植被熒光時序測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了植被熒光時序測量系統，自動測量系統包括主機部、光譜儀部、對主機部和光譜儀部提供電源的供電部以及測量支架，所述測量支架上設置有旋轉電機，連接旋轉電機的旋轉桿上設置有光譜熒光探測器，所述測量支架還設置有標準參考板；所述主機部電連接所述光譜儀部控制光譜儀部的數據存儲，所述主機部電連接所述旋轉電機控制所述旋轉電機進行水平面的旋轉；所述光譜儀部通過光纖連接所述光譜熒光探測器，所述光譜熒光探測器采集光譜數據。
【專利說明】
植被熒光時序測量系統
技術領域
[0001]本實用新型屬于農業技術領域或地球遙感科學領域中基于遙感方法對植被的光合作用進行觀測的技術，具體的涉及對植被冠層日光誘導葉綠素熒光的自動測量系統。
【背景技術】
[0002]目前植被遙感是通過植被反射、輻射和散射的電磁波信息反演植被的生物物理參數和生物化學參數，如葉面積指數、葉綠素含量等，光合作用是植被關鍵的生理過程，不僅影響著碳、水等物質循環，而且能夠快速、直接地反映植物的脅迫狀態。但是目前還缺乏有效的探測植被光合作用信息的遙感手段。
[0003]日光誘導葉綠素焚光(Solar-1nduced Fluorecence，SIF)與植被光合作用關系密切，熒光探測是獲取日光誘導的葉綠素熒光信號，適合在自然環境下對植被大面積無損觀測，因此是一種非常有潛力的遙感手段，得到日益廣泛的重視。
[0004]期刊《植物日光誘導葉綠素熒光的遙感原理及研究進展》2012年11月第27卷第11期中還總結了 SIF的提取算法、遙感模型、傳感器以及在植被早期脅迫探測和光能利用率估算等領域應用的最新進展。
[0005]最新研究表明，利用高光譜遙感技術可以在太陽入射光的暗線波段(如氧氣吸收帶)提取植被的日光誘導葉綠素焚光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)。這使得有可能基于SIF發展新型的遙感方法，對植被的光合作用進行直接觀測，從而服務于全球變化研究、農業估產與災害預警、碳循環與碳交易等重要領域。SIF遙感剛剛起步，全球范圍內需要開展大量的觀測實驗。與地物反射率測量不同，植被冠層的SIF存在明顯的日變化和季變化，往往需要長期觀測。此外，SIF本身很微弱，對其觀測的規范性要求顯著高于一般的地物反射率測量，因此急需自動化測量系統，以連續的、高質量地獲取數據。目前還沒有成熟的商業化系統能夠達到該要求。
【實用新型內容】
[0006]為了克服現有技術的上述不足，解決目前商業和實驗研究亟待需要基于SIF的遙感方法對植被的光合作用進行直接觀測，本實用新型提供了一種植被熒光時序測量系統，基于遙感探測原理對植被的日光誘導葉綠素焚光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)進行檢測，其核心功能為準同步地測量入照植被冠層的下行輻亮度和植被冠層上行的表觀輻亮度，本實用新型提供的植被熒光時序測量系統采用非成像光譜儀進行光譜測量，其中入照植被冠層的下行輻亮度通過觀測標準參考板獲取，植被冠層上行的表觀輻亮度通過觀測冠層獲取，并采用SIF提取算法對數據進行處理。
[0007]具體的，本實用新型提供了如下技術方案:
[0008]植被熒光時序測量系統，包括主機部、光譜儀部、對主機部和光譜儀部提供電源的供電部以及測量支架，所述測量支架上設置有旋轉電機，連接旋轉電機的旋轉桿上設置有光譜熒光探測器，所述測量支架還設置有可反射光的標準參考板;所述主機部電連接所述光譜儀部控制光譜儀部的數據存儲，所述主機部電連接所述旋轉電機控制所述旋轉電機進行水平面的旋轉;所述光譜儀部通過光纖連接所述光譜熒光探測器，所述光譜熒光探測器采集光譜數據；
[0009]優選地，所述的標準參考板為灰色的氯乙烯板，表面涂層為氧化鈣。
[0010]優選地，測量支架包括底座、伸長部和橫桿，所述底座與所述伸長部固定連接，所述伸長部與所述橫桿固定連接。
[0011]優選地，伸長部與所述橫桿的連接處增加了三角支撐桿。
