作物氮素传感器光谱定标方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及作物光谱定标技术领域，尤其是一种作物氮素传感器光谱定标方法。
【背景技术】
[0002] 氮素是影响作物生长和产量品质的重要元素。对作物生长过程中的氮素水平进 行快速、准确检测及科学合理的诊断与调控是作物生产管理中最为重要的一个技术环节。 传统检测作物氮素水平的方法依赖于对植株的破坏性取样、室内理化分析，费时费力且时 效性差。近年来，基于反射光谱识别物体特征的无损检测技术由于无破坏性，信息获取方 便，实时性好等优点，被广泛用于作物氮素监测及估产农学机理的研究中。这些研究主要 是基于现有的地物光谱仪，波段丰富、分辨率精细、测量精度高，但是价格昂贵，结构复杂， 操作繁琐，不利于田间推广应用。作物生长光谱监测技术的发展推动了作物氮素传感器的 研制与应用，如美国Cropscan公司生产用于监测作物冠层反射光谱的多光谱辐射计、美 国Trimble Navigation公司研制的归一化植被指数传感器Greenseeker、美国Holland Scientific公司研制的植物冠层光谱传感器Crop Circle ACS-470以及中国农业大学研制 的双波段作物冠层分析仪等，这些传感器可以快速获取与作物氮素水平相关的冠层植被指 数；另外也有一些能够直接获取作物氮素的传感设备，如德国Yara公司研制的作物氮含量 传感器N-Sensor、日本TOPCON公司基于激光调制光源的CropSpec作物氮含量传感器，南 京农业大学研制的CGMD302多光谱作物生长传感器等。作物氮素传感器的研制与应用为作 物精确管理信息获取提供了强有力的技术支撑。
[0003] 已有的研究结果表明，作物氮素敏感波段在530~560nm、630~660nm和760~ 900nm范围。利用传感器测量作物冠层在这些波段处的反射率，可以反演出作物冠层氮素水 平。因此，每个波段光谱反射率的标定对于消除传感器光电系统差异，提高测量精度至关重 要。
[0004] 目前，光谱反射率标定方法有两种，一是基于标准反射率灰度板；即在规定的太阳 天顶角照射下，利用传感器测量标准灰度板的反射率，构建传感器输出与标准反射率的拟 合方程。另一种是基于地物高光谱仪器；利用传感器与地物高光谱仪同步测量不同地物，建 立与光谱仪的关系模型。这两种方法都是基于入射光、反射光获取装置的整体进行标定，对 工作环境的要求较高，需要适宜的太阳光照及太阳高度角。方法一需要足够大的标准灰度 板，以满足传感器定标视场，方法二使用较为灵活，但高光谱地物仪价格昂贵，而且均匀性 地物在实际中比较少见。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种作物氮素传感器光谱定标方法，并从测量精度及稳定 性对两种标定方法结果进行了对比。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 1. -种作物氮素传感器光谱定标方法，其特征是包括以下步骤：
[0008] 1)利用标准探测器分别对上行光传感器进行辐射照度标定，对下行光传感器进行 辐射亮度标定；即利用上行光传感器与标准探测器同步测量太阳光r波段辐射照度，拟合 上行光传感器输出DNJJp (r)与标准探测器输出Eb (r)之间的线性关系，实现上行光传感器 光辐射照度定标，如式（3)所示；
[0009] EB (r) = Gain_Up (r) X DN_Up (r) +Bias_Up (r) (3)
[0010] 2)利用下行光传感器与该标准探测器同步测量均匀漫反射体r波段辐射亮度，拟 合下行光传感器输出DN_Down(r)与标准探测器L b(r)之间的线性关系，实现下行光传感器 光辐射亮度定标，如式（4)所示：
[0011]
[0012] 其中，GainJJp (r)和BiasJJp (r)分别为上行光传感器的增益和漂移；Gain_ Down(r)和Bias_Down(r)分别为下行光传感器的增益和漂移；
[0013] 3)相比基于标准灰度板的标定方法，该方法除了保证下行光传感器具有定量化的 测量线程，对上行光传感器的测量线程也进行了标准度量；
[0014] 则氮素传感器的标定方程为：
[0015]
[0016] 其中Ref (r)为作物氮素传感器输出的反射率值；
