作物氮素营养监测仪的评价与建模

论文摘要

信息农业是农业信息化发展的高级阶段,是基于信息采集技术、决策支持技术和智能装备对农业生产进行定量决策、变量投入并定位精确实施的现代农业生产管理技术系统,其中农田信息采集技术和设备是精确农业的基础和支撑,是实现农业的高效、高产、高品质的重要保障。从农业发展的方向看,智能化、精确化、数字化和网络化是今后农业发展的必然。基于作物冠层光谱信息的作物氮素营养无损监测技术是现阶段作物氮素营养精确诊断和动态调控所迫切需要的关键技术,也是目前数字农作研究中氮素营养无损监测装备开发的技术基础。本文首先从结构、工作原理、测量方法三方面介绍了一种新型的基于冠层反射光谱的作物氮素营养无损监测仪,本仪器具有结构简单、成本低、便捷、功耗低等特点。仪器利用日光作为被动光源,通过上下各四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,获取到四个特定波段的作物冠层的反射率值,再结合相关农学数学模型实时的评估作物的氮素营养状况和生长指数。光电探测器件的性能对整个检测系统的测量准确度和精度影响都很大,光谱响应度是光电探测器件最重要的性能参数,也是其它参数计算的重要依据之一。本章利用探测器光谱响应度测量系统测量光电池以及整个光管（包括硅光电池、透镜、滤光片、窗口镜或余弦漫射体）的光谱响应度,通过计算得出其积分响应度,利用这些响应度参数对监测仪的光电检测系统进行校正,并将所有监测仪的光电检测系统进行定标使其输出响应在统一标准上。采用自行研制的作物氮素营养无损监测仪获取各关键生育期的小麦冠层反射光谱信息,通过研究不同水氮肥条件下小麦冠层反射光谱的变化模式,测试并评价作物氮素营养无损监测仪的工作性能。结果表明:在作物氮素营养无损监测仪的四个波段中,四个波段的反射率值从大到小依次为R810,R546,R710,R660,其中R810和R546随着施氮量增加而提高,而R710和R660随着施氮量增加而降低;随着土壤水分含量的增加,可见光区546nm、660nm、710nm的反射率逐渐降低,近红外波段810nm反射率逐渐增加。与Fieldspec Pro FR2500光谱仪和Cropscan MSR-16同波段相比,本仪器四个波段的光谱反射率与其有较大差异,且在不同氮素水平下各波段反射率的变异系数整体较小。设计了2个品种和4个施氮水平的小麦田间试验,采用自行研制的作物氮素营养无损监测仪获取各关键生育期的小麦冠层反射光谱信息,并实施田间协同取样和实验室氮素含量测定。通过分析小麦叶片氮含量（LNC）与冠层光谱反射率及植被指数（Ⅵ）之间的相关性和定量关系,测试并评价作物氮素营养无损监测仪的工作性能。结果表明,监测仪具有优异的氮素监测效果和优良的田间工作性能,在其所具备的4个特征波段中,660nm、710nm和810nm单一波段的光谱反射率与LNC的相关性均大于0.5,并全部通过0.01水平的极显著检验;在各生育期中,所有双波段光谱Ⅵ与LNC的拟合系数均大于0.7,并以开花期和成熟期的拟合系数（>0.83）为最高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 研究背景
• 2 国内外研究进展
• 2.1 作物氮素营养诊断的传统方法
• 2.2 作物氮素营养诊断的现代技术
• 2.3 作物氮素营养无损监测的研究进展
• 3 有待解决的问题
• 4 研究的目的和意义
• 参考文献
• 第二章 研究方法与技术路线
• 1 研究思路与技术路线
• 1.1 模型建立与校正
• 1.2 光管的光谱响应度参数校正
• 2 材料与方法
• 2.1 作物氮素营养无损监测仪
• 2.2 试验设计
• 2.3 数据获取方法
• 2.4 模型建立与维护
• 2.5 试验数据分析处理
• 参考文献
• 第三章 作物氮素营养监测仪中光管的光谱响应度参数校正研究
• 1 光管光谱响应度的校正实验
• 1.1 光管的光谱响应度参数校正方法
• 1.2 数据获取及测定内容
• 2 结果与分析
• 2.1 光电池的光谱响应度参数
• 2.2 滤光片的光谱响应度参数
• 2.3 上下光管的光谱响应度参数
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第四章 基于作物氮素营养监测仪的小麦冠层光谱特征
• 1 材料与方法
• 1.1 材料与试验设计
• 1.2 冠层光谱测定
• 2 结果与分析
• 2.1 小麦冠层光谱反射特征
• 2.2 不同水分处理下小麦冠层反射光谱特征
• 2.3 基于氮素监测仪的小麦冠层反射光谱特性分析
• 2.4 不同小麦品种冠层光谱反射率差异分析
• 2.5 小麦冠层反射光谱随生育期的变化
• 2.6 一天内不同时间段的冠层反射光谱变化规律
• 3 讨论
• 参考文献
• 第五章 作物氮素营养监测仪的小麦田间试验评价
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 数据获取与处理方法
• 1.3 数据处理方法
• 2 结果与分析
• 2.1 小麦叶片氮含量随施氮量的变化特征
• 2.2 单波段冠层光谱反射率与叶片氮含量的相关分析
• 2.3 冠层反射光谱指数与叶片氮含量的定量关系
• 3 讨论
• 参考文献
• 第六章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 光谱响应度参数的校正
• 1.2 作物氮素营养无损监测仪的光谱特性分析
• 1.3 基于作物氮素营养无损监测仪的作物氮素营养监测
• 2 研究总结与展望
• 3 结论
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表的论文
• 致谢