[0012]優選地，測量支架的底座采用非完全的軸心對稱方式由支桿或平板構成。
[0013]優選地，底座底部設有固定部，固定連接底座和地面。
[0014]優選地，支桿上設置有滑軌，固定座可穿設在滑軌上進行滑動。
[0015]優選地，測量支架的伸長部高度為3.8m-4.5m，橫桿長度為1.2m_l.8m。
[0016]優選地，伸長部采用雙層結構，內層為4cm-6cm厚度的圓筒狀鋁型材制成，外層為
0.5cm-lcm厚度的鋁合金制成，外層和內層通過長螺釘進行吻合固定。
[0017]與現有技術相比，本實用新型提供的植被熒光時序測量系統，具有以下有益效果:
[0018]I)本實用新型提供的植被熒光時序測量系統可現場自動進行檢測，通過對日光誘導葉綠素熒光探測獲取日光誘導的葉綠素熒光信號，自然環境下對植被大面積無損觀測，從而服務于全球變化研究、農業估產與災害預警、碳循環與碳交易等重要領域。
[0019]2)本實用新型提供的植被熒光時序測量系統可對植被的光合作用進行直接觀測，可以連續的、高質量地獲取數據，滿足商業及研究的需要。
[0020]3)本實用新型提供的植被熒光時序測量系統通過電機旋轉可在入照植被冠層的下行輻亮度和上行的表觀輻亮度測量中實現快速切換，減少入射光穩定帶來的計算誤差，同時，電機旋轉具有很高的可重復性和穩定性，提高數據質量。
[0021]4)本實用新型提供的植被熒光時序測量系統只用到一根光纖和一臺光譜儀，既可以減少多個光路帶來的不確定性，也避免了光路切換所導致的信號強度減弱；
[0022]5)該技術方案適合于較長時間的野外自動觀測，具有很高的性價比。
【附圖說明】
[0023]圖1是標準大氣的地面入射輻照度；
[0024]圖2是熒光光譜和反射率光譜示例圖；
[0025]圖3是本實用新型植被熒光時序測量系統的結構示意圖；
[0026]圖4是本實用新型植被熒光時序測量系統的測量支架的主視圖；
[0027]圖5是本實用新型植被熒光時序測量系統的測量支架的截面圖；
[0028]圖6是本實用新型植被熒光時序測量系統的植被冠層單組測量流程示意圖；
[0029]圖7是本實用新型植被熒光時序測量系統的測量支架的俯視圖。
【具體實施方式】
[0030]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0031]本實用新型的植被熒光時序測量系統基于遙感探測原理對植被的日光誘導葉綠素焚光(solar-1nduced Fluorescence，SIF)進行檢測，遙感探測原理如下:
[0032]假設熒光的發射和地物表面的反射都是朗伯的，則植被在波段λ的表觀輻亮度L(入)由入射光的反射和植物釋放的焚光兩部分組成:
[0033]L(X) =r(X) XE(X)/π+F(X) (I)
[0034]公式(I)中:F(A)為λ波段的熒光值，Γ(λ)為與熒光釋放無關的真實反射率(Actualreflectance)，Ε(λ)是入射到植被的福照度。研究證明SIF在自然光射下非常微弱，只相當于植被吸收光能的0.5%?2%，難以準確測量。由于大氣對太陽光譜的吸收，到達地表的太陽光譜中有許多波段寬度為0.1nm?1nm的暗線，即夫瑯和費吸收暗線。
[0035]圖1是標準大氣的地面入射輻照度，在紅光和近紅外波段范圍，存在三條較顯著的暗線即:氫吸收在656nm形成的Ha暗線;大氣中氧分子吸收在760和687nm附近形成的02-Α暗線和02-B暗線。
[0036]圖2是熒光光譜和反射率光譜示例圖，在夫瑯和費吸收暗線波段，植被的反射光也很微弱，熒光凸顯，表現為植被的表觀反射率大于真實反射率，其中Ha暗線距離葉綠素熒光峰較遠，02-A和02-B暗線在葉綠素熒光峰內，但02-A暗線的深度和寬度都大于02-B暗線，因此02-A暗線被視為最佳的遙感熒光探測波段。
[0037]本實用新型的植被熒光時序測量系統提供的技術方案就是基于目前的植被冠層SIF測量原理，其核心功能為準同步地測量入照植被冠層的下行輻亮度和植被冠層上行的表觀輻亮度，本實用新型提供的植被熒光時序測量系統采用非成像光譜儀進行光譜測量，其中入照植被冠層的下行輻亮度通過觀測標準參考板獲取，植被冠層上行的表觀輻亮度通過觀測冠層獲取，兩者之間的數據獲取通過電機旋轉實現切換。
