作物生长信息无损监测仪的校正

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、数字化是未来现代农业发展的必然趋势。基于光谱信息的作物生长信息无损监测技术是现阶段作物生长信息精确诊断和动态调控所迫切需要的关键技术,而针对现有仪器进行校正以改善监测仪器的工作性能则是实现仪器智能化、精确化、数字化的关键手段。本文首先介绍了一种自主开发的基于冠层反射光谱的作物生长信息无损监测仪。它采用主动光源（日光）,以546m、660m、710m、810m四个特征波段设置具有特殊光谱响应特性的8个光电探测器,分别对入射光和作物冠层的反射光进行探测,结果经过处理得出光谱反射率值显示于液晶屏。本仪器具有结构简单、成本低、轻便、低功耗等特点。采用探测器光谱响应度测量系统测量初步完成焊接的硅光电池组的光谱响应度,根据测量结果找出参数产生偏离的硅光电池组,对其焊接位置和光敏面朝向进行多次的微调与测量校正可使其输出的光谱响应度曲线在同一水平,完成对不同硅光电池组光谱响应度参数的定标。通过对一组硅光电池组装不同的透镜、滤光片、窗口镜或余弦漫射体进行响应度参数的测量除了可以有效降低因器件磨损及老化带来的不良影响。同时可以预估该器件对整个光电检测系统响应度参数的影响。最后测量装配完成的光管的光谱响应度,计算相对应的响应度参数的目的是为了对不同波长的上下光管进行校正定标,根据对不同波长的光管积分响应度值的比较可以得出相应的校正参数,将该校正参数写入单片机程序,即可消除设计时上下光管分别使用窗口镜和余弦漫射体而产生的输出影响,有效提高了本仪器的输出精度。将环境温度与环境相对湿度作为影响仪器监测精度的变量,对其进行试验监测。实验结果显示,环境相对湿度对于仪器光电处理系统的电压输出影响极小,实际测量时可忽略其影响。环境温度与仪器的电压输出呈负线性相关,根据输出误差值建立线性表,存储于单片机,即可根据测试时的实际环境温度校正输出数据,提高仪器的测量精度。在对作物生长信息无损监测仪进行校正的基础上,采用校正前后的监测仪开展小麦田间试验与测试,通过研究小麦冠层光谱反射率及其光谱指数与叶片氮含量之间的相关性及其定量关系,评价了校正后作物生长信息无损监测仪在小麦田间的实际应用性能。结果表明,该仪器校正后4个波段的冠层反射光谱数据在小麦的各个时期与氮素的相关性均明显优于未校正的仪器。校正后的仪器所获取的4个波段的冠层光谱反射率在拔节、开花、灌浆期以及整个生育期都表现出与叶片氮含量具有1%水平上的显著相关性,相关系数均值在0.20-0.77之间,显示本仪器具有良好的田间工作性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 摘要
• 1 研究背景
• 2 国内外研究进展
• 2.1 作物生长信息的无损监测原理
• 2.2 作物生长信息无损监测设备的研究进展
• 2.3 智能光电检测仪器的校正与定标研究进展
• 3 待解决的问题
• 4 研究的目的和意义
• 参考文献
• 第二章 基于冠层反射光谱的作物生长信息无损监测仪
• 摘要
• 1 便携式生长信息无损监测仪的工作原理
• 1.1 作物生长信息光谱无损监测的理化机理
• 1.2 基于冠层反射光谱的作物生长信息无损监测仪的工作光学原理
• 2 作物生长信息无损监测仪的监测方法
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第三章 作物生长信息无损监测仪光学系统校正研究
• 摘要
• 1 光学系统光谱响应度的校正原理与方法研究
• 1.1 光学系统光谱响应度校正参数的选择
• 1.2 光学系统光谱响应度校正的目的和意义
• 2 光管光谱响应度的校正实验
• 2.1 光管光谱响应度参数的测量原理
• 2.2 探测器光谱响应度测量系统的结构
• 2.3 探测器光谱响应度测量系统的设备安装及调试
• 2.4 光管的光谱响应度参数校正实验
• 3 结果与分析
• 3.1 光电池的光谱响应度参数
• 3.2 滤光片与透镜的光谱响应度参数
• 3.3 上下光管的光谱响应度参数
• 4 讨论与小结
• 参考文献
• 第四章 环境湿温度对作物生长信息无损监测仪性能的影响及噪声误差的校正
• 摘要
• 1 生长信息无损监测仪的性能参数
• 2 材料与方法
• 2.1 试验目的
• 2.2 激励大小的确定
• 2.3 试验装置
• 2.4 测定方法
• 3 结果与分析
• 3.1 环境湿度对仪器性能参数的影响
• 3.2 环境温度对仪器性能参数的影响
• 3.3 不同条件下校正后电压与温度的关系
• 4 讨论与小结
• 参考文献
• 第五章 作物生长信息无损监测仪的田间试验
• 摘要
• 1 田间冠层反射率监测试验
• 1.1 试验设计
• 1.2 仪器的田间安装调节和标定
• 1.3 数据获取与处理方法
• 2 数据分析
• 2.1 单波段冠层光谱反射率与叶片氮含量的相关分析
• 2.2 冠层反射光谱指数与叶片氮含量的定量关系
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第六章 讨论与结论
• 摘要
• 1 讨论
• 1.1 光谱响应度参数的校正
• 1.2 环境温湿度对仪器性能影响的校正
• 1.3 田间试验对本仪器工作性能的验证
• 2 本研究的创新与展望
• 2.1 创新与特色
• 2.2 今后的研究设想
• 3 结论
• 参考文献
• 在学期间发表的论文与参加的研究课题
• 致谢