柑橘叶面积指数自动测量红外透射系统的开发与应用

针对间接方法测叶面积指数(leaf area index,LAI)一般不考虑单一孤立果树冠层、叶片相互重叠因素及图像处理速度低的缺点,通过正交试验确定单一孤立柑橘LAI测量的主要影响因素为重叠叶片数(α<0.05),建立等间隙模型解决有间隙的重叠的影响问题,采用三维行走机构实现自动采集,应用LabVIEW平台开发一个基于红外透射的柑橘LAI自动测量系统。系统硬件由控制模块与行走机构、信号调理模块、数据采集卡和PC机组成,其标定LAI相对误差绝对值平均为11.11%。在行走机构按照S形路线,自动进行扫描、定位采集的方式下,系统对华南农业大学工程学院柑橘园45棵橘树测量,以直接法和采样法计算的LAI值作为真实值,相对误差绝对值的平均为31.4%;参照对比的Win SCANOPY Pro植物冠层分析系统专业版测量值与真实值比较,相对误差绝对值的平均为29.8%。两系统误差接近,表明本系统可满足柑橘LAI测量试验要求。     

基于光谱技术的水稻叶片氮素测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的水稻叶片SPAD值和氮素测定仪。该测定仪主要包括光路部分、调理电路和控制与数据采集器等。光路部分包括光源、检测点以及光电传感器等元器件,主要作用是：控制光源的亮灭、收集透过叶片光线、将光信号转换为电信号;调理电路主要将所得微弱电信号进行电流电压转换以及放大到合适的幅度;控制与数据采集器包括AD转换电路,液晶显示电路和SD卡存储电路。对该测定仪的性能进行了测试,试验分为两步：先建立AD采样电压信号与SPAD值之间的模型,然后建立SPAD值与氮素之间的模型。经过大量的试验测得：传感器转换的电压信号与SPAD值之间存在很高的相关性（R2 =0.956）,SPAD值与氮含量建立的模型的决定系数为R2 =0.802,结合以上两种模型得到该仪器的氮素模型的决定系数为R2 =0.766。该仪器适合用于田间水稻叶片氮素含量的快速测量。     

植物叶面积无损测量方法及仪器开发

为了快速、无损、准确地测量植物叶面积,设计了一种利用多晶硅光电感应板与平板均匀发光光源照射系统构成的叶面积测量装置。通过试验,建立了植物叶片叶面积与光源光强、光源对叶片透射率、环境温度、光电感应板的光电感应电压值间的BP神经网络关系。结果表明：该仪器可测量不同形状、厚度、软硬程度、叶片大小的植物叶片面积,模型预测值与实际值决定系数R2为0.98,测量精度为94.8%,为叶片叶面积测量提供了一种新的测量方法和装置。     

基于近红外光谱的活体植物叶片水分检测仪器

在近红外光谱区,采用超低功耗单片机MSP430及新型的光频转换芯片TSL230,研制快速无损、可现场测定植物叶片水分含量的透射式检测仪器。仪器整体由信号采集系统、单片机系统及相应的软件支撑、校正模型组成。其信号采集系统采用近红外LED光源,890 nm和980 nm的窄带干涉滤光片和光频转换芯片。光频转换芯片的使用简化了信号采集电路,减少了噪声的引入。该文介绍了该仪器的硬件设计、软件设计,对紫荆叶片水分含量的建模及预测。预测结果与水分真实值基本一致,二者相关系数为0.900。仪器具有较高的重复性、稳定性和可靠性,与其他水分测量仪相比,该仪器具有体积小、结构简单、重量轻、超低功耗、抗干扰等特点。试验结果表明本仪器可在田间现场对植物叶片水分含量进行快速无损检测。     

