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基于光谱信息的植被氮素快速探测仪器研究

作　者: 孙刚
导　师: 王秀
学　校: 中国农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 植被氮素快速探测探测仪器反射光谱激光雷达
分类号: S237
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

最近几十年来,我国农业取得巨大成就的同时也面临着日益严重的危机,其中,化肥和农药过量投入问题,给生态环境、农产品安全和农业可持续发展都造成了巨大的压力。为了有效遏制这一局面,需要利用快速、无损、低成本的作物营养及长势信息探测设备来指导农业生产,实现按需施肥,增产的同时减少对环境的破坏。氮素是直接反映植被营养状况及代谢的重要组分,也是长势监测、营养诊断乃至品质评价的重要指标。便携式、实时、准确的植被氮素营养监测与诊断仪器是作物氮肥科学管理基运筹调控的必要手段和关键设备之一。本论文以研制植被冠层氮素的快速探测仪器为目标,以不同的技术方案对植被氮素含量快速探测的关键技术进行了研究,完成的主要研究成果和结论如下：(1)研制了以太阳光为光源,以滤光片为分光器件的被动光源式植被冠层氮素探测仪器—一(NRI-0SAVI)一体化氮素测量仪。该仪器以硅光电探测器为探测传感器,通过测量570nm、670nm和800nm三个特征波长处太阳的入射光和植被冠层的反射光,计算出三个特征波长的反射率,最终计算得到NRI和OSAVI植被指数值,可同时测定植被的氮素含量和长势青况。传感器视场角为60°,测量高度可变。试验表明,该被动式氮素测量仪器的测量值与ASD光谱仪的测量数值相比具有很好的相关性。(2)为了克服被动式光谱测量仪器受环境影响大、工作时间短的劣势,采用LED主动光源脉冲发光技术,进行了主动发光的植被氮素探测仪器研究。首先通过LED主动发出670nm和800nm两个特征波长的脉冲光到探测冠层上,然后再探测该主动光的反射能量,并减去作为背景的太阳光反射能量,计算出两个特征波长处的反射率。接着,利用反射率计算得到反映冠层氮素水平的NDVI植被指数值。该传感器在一定范围内测量结果不受探测高度的影响。实验表明,本氮素测量仪器的测量值与ASD光谱仪的测量数值相比具有很好的相关性。在不同光照条件下的测试表明,该仪器的测量值受太阳光环境影响较小。(3)由于氮素“易运转”的特性,植被叶片氮素含量在植被上表现出明显的垂直分布特性,本论文研究引入多波段激光雷达技术,获取植被的完整的回波信息,开展了植被氮素含量垂直探测的试验研究。首先推导了复杂散射体的激光雷达方程,然后用6种波段针对3个不同的场景进行了回波模拟,探讨了多波段激光雷达在植被氮素含量方面的潜力。接着,详细介绍了多光谱全波形激光雷达样机的研制。该激光雷达以超连续谱脉冲激光器为光源,以望远镜为信号收集单元,以高速光电转换器为传感器,具有同轴发送接收,全波形记录的特点。其探测的距离分辨率约为15cm,探测的发散角为4mrad,最佳探测距离为20米。根据分光方式不同,本文提出并试验了两种光电探测方案,其一是利用滤光片分光,配合两个分立的雪崩二极管APD模块,实现2个波段的波形探测：其二是利用光栅分光,配合光电倍增管PMT阵列,实现32通道的波形探测。目前的实验表明,方案一可以获取较好的探测波形,能满足设计要求。而方案二由于PMT线阵输出的值较小,获取的波形不太理想,还需要进一步改进。试验表明,该仪器在测距精度方面优于15cm,在多光谱信息获取方面,信噪比较高,能构造植被指数实现分类,还可实现氮素含量垂直探测。整体而言,所设计的仪器具备了生产具有光谱信息的3D点云能力。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-34
  1.1 研究的目的和意义  10-13
    1.1.1 氮素是植被个体及生态系统的重要因子  10
    1.1.2 植被氮素来源  10-11
    1.1.3 植被氮素测量方法  11-12
    1.1.4 课题研究的目的和意义  12-13
  1.2 氮素及植被营养遥感探测国内外研究现状  13-17
    1.2.1 高光谱技术应用于植被冠层氮素探测  13-14
    1.2.2 高光谱图像应用于植被冠层营养诊断  14-15
    1.2.3 氮素检测仪器应用于植被营养诊断  15
    1.2.4 植被氮素垂直分布特性  15-16
    1.2.5 多波段激光雷达应用于植被营养诊断研究  16-17
  1.3 氮素快速探测仪器国内外研究现状  17-32
    1.3.1 被动光源的氮素快速探测仪器  17-20
    1.3.2 主动光源式植被氮素探测仪器  20-26
    1.3.3 多波段激光雷达研究进展  26-32
  1.4 本研究的主要难点  32
  1.5 本研究的主要研究内容  32-34
第二章光谱探测理论及技术基础  34-42
  2.1 引言  34
  2.2 基于光谱的植被营养检测原理  34-35
  2.3 植被指数  35-36
  2.4 目标光学特性  36-38
    2.4.1 目标光学特性  36-37
    2.4.2 背景光学特性  37-38
  2.5 激光雷达理论  38-41
    2.5.1 激光雷达探测原理  39
    2.5.2 激光雷达距离方程  39-40
    2.5.3 激光测距  40-41
  2.6 本章小结  41-42
第三章被动式植被冠层氮素探测仪器研究  42-59
  3.1 引言  42-43
  3.2 仪器开发  43-54
    3.2.1 整体介绍  44
    3.2.2 光学系统设计  44-46
    3.2.3 硬件电路设计  46-53
    3.2.4 软件设计  53-54
  3.3 仪器标定实验  54-57
  3.4 本章小结  57-59
第四章主动式植被冠层氮素探测仪器研究  59-73
  4.1 引言  59-60
  4.2 仪器开发  60-69
    4.2.1 整体介绍  60
    4.2.2 光学系统设计  60-62
    4.2.3 硬件电路设计  62-69
    4.2.4 软件设计  69
  4.3 仪器标定与试验  69-72
    4.3.1 仪器标定  70-71
    4.3.2 仪器试验  71-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章多光谱激光雷达植被氮素探测研究  73-109
  5.1 引言  73-74
  5.2 激光雷达方程与波形模拟  74-82
    5.2.1 激光雷达方程  74-76
    5.2.2 多波段激光雷达回波波形模拟  76-82
  5.3 仪器研制  82-101
    5.3.1 激光光源  83-85
    5.3.2 光学系统  85-92
    5.3.3 光电探测器  92-99
    5.3.4 模数转换与波形记录  99-100
    5.3.5 扫描装置  100-101
  5.4 仪器试验  101-107
    5.4.1 光路及波形检测实验  101-102
    5.4.2 测距实验  102-105
    5.4.3 光谱试验  105-107
  5.5 本章小结  107-109
第六章结论与展望  109-111
  6.1 主要研究进展与成果  109-110
  6.2 主要创新点  110
  6.3 论文存在的不足和今后研究的方向  110-111
附录  111-112
参考文献  112-120
致谢  120-121
个人简介  121-122

基于光谱信息的植被氮素快速探测仪器研究

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