多角度原位光譜檢測番茄葉片氮素含量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光譜檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種用于番茄種植現(xiàn)場檢測番茄葉片氮 素含量的光譜裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 番茄果實(shí)含有大量的糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素及無機(jī)鹽類等多種營養(yǎng)元素。 所W番茄在我國非常受老百姓歡迎，每年的產(chǎn)量很大。在番茄植株生長過程中，葉片中的氮 素含量有助于植物生長，促進(jìn)植株生物量的積累，為植物體內(nèi)各種活性物質(zhì)提供氮源，能影 響酪類物質(zhì)的積累和滲出，監(jiān)控番茄生長過程中氮素含量指標(biāo)，分析造成氮素含量指標(biāo)變 化的原因，為番茄種植決策提供依據(jù)，對番茄種植合理水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。
[0003] 番茄葉片氮素含量測定仍然主要是化學(xué)測定法測定番茄葉片中硝態(tài)氮（包括亞 硝態(tài)氮）、氨態(tài)氮、總氮的含量。采用化學(xué)測定法耗時(shí)費(fèi)力，需要較多的人力成本，分析過程 有較多的機(jī)械性操作，并且一般不適宜對大量樣本進(jìn)行分析；化學(xué)分析需要使用化學(xué)試劑， 勢必對環(huán)境造成污染，兼顧測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、操作便捷及環(huán)保無污染的特性，利用光譜學(xué) 技術(shù)替代常規(guī)的化學(xué)分析方法已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用。
[0004] 如圖1所示，因番茄葉片生長形態(tài)各異，現(xiàn)場測量對光源投射角度和光譜探頭入 射角度要求很高，現(xiàn)有的番茄葉片氮素光譜檢測的方法大多采用采摘新葉，裝袋碎冰保鮮 防止葉片變質(zhì)W影響氮素光譜測量的準(zhǔn)確性，對測量氮素含量實(shí)時(shí)性要求高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于現(xiàn)場檢測、測量準(zhǔn)確的一種多 角度原位光譜檢測番茄葉片氮素含量裝置和方法。
[0006] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種多角度原位光譜檢測番茄葉片氮 素含量裝置，包括有光譜探頭、光源，其不同之處在于，還包括有全方位旋轉(zhuǎn)儀和隔光裝置， 全方位旋轉(zhuǎn)儀由圓弧懸掛板、圓環(huán)軌道板、電驅(qū)滾輪、支腿組成，圓弧懸掛板弧形均勻設(shè)置 一排安裝孔，光源和光譜探頭根據(jù)投射角度和入射角度分別選擇其中一個(gè)安裝孔連接在圓 弧懸掛板上，圓弧懸掛板兩頭端裝配有電驅(qū)滾輪，圓環(huán)軌道板上設(shè)有開口向上的凹槽，電驅(qū) 滾輪嵌入凹槽內(nèi)沿凹槽軌跡行進(jìn)，圓環(huán)軌道板底面連接有起支撐作用的支腿；檢測時(shí)番茄 活株處于圓環(huán)軌道板中屯、位置，隔光裝置將全方位旋轉(zhuǎn)儀連同被測番茄活株罩入其中。
[0007] 較佳地，所述隔光裝置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，頂部開有線 孔，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，線孔處設(shè)有密封塞。
[000引較佳地，所述圓弧懸掛板上還連接有攝像頭。
[0009] 較佳地，所述電驅(qū)滾輪由滾輪和步進(jìn)電機(jī)組成，步進(jìn)電機(jī)輸出軸與滾輪轉(zhuǎn)軸連接。
