田間作物雙波段成像ndvi測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為田間作物雙波段成像NDVI測量裝置，屬于農(nóng)作物長勢信息監(jiān)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上獲得了大量的應(yīng)用，其中歸一化植被指數(shù)已經(jīng)廣泛用來定性和定量評價植被覆蓋及其生活力，簡稱為NDVI (Normalized Difference Vegetat1nIndex)，它是基于物理知識，將電磁波輻射、大氣、土壤、植被覆蓋等相互作用集合在一起，對植物在紅光和近紅外波段的光譜進(jìn)行分析，能反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)信息。植物葉綠素發(fā)生光合作用時，吸收紅光較多，因此長勢越好的植被吸收紅光越多，反射近紅外光也越多。而歸一化植被指數(shù)NDVI定義為(refNIR-refR)/ (refNIR+refR)。refNIR為某紅外光特征波長處的植被反射率，refRS某紅光特征波長處植被的反射率。很多研究結(jié)果表明，歸一化植被指數(shù)比單波段探測農(nóng)作物葉綠素、生物量等長勢信息以及作物缺素、凍害、病蟲害、干旱等災(zāi)害信息具有更好的靈敏性，是衡量農(nóng)作物生長發(fā)育的重要指標(biāo)。由于反射、發(fā)射光譜信息獲取具有無破壞性、獲取方便、實時性高等優(yōu)點，通過測量被測物不同波段的反射、發(fā)射光譜值，來分析獲取被測物的相關(guān)特征信息，被廣泛應(yīng)用于作物生長指數(shù)檢測。例如，日本Konica Minolta公司開發(fā)的手持式葉綠素計SPAD-502。該裝置內(nèi)置光源測量葉綠素對光譜的吸收率，進(jìn)而計算出表征作物葉綠素含量的SPAD值。再例如，美國Trimble Navigat1n公司生產(chǎn)的Green Seeker系列產(chǎn)品。通過測量作物冠層在紅光及近紅外范圍內(nèi)的若干個波段處的反射率，并通過計算NDVI (歸一化植被指數(shù))、RVI (比值植被指數(shù))或Cl (葉綠素指數(shù))等光譜指數(shù)來預(yù)測作物長勢。然而在國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，目前還沒有一款成熟的用于快速檢測植物NDVI值的裝置，近年來在中國NDVI值的測定很多是依賴于國外進(jìn)口的光譜儀器，該測量方法視場角較小，對日光照明條件有較高要求，只能單點監(jiān)測，對于大面積檢測區(qū)域，單點檢測效率非常低，儀器多采用有線連接方式，限制了儀器使用的范圍，而且這些光譜儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、操作困難、價格高，很少科研單位可以買得起，國外儀器的人機(jī)交互界面均英文環(huán)境，國內(nèi)農(nóng)戶無法正常使用，在很大程度上限制了這一技術(shù)在中國大面積的應(yīng)用普及，為此開展這方面儀器的研究與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]目前，市面上流行的NDVI儀多利用日光作光源，將儀器置于植被上方一定高度，分別運用可見光、近紅外特定波長范圍的窄帶濾光片(可見光范圍內(nèi)多采用620~680nm窄帶濾鏡，近紅外范圍內(nèi)多采用770~860nm窄帶濾鏡)，通過兩個緊鄰的獨立采光通道，過濾出植被反射光譜中的兩個目標(biāo)波段，運用光電探測器(多采用硅光電二極管)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過適配放大器對電信號進(jìn)行放大，并通過模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置將電信號強(qiáng)度進(jìn)行量化，以獲得可見光、近紅外相應(yīng)波段的光信號強(qiáng)度。運用NDVI值為O的標(biāo)準(zhǔn)白板對儀器探測得到可見光、近紅外兩波段的光信號進(jìn)行標(biāo)定和校正，以獲得兩個相應(yīng)波段的植被光譜反射率值，對二者進(jìn)行歸一化運算，即獲得相應(yīng)條件下的歸一化植被指數(shù)值。
[0004]現(xiàn)有的NDVI儀器，多采用手持式或便攜式設(shè)計，只能進(jìn)行單點監(jiān)測，其數(shù)據(jù)多存儲于儀器內(nèi)部，數(shù)據(jù)共享困難，對于區(qū)域NDVI的監(jiān)測效率低下。現(xiàn)有的NDVI儀器多采用分時或分視場探測的方法，其中分時探測是利用旋轉(zhuǎn)濾光片、調(diào)節(jié)液晶調(diào)制器或聲光調(diào)制器，在一段時間內(nèi)順次采集不同譜段的圖像信息，這種方法的缺點是儀器在工作過程中需要外界介入調(diào)節(jié)內(nèi)部的運動部件以改變其工作譜段，其延時性導(dǎo)致無法實時探測，也無法對運動目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)視頻探測，并且儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性較低；分視場探測是利用緊鄰的兩個采光通道分視場探測，其緊鄰的兩個采光通道并不能保證兩通道內(nèi)視場的完全一致性，兩視場存在一定的位移，所獲NDVI值存在偏差。另外，現(xiàn)行的NDVI儀器大多只能獲得可見光和近紅外相應(yīng)波段的光譜反射率的歸一化值，且該值僅僅為儀器視場范圍內(nèi)所有地物平均的歸一化植被指數(shù)值，所獲得的植被信息量相當(dāng)有限?，F(xiàn)行NDVI儀器中能兼具歸一化植被指數(shù)提取和實時成像功能的儀器更是少之又少。