作物叶片表面农药残留的便携式检测仪器的设计与试验

针对现有的农药残留检测仪器只能检测水溶液体系中的农药残留和检测对象较为单一的问题,该研究以不同植物叶片啶虫脒农药残留为研究对象,探究了利用荧光强度检测叶片表面农药残留的可行性,设计了一款叶片表面农药残留的便携式检测仪器。首先,通过啶虫脒农药叶片表面喷洒试验,采集叶片的荧光光谱并进行特征分析,发现啶虫脒农药的最佳激发波长和最佳发射波长分别为355和500 nm,从而确定光源和光电信号接收源的特征波长分别为350和500 nm。然后,通过获取最佳光源照射角度以及光照距离,优化光路结构减少叶片表面杂散光的干扰。同时,设计相关检测电路(光源电路、信号调理电路、控制电路等)测出表征反射光强度的电压值,构建电压值与农药残留值之间的线性方程,设计便携式检测仪对农药残留进行检测。结果表明:1)荧光强度与农药浓度在1～5 mg/L的范围内成正比;2)确定了检测仪器最佳光照角度为45°,光源和待测叶片之间的最佳垂直距离为3.46 cm;3)方程决定系数达到了0.875,均方根误差为0.405 mg/L。该研究所设计的便携式荧光光谱仪能够快速、准确、无损检测叶片表面农药残留。     

基于高光谱图像的茶树LAI与氮含量反演

为了对茶树进行实时、快速、无损的叶面积指数LAI和氮含量检测,该文以英红九号茶树为试验对象,利用便携式高光谱成像仪采集光谱数据、人工破坏性采摘叶片进行叶面积指数的计算以及传统化学方法测量叶片氮含量,比较不同高光谱特征变换形式与LAI和氮含量之间的相关性,并选择其中相关系数较高的高光谱特征变量作为自变量,分别采用线性、指数、对数和抛物线表达式建立LAI和氮含量的回归模型。结果显示:在多种高光谱数据变量建立的模型中,以绿峰反射率R_g为自变量的对数拟合模型最佳,其拟合样本的决定系数R~2和验证样本的均方根误差RMSE值分别为0.9和0.087 6。以植被指数变量VI_4(红边面积/黄边面积)与氮含量建立的指数模型为最佳建模效果,拟合样本的决定系数R~2和验证样本的均方根误差RMSE值分别为0.830 3和0.102 9,研究结果可为茶树叶面积指数LAI和营养成分的无损检测提供参考。     

漫反射和透射光谱检测马铃薯黑心病的比较

针对马铃薯黑心病不易检测,提出马铃薯黑心病的光学无损检测方法,并比较了马铃薯黑心病的漫反射光谱和透射光谱检测方法。通过高光谱图像采集系统、透射光谱采集系统和傅里叶变换近红外光谱仪获取合格马铃薯与黑心病马铃薯的可见/近红外漫反射光谱、可见/近红外透射光谱以及近红外漫反射光谱,并采用偏最小二乘-线性判别分析方法建立马铃薯黑心病的识别模型。透射光谱采集系统采集的可见/近红外透射光谱所建模型的判别正确率最高,对测试集样本的识别正确率为98.46%;高光谱图像采集系统获取的可见/近红外漫反射光谱经二阶导与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率为92.31%;傅里叶变换近红外光谱仪获取的漫反射光谱经标准正态变量变换与标准化组合预处理后所建模型对测试集样本的识别正确率90.77%。试验结果表明:采用光谱检测马铃薯黑心病,透射光谱系统优于高光谱成像系统,高光谱成像系统优于傅里叶近红外光谱仪。研究结果为马铃薯内部缺陷的光谱定性判别及便携式仪器的研制提供了参考。     

基于特征光谱的苹果霉心病无损检测设备设计

针对现有农产品内部品质无损检测多采用宽波段光谱技术,集成应用光谱仪与计算机完成品质分析,存在成本高、能耗大、分析过程复杂以及光谱信息冗余等问题。该文结合苹果霉心病在果心发病的特征,采用透射光谱检测方式,设计实现了基于窄带LED光源与光敏二极管的苹果霉心病无损检测设备。通过霉心病发病特征的分析可得果径和特征光谱波段的透射强度是进行霉心病检测的关键影响因素,设计光谱特性试验,对多组宽波段光谱数据采用相关性分析法得到特征光谱波段为690～730 nm。设计果径与透射光谱信息采集的基础平台,该平台包括LED光源及其驱动模块、光电转换与检测模块以及基于丝杠滑台组件与限位传感器的果径在线测量模块;采用基础平台对样品进行数据获取,以果径与透射光谱强度值为输入,建立基于误差反向传播网络的霉心病判别模型。结果表明,采用该文所述测试试验样本进行验证,设备判别准确率达到95.83%。该研究结果表明,基于特征光谱采用 LED 光源的霉心病无损检测方法是可行的,可为其他果品内部病害的检测提供借鉴思路。     

