智能便携式NDVI 测量仪

1、智能便携式NDVI 测量仪摘要介绍了一种测量归一化植被差异指数(NDV I,No rmalized D ifference V egetat ion Index) 的新仪器。该仪器能快速、方便、准确地测定农作物在生长的不同时期对氮肥的需求量, 确定植物施肥的最佳时机。它具有结构简单、成本低、轻便、低功耗等特点。该测量仪已被用作测量几种小麦的NDV I 值。实验结果表明, 该NDV I 测量仪测得的数据与A SD 公司FR2500 地物光谱仪测定的数据是一致的。1引言现代新小麦种植者面临许多经济和环境上的挑战, 但最大的挑战之一是肥料的有效使用。种植者要想取得粮食作物高产, 就需要使用足够量的氮

2、肥, 但过量可能导致严重的环境问题。就小麦来说, 一个关键的要素是时机的掌握, 为的是确定植物如何能最高效地利用氮肥。现在确定最佳施肥时机的方法花费很高, 而且费时费力。合理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, 与植物体的细胞增长和新细胞形成有密切关系。植物缺氮时,叶片中的叶绿素含量低下, 叶色呈浅绿或黄色, 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, 并容易遭病虫危害, 最终也会造成减产。因此合理使用氮肥是降低生产成本, 提高产

3、量的关键因素之一。实际上氮肥中能被植物直接吸收利用的氮素很少, 全球粮食作物氮肥的氮利用率(NU E, nitrogen use efficiency) 仅平均为33% , 发展中国家更低。为了扭转这种局面, 必须推广适宜的技术, 加大粮食生产的科技含量。文献提出了用便携式光纤光谱仪测量归一化植被差异指数(NDV I,Normalized Difference V egetat ion Index) 来获取氮利用率NU E 和氮肥需要量数据的方法, 根据氮肥优化算法(NFOA ,Nit rogen Fert ilization Optimization Algorithm ) , 可由测得的N

4、DV I 数据和预测的可能谷物产量等参数, 计算出氮肥需要量( FNR, Fert ilizer Nitrogen Requirement)。文献报道了利用航摄和卫星成像的遥感技术, 可以准确地掌握施肥的时机。目前, 常采用地物光谱仪进行NDV I 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。因此开发一种体积小、重量轻、成本低、使用方便的NDV I 测量仪势在必行。2NDVI 测量仪工作原理归一化植被差异指数NDV I 的定义为:式中: R IR为某红外光特征波长处植被的反射率,RR 为某红光特征波长处植被的反射率

5、。该仪器原理如图1 (a) 所示。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, 经模数转换后, 由单片机处理得到NDV I 值, 所得结果由液晶显示器(LCD) 显示。图1 (b) 是作者设计制造的智能便携式NDV I 测量仪结构示意图, 它采用电池供电, 体积小, 重量轻(1kg) , 成本低, 便于在田间操作。使用时用于测量入射光信号的探测器垂直向上, 用于测量植被反射光信号的探测器垂直向下。3光电探测器结构为了减小日光入射角对入射光探测器信号幅度造成的影响, 探测器前设有毛玻璃或乳白玻璃的

6、漫射体,此漫射体后是相应波长的窄带干涉滤光片和硅光电二极管, 如图2 (a) 所示; 在反射光探测器最前端是相应波长的窄带干涉滤光片, 其后为接收物镜, 合理设计物镜视场角(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112m ) 成像在物镜上方的硅光电二极管光敏面上, 如图2 (b) 所示。4特征波长的选择图3 是植被光谱反射率曲线, 它可由地物光谱仪测得。植被在近红外线光谱部分有高的反射率, 在红光光谱部分有相对低的反射率。图3 中1 为叶绿体吸收峰区域, 2 为水吸收峰区域, 3 为红光特征波长, 4 为红外光特征波长, 在这两特征

7、波长处的植被光谱反射率与植被含氮量密切相关。光电探测器中窄带干涉滤光片的中心波长分别选择在位于植被光谱反射率曲线斜率最大处两边的近红外( 0.77 0.86Lm ) 和红光(0162 0168Lm) 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NDV I 的测量精度。硅光电二极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。5NDVI 测量仪标定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 ,

8、 对应波长植被反射光信号为EIRR , 则有:式中: kR 和k IR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。公式(2) 表明: 只要确定仪器的待定特征常数k, 就可由四个光电探测器测得的信号求得NDV I。上述仪器的待定特征常数k 的确定, 可用NDV I测量仪对一块NDV I 值为0 的标准白板进行标定, 标准白板的尺寸应与仪器探测范围相符。根据式(2) 就可得到待定特征常数的计算公式:利用测量仪测出四个探测器输出的信号电压值,根据公式(3) 计算出标定系数k, 把k 值写入单片机, 利用公式(2) , 针对不同的植被或地物, 测量仪液晶显示屏便可显示出ND

9、V I 值。6实验结果为了验证该NDV I 测量仪测定数据的真实可靠性, 于2003 年4 月7 日、4 月15 日、4 月23 日, 在北京顺义、昌平、房山的21 个冬小麦实验基地点, 用A SDFR2500 地物光谱仪测定了冬小麦的冠层光谱, 并用该NDV I 仪同步测定小麦冠层的NDV I 值。上述测试是在天气晴朗的条件下进行的, 并尽量保证该NDV I 仪和地物光谱仪的测定高度、覆盖范围相一致。A SD FR2500 光谱仪的光谱范围为350 2500nm, 采样间隔为114nm ( 350 1000nm 区间) 和2nm ( 在10002500nm 区间)。根据NDV I 仪的滤光片光谱特性, 由A SDFR2500 地物光谱仪测定的反射率光谱数据换算对应的NDV I 值。图4 为NDV