[0010] 較佳地，所述支腿與圓環(huán)板間設(shè)有調(diào)節(jié)圓環(huán)板離地高度的可調(diào)螺栓。
[0011] 較佳地，所述圓弧懸掛板呈半圓形，并在側(cè)壁上標(biāo)有表示懸掛板圓弧角度的刻度 線。
[0012] 較佳地，所述圓弧懸掛板的安裝孔個(gè)數(shù)為18,相鄰兩孔夾角為10°。
[0013] 較佳地，所述隔光裝置還包括有電動(dòng)葫蘆，隔光罩頂部設(shè)有吊環(huán)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤 與吊環(huán)配合，電動(dòng)葫蘆懸掛在支架上。
[0014] 較佳地，所述支架為=腳支架。
[0015] 一種多角度原位光譜檢測番茄葉片氮素的方法；包括如下步驟： (a) 設(shè)備準(zhǔn)備：架設(shè)支架，起吊隔光罩，架設(shè)全方位旋轉(zhuǎn)儀并水平找平，番茄活株處于全 方位旋轉(zhuǎn)儀的圓環(huán)軌道板中屯、位置，將光譜探頭和光源分別通過安裝孔安裝在圓弧懸掛板 上，光譜探頭和光源的電纜線和光纖線從線孔穿出，放下隔光罩； (b) 光譜白板矯正；白板與番茄活株葉片高度平齊放置，進(jìn)行光譜白板矯正； (C)葉片光譜的角度自動(dòng)調(diào)整采樣；電驅(qū)滾輪啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)圓弧懸掛板連同光譜探頭和光 源轉(zhuǎn)過一定角度，并配合調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板高度，通過攝像頭觀測監(jiān)控W保證檢測點(diǎn)的光程 一致，入射角和反射角呈90° ;光源向第一個(gè)檢測點(diǎn)發(fā)送檢測光，利用光譜探頭采集檢測點(diǎn) 處的波長為 615nm、686nm、812nm、953nm、1025nm、1228nm、1458nm、1510nm、1862nm、1935nm、 2016nm和2224 nm所對應(yīng)番茄葉片的反射率； (d) 葉片光譜的多點(diǎn)采樣：采樣完成后，重復(fù)步驟（c)，完成另外兩個(gè)檢測點(diǎn)的采樣； (e) 理化值計(jì)算；將所得=個(gè)點(diǎn)反射率分別輸入控制單元，控制單元依據(jù)多元線性回歸 方程： Y=10.972X1 + 14. 293X2-20. 368X3+22. 924X4+358. 542X5-520. 206X6+208. 184X7+248 .062X8-360. 612X9+292. 463X10-252. 246X11+42. 135X1^2. 3,計(jì)算得到番茄葉片的氮素 含量；式中Y為番茄葉片中氮素含量；XI?X12分別為波長615皿、686皿、812皿、953皿、 1025nm、1228nm、1458nm、1510nm、1862nm、1935nm、2016nm 和 2224 nm 所對應(yīng)的番茄活株葉 片的反射率，=個(gè)檢測點(diǎn)得到=個(gè)氮素含量值，Y1，Y2和Y3,將Y1，Y2和Y3求和取平均為 番茄葉片中氮素含量Y。
[0016] 本發(fā)明的有益效果有： (1)全方位旋轉(zhuǎn)儀在番茄種植現(xiàn)場架設(shè)，可獲取活株番茄葉片氮素的光譜數(shù)據(jù)，避免因 離體后番茄葉片氮素含量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題。
[0017] (2)采用圓弧懸掛板在圓環(huán)軌道板水平旋轉(zhuǎn)，并選擇不同懸掛角度，可全方位多角 度地測量番茄葉片，可根據(jù)不同番茄葉片的自然生長形態(tài)，便捷地改變光譜投射角度和入 射角度，獲取較佳的測量角度。
[0018] (3)可調(diào)螺栓調(diào)節(jié)圓環(huán)板離地高度，能根據(jù)不同的作物生長高度，保持光譜探頭與 作物距離相對恒定，W獲取較優(yōu)的光譜數(shù)據(jù)。
[0019] (4)使用隔光材料制成的隔光罩將測試儀器連同被測作物一起罩入，阻擋外界環(huán) 境對光譜數(shù)據(jù)的影響，測量更準(zhǔn)確。