基于光谱信息的柑橘树叶面积指数测试系统研制

叶面积指数可为精细农业生产提供作物生物量状态信息,通过光谱的分析,找出叶面积指数和光谱的关系,从而通过光谱反演出叶面积指数及叶干质量,可实现叶面积指数的快捷准确测量。该文以柑橘叶片为研究对象,通过扫描标定试验,得到叶片的精确总面积以及标定的LAI值。利用以FieldSpec-FR地物谱仪和计算机为主体的数据采集平台和以计算机和ViewSpecPro、SPSS等软件为核心的反演平台组成的测试系统,对柑橘叶光谱信息进行采集与分析。结果表明,LAI与光谱信息RVI的拟合方程相关系数R=0.891,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为0.04%;LAI与叶干质量的拟合方程相关系数R=0.885,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为0.30%,叶干质量与叶湿质量的拟合方程相关系数R=0.990,显著水平Sig＜0.05,应用回归方程计算的结果相对误差为2.27%。该系统可为果树LAI进行实时快速自动检测提供研究基础。     

基于热点植被指数的冬小麦叶面积指数估算

针对传统植被指数方法中利用单一方向的光谱特性估测LAI容易出现饱和现象和冠层结构信息不足的缺陷,以二向反射特性的归一化植被指数(NHVI)为基础,将表征叶片空间分布模式的热暗点指数(HDS)引入土壤调整型植被指数(SAVI),增强型植被指数(EVI)中,构建具有二向反射特性的土壤调整型热点植被指数(SAHVI)和增强型热点植被指数(EHVI)。同时使用红光,近红外,蓝光和绿光波段计算HDS,选择对LAI敏感性较高的HDS参与构建新型植被指数,并利用试验测量的小麦冠层二向反射率数据和叶面积指数,研究新型植被指数与LAI的线性关系。结果表明:基于蓝光和红光波段计算的HDS参与构建的EHVI、SAHVI与LAI的线性相关程度要优于EVI、SAVI,且较NHVI有进一步提高,能有效缓解LAI估算中植被指数饱和现象。     

基于虚拟模型的水稻冠层叶面积计算方法

水稻冠层的叶面积是分析水稻生长状况的重要参数,传统叶面积统计方法效率较低且误差较大,难以对植株冠层不同高度层的叶面积进行测量。针对传统水稻冠层叶面积统计方法的薄弱点,该文提出一种基于虚拟模型的水稻冠层叶面积计算方法。该方法首先通过田间试验获取的水稻形态参数,建立虚拟水稻模型,然后基于该模型计算植株整体叶面积以及两株水稻在一定株距下不同高度层内叶片面积的大小,从而为水稻种植管理措施的优化提供参考。该文算法与长宽校正法相比,在整株叶面积统计结果上,二者相差在5%左右;每层叶片面积实际测定和仿真结果的比较,两者误差在10%之内。该方法对于水稻冠层叶片面积统计具有一定的实际意义。     

野外叶面积指数自动测量仪器设计及应用试验

为提高长时间序列叶面积指数测定模型的模拟精度,该文设计一种可以长期在野外间接测量叶面积指数仪器,仪器由太阳能提供持久电能,利用单片机控制垂直水平舵机,带动光强传感器记录多角度光线强度,在2台仪器同时测量的情况下,获得光线透过林分冠层多角度光强衰减率,通过编写计算程序解算林分叶面积指数。使用商品化光学仪器LAI-2200验证该仪器测量精度,对24块样地叶面积指数进行测量,两仪器测量结果高度吻合R2为0.927,绝对标准误差为0.36。长时间野外叶面积指数自动测量获取数据可节省人力、减少人为误差。     