[0017] 4)标定试验选用商用ASD仪器作为标准探测器：上行光传感器进行辐照度标定之 前需要测试对太阳高度角的余弦校正范围，将ASD仪器裸光纤加配标准余弦校正器与上行 光传感器等高度固定在旋转云台上，设置ASD仪器为辐照度模式，调整云台角度使太阳光 垂直入射到上行光传感器的上表面，缓慢转动云台，模拟不同太阳高度角，造成不同的辐照 度梯度，分别记录云台转动角度、ASD仪器在720nm、810nm处的福照度值以及上行光传感器 输出值，测试时间尽量短（12:00-12:30)，以保证太阳辐射强度稳定；
[0018] 5)将ASD仪器裸光纤和下行光传感器分别固定在支架上，调节支架高度，使得下 行光传感器和ASD具有相同的观测视场，选择6种标准反射率灰度板（SRT-10, SRT-20， SRT-40, SRT-60, SRT-75, SRT-99)作为观测对象，设置ASD仪器为辐射亮度测量模式，利用 下行光传感器与ASD仪器同步垂直测量标准反射率灰度板辐射亮度，分别记录ASD仪器在 720nm、810nm处的福亮度值以及下行光传感器输出值。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 本发明的作物氮素传感器光谱定标方法提高了作物氮素传感器的测量精度与稳 定性，与基于标准灰度板的标定方法相比，利用辐射定标方法标定后的作物氮素传感器，其 720nm通道的最大测量偏差从3. 68%降低至1. 51 %，均方根误差从1. 4%降低至0. 43%，稳 定性方差从1. 06 %降低至0. 43% ;810nm通道的最大偏差从2. 77 %降低至1. 94%，均方根 误差从1. 37%降低至0. 66%，稳定性方差从0. 91 %降低至0. 63%;稳定性和精度提高约为 50%。表明该方法对测量环境光辐照度变化的抑制性强，能够较好地提高作物氮素传感器 的测量精度及稳定性。
[0021] 上行光传感器对太阳光辐射照度响应具有很高的线性关系，下行光传感器对辐射 亮度也具有良好的线性关系，线性相关性达到99 %。
[0022] 基于辐射定标的标定方法能够极大地提高作物氮素传感器的测量精度及稳定性。 相比较基于标准灰度板标定方法，该方法标定的作物氮素传感器测量稳定性和精确度提升 约 50%。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的上行光传感器辐射定标原理图。
[0024] 图2是本发明的测试原理示意图。
[0025] 图3是本发明的上行光传感器跟踪太阳辐照度变化趋势图。
[0026] 图4是本发明的作物氮素传感器测量曲线图。
[0027] 图5是本发明的上行光传感器余弦校正性能图。
[0028] 图6是本发明的上行光传感器辐照度标定曲线图。
[0029] 图7是本发明的下行光传感器辐亮度标定曲线图。
[0030] 图8是本发明的作物氮素传感器两种标定方法测量曲线图。
[0031] 图9是本发明的田间测试反射率曲线图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步描述：
[0033] 如图1至9, 一种作物氮素传感器光谱定标方法，包括以下步骤：
[0034] 1)利用标准探测器分别对上行光传感器进行辐射照度标定，对下行光传感器进行 辐射亮度标定；即利用上行光传感器与标准探测器同步测量太阳光r波段辐射照度，拟合 上行光传感器输出DNJJp (r)与标准探测器输出Eb (r)之间的线性关系，实现上行光传感器 光辐射照度定标，如式（3)所示；
[0035] EB (r) = Gain_Up (r) X DN_Up (r) +Bias_Up (r) (3)
[0036] 2)利用下行光传感器与该标准探测器同步测量均匀漫反射体r波段辐射亮度，拟 合下行光传感器输出DN_Down(r)与标准探测器L b(r)之间的线性关系，实现下行光传感器 光辐射亮度定标，如式（4)所示：
[0037]
[0038] 其中，GainJJp (r)和BiasJJp (r)分别为上行光传感器的增益和漂移；Gain_ Down(r)和Bias_Down(r)分别为下行光传感器的增益和漂移；
[0039] 3)相比基于标准灰度板的标定方法，该方法除了保证下行光传感器具有定量化 的测量线程，对上行光传感器的测量线程也进行了标准度量；
[0040] 则氮素传感器的标定方程为：
[0041 ]
[0042] 其中Ref (r)为作物氮素传感器输出的反射率值；
[0043] 4)标定试验选用商用AS