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種網(wǎng)絡(luò)化的田間作物雙波段成像NDVI測量裝置。本發(fā)明的目的為完成田間作物NDVI及其生長圖像獲取，來完成田間植被的生長狀況的實時監(jiān)測，為田間管理提供指導(dǎo)，同時為農(nóng)田災(zāi)害的預(yù)報和預(yù)警提供相應(yīng)的技術(shù)支持，通過NDVI裝置與Internet的對接，以解決現(xiàn)行NDVI儀器所獲信息量小、無法成像、無遠(yuǎn)程傳輸功能的缺點。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，1T)是近年發(fā)展迅速的現(xiàn)代信息技術(shù)，它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，1T是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，集成了監(jiān)測、控制以及無線通信，具有可快速臨時組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動態(tài)變化、抗毀性強(qiáng)、無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無通信費用等誘人的特點?；谝陨咸攸c，1T技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也得到越來越廣泛的應(yīng)用。利用種近距離、低功耗、低成本、高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)y量的NDVI數(shù)值通過Internet進(jìn)行傳輸并集中監(jiān)控和管理，并可提供報警功能，使用戶能夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物缺素、凍害、病蟲害、干旱等，采取有效措施根據(jù)作物需要改善管理手段從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。
[0006]本發(fā)明旨在構(gòu)造一種適用于田間環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化NDVI成像裝置。該裝置能完成田間環(huán)境下的植被NDVI的獲取，為紅光、近紅外雙波段一體化裝置，利用分光原理，兩波段分別內(nèi)置濾光片，無需人為更換濾光片，保證雙波段成像視場的一致性，可對植被長勢進(jìn)行快速、實時、全程監(jiān)測，并能通過接入Internet為突發(fā)災(zāi)害的監(jiān)控和預(yù)警提供幫助。本發(fā)明為了提供更方便的植被NDVI田間監(jiān)測方式，針對現(xiàn)行NDVI儀器存在的應(yīng)用缺點，以及實際生產(chǎn)生活需要，根據(jù)作物生長對日光譜的反射特性，提供一種用于測量歸一化植被指數(shù)的新方法，兼具圖像生成功能和監(jiān)測功能的新型網(wǎng)絡(luò)化田間作物NDVI測量裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在設(shè)計具有NDVI自動獲取功能的成像裝置。所述裝置由物鏡組、分光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、液晶顯示器和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成。該裝置采用垂直向下的方式采集作物冠層圖像，外界光束首先經(jīng)一個消色差的、無畸變的物鏡組合，進(jìn)入裝置分光系統(tǒng)空間，由分光棱鏡將光束均勻分為兩束，經(jīng)由平面反射鏡反射轉(zhuǎn)化為兩路平行光束，由窄帶濾波片濾過目標(biāo)波段光束(紅光波段中心波長660nm，近紅外波段中心波長740nm)，經(jīng)由成像透鏡，分別將兩路光束聚焦于CCD成像原件上，實現(xiàn)雙波段成像，并將兩視場內(nèi)各個像素點的灰度值予以記錄。由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算視場各個像素點的NDVI值，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果傳輸給服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲、查看與下載。液晶顯示器用于呈現(xiàn)紅光、近紅外灰度圖像和視場內(nèi)NDVI分布圖。所述NDVI監(jiān)測結(jié)果，對農(nóng)作物缺素、凍害、病蟲害、干旱等的監(jiān)測具有重要的意義和價值。
[0008]由于NDVI由地物紅光和近紅外波段反射率計算獲得，因此需將成像裝置記錄的視場灰度值轉(zhuǎn)化為反射率值。由于環(huán)境、光照等因素影響，在每次測量前運用NDVI值為O的標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考白板對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時將漫反射白板放置于水平地面上，裝置垂直于參考板采集其圖像信息，并自動記錄參考板在紅光和近紅外波段灰度值的全視場平均值，分別記作DNri]、DNnir。。然后，利用裝置進(jìn)行目標(biāo)地物圖像采集，分別將視場內(nèi)第i行j列的紅和近紅外波段地物灰度值記為DNrip DNNIRl]。根據(jù)公式:
(OrefR = DNrij / DNro
(2)refNIR - DNNIRi j / DNniro
(3)NDVI = ( refNIR - refR ) / ( refNIR + refR )