智能便携式NDVI测量仪

　　1　引　　言

　　现代新小麦种植者面临许多经济和环境上的挑战,但最大的挑战之一是肥料的有效使用。种植者要想取得粮食作物高产,就需要使用足够量的氮肥,但过量可能导致严重的环境问题。就小麦来说,一个关键的要素是时机的掌握,为的是确定植物如何能最高效地利用氮肥。现在确定最佳施肥时机的方法花费很高,而且费时费力[1]。

　　合理施用氮肥是农作物增产的重要手段。在植物体内,氮是蛋白质、核酸和叶绿素的重要成分,与植物体的细胞增长和新细胞形成有密切关系。植物缺氮时,叶片中的叶绿素含量低下,叶色呈浅绿或黄色,光合作用也随之减弱,从而使碳水化合物的合成量减少,导致植物生长缓慢,植株矮小。但植物吸收氮过多时,常常表现为组织柔软,叶色浓绿,茎叶徒长,贪青迟熟,并容易遭病虫危害,最终也会造成减产。因此合理使用氮肥是降低生产成本,提高产量的关键因素之一。实际上氮肥中能被植物直接吸收利用的氮素很少,全球粮食作物氮肥的氮利用率(NUE,nitrogen use efficiency)仅平均为33%,发展中国家更低[2]。

　　为了扭转这种局面,必须推广适宜的技术,加大粮食生产的科技含量。文献[3～4]提出了用便携式光纤光谱仪测量归一化植被差异指数(NDVI,Normalized　Difference Vegetation Index)来获取氮利用率NUE和氮肥需要量数据的方法,根据氮肥优化算法(NFOA,Nitrogen Fertilization Optimization Algorithm),可由测得的NDVI数据和预测的可能谷物产量等参数,计算出氮肥需要量( FNR, Fertilizer Nitrogen　Requirement)。文献[5]报道了利用航摄和卫星成像的遥感技术,可以准确地掌握施肥的时机。目前,常采用地物光谱仪进行NDVI的测量,该测量方法视场角较小、对日光照明条件有较高要求,而且设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难,所以难以推广。因此开发一种体积小、重量轻、成本低、使用方便的NDVI测量仪势在必行。

　　2　NDVI测量仪工作原理

　　归一化植被差异指数NDVI的定义为:

　　式中:RIR为某红外光特征波长处植被的反射率,RR为某红光特征波长处植被的反射率。该仪器原理如图1(a)所示。利用日光作光源,通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,在近红外和红光两个特定波长处分别对入射光和植被的反射光进行探测,测得的四个参数,经模数转换后,由单片机处理得到NDVI值,所得结果由液晶显示器(LCD)显示。图1(b)是作者设计制造的智能便携式NDVI测量仪结构示意图,它采用电池供电,体积小,重量轻(1kg),成本低,便于在田间操作。使用时用于测量入射光信号的探测器垂直向上,用于测量植被反射光信号的探测器垂直向下。