[0038]下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
[0039]實施例1
[0040]圖3是本實用新型植被熒光時序測量系統的結構示意圖，包括主機部100、光譜儀部200、對主機部100和光譜儀部200提供電源的供電部300以及測量支架400，測量支架400上設置有旋轉電機101，連接旋轉電機101的旋轉桿上設置有光譜熒光探測器201，測量支架400還設置有標準參考板401，主機部100電連接光譜儀部200和旋轉電機101，控制旋轉電機101進行水平面的旋轉并完成對光譜儀部200的數據存儲，光譜儀部200通過光纖連接光譜熒光探測器201，光譜熒光探測器201對植被冠層進行植被光譜數據的采集。
[0041]其中，標準參考板401位于旋轉桿旋轉平面的下方，具體的設置于光譜熒光探測器201的旋轉面下方。
[0042]圖4是本實用新型實施例植被熒光時序測量系統的測量支架400的主視圖，測量支架400包括底座410、伸長部420和橫桿430，在測量過程中保證測量支架400的穩定性以及在室外各種干擾下保持不抖動對于系統測量數據的準確性非常重要，本實施例中底座410與伸長部420的連接處和伸長部420與橫桿430的連接處采用嚴格的固定連接，尤其在伸長部420與橫桿430的連接處增加了三角支撐桿440使橫桿430更加穩定，保證了光譜熒光探測器201的位置穩定性。
[0043]本實施例中，測量支架400的底座410可以是數量不限的支桿構成，也可以由任意形狀的底板構成，還可以在底座410下增加固定部進一步使底座410與地面等支撐物進行固定，總之底座410可以是任何可以使測量支架400相對地面保持穩固的結構。
[0044]進一步的，底座410采用非完全的軸心對稱形式，使測量支架400相對于地面更加穩固，尤其保證了在室外測量時外界有風的環境下保持穩固；
[0045]本實施例中測量支架400的伸長部420高度為3.8m-4.5m，橫桿430長度為1.2m-1.8m0
[0046]為了進一步加強測量支架400的穩固性，本實用新型實施例提供的底座410和伸長部420采用密度質量相對較大的鋁型材制成，橫桿430采用質量密度相對較小的輕型鋁型材制成。
[0047]圖5是本實用新型實施例的自動測量系統的測量支架400的截面圖，伸長部420采用雙層結構，內層421為4cm-6cm厚度的圓筒狀招型材制成，夕卜層422由0.5cm-lcm厚度的招合金制成，外層422在相同水平面上均勻設置有螺釘槽4221，螺釘槽4221內可設置長螺釘423，相對應的內層421圓筒狀鋁型材上設置有螺釘孔，內外層結構通過長螺釘423進行吻合固定。
[0048]圖6是本實用新型實施例自動測量系統的植被冠層單組測量流程示意圖，本實用新型提供的植被熒光自動測量方法，通過本實用新型實施例的植被熒光時序測量系統進行一組SIF的測量時，具體包括以下步驟:
[0049]步驟S1:通過主機部100控制旋轉電機101旋轉旋轉桿，帶動光譜熒光探測器201旋轉，使光譜熒光探測器201對準標準參考板401;
[0050]步驟S2:系統優化在標準參考板401上方的觀測積分時間；
[0051]步驟S3:光譜熒光探測器201測得標準參考板401的光譜數據；
[0052]步驟S4:通過主機部100控制旋轉電機101旋轉旋轉桿，帶動光譜熒光探測器201旋轉，使光譜熒光探測器201對準待測植被冠層；
[0053]步驟S5:系統優化在待測植被冠層上方的觀測積分時間；
[0054]步驟S6:光譜熒光探測器201測得植被冠層光譜數據。
[0055]以上即自動測量系統進行一組SIF的測量步驟，系統設定可根據測量需要進行特定時間的多組SIF的測量，在之后步驟使通過主機部100控制旋轉電機101旋轉旋轉桿，帶動光譜熒光探測器201旋轉，使光譜熒光探測器201重新對準標準參考板401開始新一組數據的測量，重復以上步驟S1-步驟S6。