柑橘全爪螨虫害快速检测仪的研制与试验

为实现在果园现场快速、准确和无损地检测果树受柑橘全爪螨为害程度,该文研制了基于光学测量技术的柑橘全爪螨虫害快速检测仪,并通过试验检验了仪器的使用效果。检测仪采用光反射法,测量果树冠层叶片对红光和近红外光的反射率,根据反射率计算全爪螨为害程度指数作为仪器的输出结果,进而按照无、轻度和重度3个级别判定柑橘全爪螨虫害程度。硬件设计中选取中心波长为665和815 nm的发光二极管阵列作为红光和近红外光源,通过光调制/解调技术、专门设计的光路和光电探测适配电路,克服了自然光线对检测结果的影响。仪器使用效果为:通过标准白板试验确定检测系数k等于2.622;检测结果受树叶密度影响较小;检测结果受自然环境光线影响较小,但气温对检测结果有一定影响;检测仪可区分无、轻度和重度3个级别的全爪螨虫害程度,当虫害程度较低时,检测结果稳定;检测仪输出结果与叶片表面柑橘全爪螨卵数间具有较高的相关性。进一步研究的方向为引入温度补偿的方法以减小温度对检测结果的影响,同时分析当为害程度较严重时结果稳定性较低的原因。     

氮素营养对小麦群体光合碳同化作用的影响及其调控机制

小麦春季生育期间,群体光合速率(CPR)的动态变化呈单峰曲线,于孕穗至开花期达到最大值,不同氮素用量处理CPR的峰值大小、峰值出现时间和高值持续期不同。群体单位叶面积光合速率(CPR pa)与氮素用量呈显著负相关,高氮条件下CPR的提高主要起因于其群体叶面积的增大和冠层光截获率的增加。叶面积系数(LAI)随氮素用量增加呈逐渐增大趋势,但高氮处理生育后期LAI的衰减速率较快。CPR与同期及相邻生育时期的LAI呈显著正相关表明,CPR与LAI两者之间存在着相互制约关系。生育中后期 CPR 的日变化呈单峰曲线。不同氮素处理生育期间群体干物质的累积量与CPR的表现相似,CPR与同期及下一时期的群体干物质累积量成显著正相关。供试氮素范围内,整个春季生育阶段的群体叶源量(CKSC)随氮素用量增加呈抛物线型变化,施N 225kg·hm^-2处理群体叶源量最高,与开花期CPR、开花 蜡熟CKSC和同期CPR及LAI衰减速率的表现趋势相同。表明提高生育后期的群体光合速率,延长其高值持续时间,对于增加整个春季生育阶段的群体碳同化量具有重要作用。     

氮素营养对小麦群体光合碳同化作用的影响及其调控机制

小麦春季生育期间,群体光合速率(CPR)的动态变化呈单峰曲线,于孕穗至开花期达到最大值,不同氮素用量处理CPR的峰值大小、峰值出现时间和高值持续期不同。群体单位叶面积光合速率(CPR pa)与氮素用量呈显著负相关,高氮条件下CPR的提高主要起因于其群体叶面积的增大和冠层光截获率的增加。叶面积系数(LAI)随氮素用量增加呈逐渐增大趋势,但高氮处理生育后期LAI的衰减速率较快。CPR与同期及相邻生育时期的LAI呈显著正相关表明,CPR与LAI两者之间存在着相互制约关系。生育中后期 CPR 的日变化呈单峰曲线。不同氮素处理生育期间群体干物质的累积量与CPR的表现相似,CPR与同期及下一时期的群体干物质累积量成显著正相关。供试氮素范围内,整个春季生育阶段的群体叶源量(CKSC)随氮素用量增加呈抛物线型变化,施N 225kghm-2处理群体叶源量最高,与开花期CPR、开花 蜡熟CKSC和同期CPR及LAI衰减速率的表现趋势相同。表明提高生育后期的群体光合速率,延长其高值持续时间,对于增加整个春季生育阶段的群体碳同化量具有重要作用。