[0020] (5)在不起吊隔光裝置情況下，電驅(qū)滾輪自動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓弧懸掛板在圓環(huán)軌道板水平 旋轉(zhuǎn)，同時(shí)攝像頭配合觀測監(jiān)控W保證檢測點(diǎn)的光程一致，解決無電驅(qū)滾輪和攝像頭必須 多次起吊隔光裝置，檢測效率低下的問題。
[0021] (6 )整個(gè)裝置簡單實(shí)用，成本低廉，易于推廣。
【附圖說明】
[0022] 圖1為番茄葉片示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中全方位旋轉(zhuǎn)儀結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中隔光裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)施測量番茄葉片氮素含量結(jié)果； 1一攝像頭，2-圓弧懸掛板，3-光譜探頭，4-凹槽，5-圓環(huán)軌道板，6 -電驅(qū)轅輪，7- 可調(diào)螺栓，8-支腿，9-光源，10-支架，11-線孔，12-隔光罩，13-電動(dòng)葫蘆，14-光源連 接座，15-攝像頭連接座，16-光譜探頭連接座，17-番茄活株。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一 步的說明，參見圖2、圖3和圖4 ; 按本發(fā)明實(shí)施的多角度原位光譜檢測番茄葉片氮素含量裝置，主要作用是方便現(xiàn)場架 設(shè)，且能適用不同自然生長形態(tài)番茄葉片，所W采用全方位旋轉(zhuǎn)儀懸掛光譜探頭3和光源 9, W快速地改變光譜投射角度和入射角度，獲取較佳的測量角度。隔光裝置阻擋外界環(huán)境 對光譜數(shù)據(jù)的影響，測量更準(zhǔn)確。
[0024] 全方位旋轉(zhuǎn)儀具體的結(jié)構(gòu)；包括圓弧懸掛板2、圓環(huán)軌道板5、電驅(qū)滾輪6、支腿8， 圓弧懸掛板2弧形均勻設(shè)置一排安裝孔，光譜探頭3和光源9根據(jù)投射角度和入射角度分 別選擇其中一個(gè)安裝孔，分別通過光源連接座14和光譜探頭連接座16連接在圓弧懸掛板2 上。為了能快速地找到較好的測量角度，本實(shí)施例中安裝孔總數(shù)為18個(gè)，每相鄰兩孔夾角 為10°。為了記錄比對測量結(jié)果，在呈半圓形的圓弧懸掛板2側(cè)壁上標(biāo)有表示懸掛板圓弧 角度的刻度線。圓弧懸掛板2兩頭端裝配有電驅(qū)滾輪6,圓環(huán)軌道板5為中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其 上設(shè)有開口向上的凹槽4,電驅(qū)滾輪6嵌入凹槽4內(nèi)沿其軌跡行進(jìn)，推動(dòng)圓弧懸掛板2連同 光譜探頭3 -同在圓環(huán)軌道板5平面轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過圓弧懸掛板2的安裝孔調(diào)整光源9和 光譜探頭3的入射角和反射角呈90°，達(dá)到全方位多角度測量的目的。
[0025] 圓環(huán)軌道板5底面連有起支撐作用的支腿8，為了根據(jù)不同的作物生長高度，保持 光譜探頭3與作物距離相對恒定，W獲取較優(yōu)的光譜數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中在支腿8與圓環(huán)軌 道板5間設(shè)有調(diào)節(jié)圓環(huán)軌道板5離地高度的可調(diào)螺栓7。
[0026] 隔光裝置阻擋外界環(huán)境光，檢測時(shí)番茄活株17處于圓環(huán)軌道板5中屯、位置，隔光 罩12將全方位旋轉(zhuǎn)儀連同被測番茄活株17罩入其中。所述隔光裝置由隔光罩12、支架10 組成，隔光罩12由隔光材料制成，頂部開有線孔11，光譜探頭3和光源9的電纜線和數(shù)據(jù)線 從線孔11穿出，線孔11處設(shè)有密封塞。隔光