[0056]步驟S2和步驟S5中，觀測積分時間即光譜熒光探測器201停留曝光的時間，系統根據測量當時情況的外界光照、溫度和濕度等情況自動設置，積分時間調整方法為:當室外光線強烈，采集到的光譜數據大于一定數值時，減少采集時間；當室外光線不足，采集到的光譜數據小于一定數值時，增加采集時間。
[0057]同時，優化光譜儀的觀測積分時間是為了獲取高信噪比的數據，使測量數據更準確，拋開外界干擾獲取更貼近真實的數據。
[0058]其中，標準參考板401為灰色的氯乙稀板，表面涂層為氧化I丐，標準參考板401的反射系數可達到18%，標準參考板401的作用為實現光的完全反射，測得的數值可以作為反射背景從光譜背景中扣除。
[0059]主機部100通過軟件控制實現對待測植被冠層的SIF測量的反復執行，從而實現本實用新型實施例的自動測量系統在不需人為操作下在室外進行SIF的連續觀測。
[0060]本實用新型實施例的自動測量系統通過光譜熒光探測器201獲取多組標準參考板401光譜數據和待測植被冠層光譜數據，然后根據SIF提取算法獲得待測植被冠層的日光誘導葉綠素熒光數據，目前常用的SIF提取方法是基于輻亮度測量的方法，該類方法一般利用一個在太陽入射光暗線的波段和一個或多個在暗線外的波段的表觀輻亮度，基于一定的假設估算SIF。
[0061]SIF提取算法目前分為兩大類:基于輻亮度的方法和基于反射率的方法:
[0062]I)基于輻亮度的方法
[0063]該類方法利用一個在夫瑯和費線內的波段(Ain)和一個(或多個)在夫瑯和費線外的波段(Aout)的表觀輻亮度，基于一定的假設，估算自然光激發的熒光對“夫瑯和費井”的填充程度，獲取熒光信息，可以抽象用公式表示為:
[0064]F = f(L(Ain)，L(Aout — I)，L(Aout — 2)，...，L(Aout—n)) (2)
[0065]公式(2)中，L(Ain)為夫瑯和費線內波段的表觀輻亮度，L(A0ut— i)為夫瑯和費線外第i e [I，n]波段的表觀輻亮度，計算函數f建立在夫瑯和費線內外波段的反射率和熒光的某種關聯假設之上。
[0066]2)基于反射率的方法
[0067]基于反射率獲得熒光信息的算法實質上是通過分析熒光對650nm?800nm紅邊區域反射率的影響獲取熒光信息，得到的是一個反應熒光強度的反射率指數，而不是一個明確的物理量。基于反射率的熒光指數可以分為三類:反射率比值指數(Ref IectanceRat1s)，反射率一階導數指數(Derivatives)和填充指數(infilling index)。
[0068]反射率比值指數利用的是一個受熒光影響強的波段(680nm或740nm)和一個受熒光影響弱的波段的反射率。通過后者與前者的比值去除與反射率相關的光譜信息，以獲取熒光信息，常用的指數有r690/r600和r740/r800等。
[0069]反射率導數指數與反射率比值指數一樣，也是一種歸一化方法。但反射率導數指數使用的是反射率一階導數而非反射率本身進行計算。
[0070]實施例2
[0071]本實施例2與實施例1的區別在于進一步限定了植被熒光時序測量系統的測量支架400。
[0072]本實施例中測量支架400的伸長部高度為4.116m，橫桿長度為1.5m。
[0073]圖是本實用新型實施例植被熒光時序測量系統的測量支架的俯視圖。
[0074]測量支架400的底座410采用非完全的軸心對稱方式，由四根支架分別為支架411、支架412、支架413和支架414構成，四根支架以伸長部420交點為中心進行固定連接，且以橫桿430的延伸方向的對稱線A形成兩邊對稱形狀；
[0075]具體的，支架411與支架412長度相等且根據對稱線A兩邊對稱，支架413和支架414長度相等且根據對稱線A兩邊對稱，支架411的長度大于支架413的長度，支架412的長度大于支架414的長度。
[0076]實施例3
[0077]本實施例3與實施例1的區別在于進一步限定了植被熒光時序測量系統的測量支架400。
[0078]當測量支架400的底座410由支桿構成時，支桿上設置有滑軌，固定座可穿設在滑軌上進行滑動，從而根據不同的室外測試環境可調節底座410與地面等支撐物的固定點，使植被熒光時序測量系統可適用于不同的觀測條件的場所。
