 所得結(jié)果由液晶顯示器(LCD) 顯示。圖1 (b) 是作者設(shè)計制造的智能便攜式NDV I 測量儀結(jié)構(gòu)示意圖, 它采用電池供電, 體積小, 重量輕(1kg) , 成本低, 便于在田間操作。使用時用于測量入射光信號的探測器垂直向上, 用于測量植被反射光信號的探測器垂直向下。3光電探測器結(jié)構(gòu)為了減小日光入射角對入射光探測器信號幅度造成的影響, 探測器前設(shè)有毛玻璃或乳白玻璃的

6、漫射體,此漫射體后是相應(yīng)波長的窄帶干涉濾光片和硅光電二極管, 如圖2 (a) 所示; 在反射光探測器最前端是相應(yīng)波長的窄帶干涉濾光片, 其后為接收物鏡, 合理設(shè)計物鏡視場角(FOV ) , 使儀器所要求的探測范圍(如1m ×1m ) , 在儀器離植被一定距離處(如112m ) 成像在物鏡上方的硅光電二極管光敏面上, 如圖2 (b) 所示。4特征波長的選擇圖3 是植被光譜反射率曲線, 它可由地物光譜儀測得。植被在近紅外線光譜部分有高的反射率, 在紅光光譜部分有相對低的反射率。圖3 中1 為葉綠體吸收峰區(qū)域, 2 為水吸收峰區(qū)域, 3 為紅光特征波長, 4 為紅外光特征波長, 在這兩特征

7、波長處的植被光譜反射率與植被含氮量密切相關(guān)。光電探測器中窄帶干涉濾光片的中心波長分別選擇在位于植被光譜反射率曲線斜率最大處兩邊的近紅外( 0.77 0.86Lm ) 和紅光(0162 0168Lm) 波段, 紅光波段為植被葉綠體峰值吸收區(qū)域, 干涉濾光片的帶寬應(yīng)保證在通帶內(nèi)光譜反射率沒有明顯變化, 以保證NDV I 的測量精度。硅光電二極管在近紅外和紅光特征波長處具有較高的光譜靈敏度, 其光敏面尺寸要保證在不同的日光照明條件下有足夠大信號輸出和線性度。5NDVI 測量儀標(biāo)定若儀器測得紅光特征波長處的入射光信號為ER ,對應(yīng)波長植被反射光信號為ERR , 紅外光特征波長處的入射光信號為EIR ,

8、 對應(yīng)波長植被反射光信號為EIRR , 則有:式中: kR 和k IR為比例常數(shù), 由儀器的光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器及其適配放大器的特性參數(shù)決定。公式(2) 表明: 只要確定儀器的待定特征常數(shù)k, 就可由四個光電探測器測得的信號求得NDV I。上述儀器的待定特征常數(shù)k 的確定, 可用NDV I測量儀對一塊NDV I 值為0 的標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行標(biāo)定, 標(biāo)準(zhǔn)白板的尺寸應(yīng)與儀器探測范圍相符。根據(jù)式(2) 就可得到待定特征常數(shù)的計算公式:利用測量儀測出四個探測器輸出的信號電壓值,根據(jù)公式(3) 計算出標(biāo)定系數(shù)k, 把k 值寫入單片機(jī), 利用公式(2) , 針對不同的植被或地物, 測量儀液晶顯示屏便可顯示出ND

9、V I 值。6實驗結(jié)果為了驗證該NDV I 測量儀測定數(shù)據(jù)的真實可靠性, 于2003 年4 月7 日、4 月15 日、4 月23 日, 在北京順義、昌平、房山的21 個冬小麥實驗基地點, 用A SDFR2500 地物光譜儀測定了冬小麥的冠層光譜, 并用該NDV I 儀同步測定小麥冠層的NDV I 值。上述測試是在天氣晴朗的條件下進(jìn)行的, 并盡量保證該NDV I 儀和地物光譜儀的測定高度、覆蓋范圍相一致。A SD FR2500 光譜儀的光譜范圍為350 2500nm, 采樣間隔為114nm ( 350 1000nm 區(qū)間) 和2nm ( 在10002500nm 區(qū)間)。根據(jù)NDV I 儀的濾光片光譜特性, 由A SDFR2500 地物光譜儀測定的反射率光譜數(shù)據(jù)換算對應(yīng)的NDV I 值。圖4 為NDV