[0079]實施例4
[0080]本實施例4與實施例1的區別在于進一步限定了植被熒光量系統的測量支架400。[0081 ]測量支架400的伸長部420采用雙層結構，內層421為由5cm厚度的圓筒狀鋁型材制成，外層422由0.6cm厚的鋁合金制成。
[0082]以上僅為本實用新型較佳實施例，并不用于局限本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所做的修改、等同替換和改進等，均需要包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.植被熒光時序測量系統，其特征在于，包括主機部(100)、光譜儀部(200)、對主機部(100)和光譜儀部(200)提供電源的供電部(300)以及測量支架(400)，所述測量支架(400)上設置有旋轉電機(101)，連接旋轉電機(1I)的旋轉桿上設置有光譜熒光探測器(201)，所述測量支架(400)還設置有對光線進行反射的標準參考板(401);所述主機部(100)電連接所述光譜儀部(200)控制光譜儀部(200)的數據存儲，所述主機部(100)電連接所述旋轉電機(101)控制所述旋轉電機(101)進行水平面的旋轉;所述光譜儀部(200)通過光纖連接所述光譜熒光探測器(201)，所述光譜熒光探測器(201)采集光譜數據。2.根據權利要求1所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的標準參考板(401)為灰色的氯乙烯板，表面涂層為氧化鈣。3.根據權利要求1所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的測量支架(400)包括底座(410)、伸長部(420)和橫桿(430)，所述底座(410)與所述伸長部(420)固定連接，所述伸長部(420)與所述橫桿(430)固定連接。4.根據權利要求3所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的伸長部(420)與所述橫桿(430)的連接處增加了三角支撐桿(440)。5.根據權利要求3所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的標準參考板(401)設置于光譜熒光探測器(201)的旋轉面下方。6.根據權利要求3所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的底座(410)底部設有固定部，固定連接底座(410)和地面。7.根據權利要求6所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的底座(410)上設置有滑軌，所述固定座可穿設在滑軌上進行滑動。8.根據權利要求3所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的測量支架(400)的伸長部(420)高度為3.8m-4.5m，橫桿(430)長度為1.2m-l.8m。9.根據權利要求3所述的植被熒光時序測量系統，其特征在于，所述的伸長部(420)采用雙層結構，內層(421)為4cm-6cm厚度的圓筒狀招型材制成，外層(422)為0.5cm-lcm厚度的鋁合金制成，外層(422)和內層(421)通過長螺釘(423)進行鉚合固定。
【文檔編號】G01N21/64GK205656138SQ201620489462
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年5月26日 公開號201620489462.9, CN 201620489462, CN 205656138 U, CN 205656138U, CN-U-205656138, CN201620489462, CN201620489462.9, CN205656138 U, CN205656138U
【發明人】徐翔, 劉志剛, 陳績
【申請人】伯格森(北京)科技有限公司