归一化植被指数便携式测量仪的研制与应用

归一化植被指数便携式测量仪的研制与应用1

杨青1，李勇军1,2，邢振1，杨成海3

1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌（712100）

2.西安机电信息研究所，西安（710065）

3.USD－ARS Subtropical Agricultural Research Center，Weslaco.Texas，78596，USA

E-mail：yangtin@public.xa.sn.cn

摘 要：针对我国目前缺乏高精度、低成本田间作物氮营养诊断设备的现状，以及变量施肥的需要，本论文设计了基于峰值波长650nm红光和峰值波长940nm近红外光的归一化植被指数便携式测试系统。该系统根据光的吸收原理和光谱透射技术，通过大量实验，建立了归一化植被指数修正公式的反演模型，完成了系统软硬件设计和样机制作。利用玉米叶片进行了对比精度实验，结果表明：本系统和日本手持式叶绿素计Spad-502的测定结果相近,与传统的80%丙酮浸提和分光光度法测得的叶绿素相对含量值比较吻合；本论文提出的基于归一化植被指数修正公式的反演模型具有适用性。为进一步实现作物氮营养状况的实时无损监测，以及实施精细农业变量施肥技术提供了研究平台。 关键词：双光谱；叶绿素；无损检测；单片机 中图分类号：TP216

1. 引言

氮肥是全世界施用量最多、同时也是推荐施肥中最难于准确定量的一种肥料，其主要原因是缺乏能准确、迅速、经济地判断作物氮营养状况及确定氮肥需要量的测试方法。长期以来，作物的氮营养诊断和氮肥的推荐施肥主要借助化学分析或依据叶面缺素症状。前者是以实验室常规测试为基础，在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，且时效性差，手续繁琐、破坏植株，不利于推广应用

【1】

；后者仅凭经验目视观察,缺乏简便快速、

【2-3】

科学有效、适宜大面积推广的诊断手段用作田间指导。

近年来，光谱测试以其简便、快速、精度高和无损检测等优点，成为国内外田间信息采集的研究热点。针对我国目前缺乏高精度、低成本田间作物氮营养诊断设备的现状，以及变量施肥的需要，本研究开发了一种归一化植被指数便携式测量仪。

2. 系统测试原理和总体设计

2.1 系统原理

根据叶绿素吸收光谱，利用其对0nm左右红光的强烈吸收和对红外光不吸收的特点，本系统选用了峰值波长0nm红光LED和峰值波长960nm近红外光LED作为系统的光源。系统叶绿素测量的反演模型采用透射式下归一化植被指数NDVI公式

【4-6】

，

NDVI=

RIR−RRRIR+RR

(1)

式中，RIR为某红外光特征波长处的植被透射率;RR为某红光特征波长处植被的透射率。通过大量的对比实验，考虑到杂散光、叶片组织、水雾、灰尘等因素的干扰，影响测量精度，将该归一化植被指数NDVI公式（1）修正为如下公式： 1

本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20040712018）“基于旱作精细农业的地面遥感研究”的资

助。

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式中，RIR为红外光植

X0

RIRX

RIR0

NDVI=

RIRX

RIR0

−+

RRXRR0RRXRR0

(2)

被透射率;RR为红光透射率；RIR为

X

0

这样有利于消除公共因素对两路光测量的影红外光光强值，RR为红光特征波长处光强值。响。该归一化植被指数修正公式也就是系统设计的反演模型，在系统软件设计中，再将该NDVI测量值变换为量程为0-100之内的数值，即能代表植被叶绿素的相对含量值。

2.2 总体结构

本研究设计的植株含氮量测定系统总体结构设计如图1所示。光电部分由两个不同的光源和两个与之配套的光电传感器构成，其中一组选用0nm红光光源，另一组选择960nm的红外光光源。先后将两光源发出的光透过叶片后经由聚光滤镜、光电传感器，将光信号转变为一路电信号和表征环境光的另一路电信号。通过对两个信号的分析，利用系统建立的叶绿素反演模型，将所测信号与被测对象叶绿素含量之间的关系进行归一化处理，输出数值结果，并通过液晶显示其他外围器件输出结果。

图2 系统信号流程

Fig 2 System Signals Transmission Process

图1 叶绿素测试系统结构

Fig 1 Structure of Chlorophyll Test System

3. 测试系统硬、软件设计

3.1 测试系统硬件设计

本研究设计的叶绿素测试系统采用固定波长光透射方法和模块化的整体设计思路。按照仪器的总体结构、以及低成本、低功耗和高精度的设计要求，将系统有如下部分组成：光学系统、光电探测器、信号调制放大、A/D模块、人机界面、串口通讯模块

和信号处理单元。信号在系统中的流程如图2所示：

信号处理单元是系统的核心部分，CPU选用TI公司超低功耗16位Flash单片机MSP430F149，CPU及其外围模块构成如图3所示。主要功能包括：A/D模块开启、测量和

图3 信号处理单元（CPU）及外围模块

Fig 3 Signal Process Cell (CPU) and Peripheral Equipment

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关闭等控制；人机接口（按键和显示器）；数据存储、显示和运算以及通讯等功能。

3.2 测试系统软件设计

系统程序全部固化在一片EPROM中，整个程序由若干个功能模块组成，主要包括测量模块，LCD显示模块，通讯模块和中断服务程序模块。本系统采用单片机C语言与汇编语言相互嵌套编程，具有既使程序代码简化、又使系统可快速准确获得数据、并占用较少存储容量的优点。

3.2.1 系统主程序流程图

系统软件主程序流程如图4所示。 3.2.2系统初始化

各功能模块的初始化，主要是对系统所需的模块进行运行前的参数设置，初始化示意如图5所示。几点说明如下:

(1)系统属于便携式设备，设有手动复位按键，如出现死机现象，可以手动强行复位系统，故不需要系统看门狗。关闭内部自带的看门狗定时器，主要出于降低功耗的考虑。

（2）A/D模块模数转换器(ADC12)是MSP430F149内部自带的，需设置ADC12的内部参数，以及对ADC12信号的输入和输出通道进行设置。

（3）外部通讯模块初始化后关闭以节省功耗，需要时再打开。

（4）液晶显示器的初始化，待机显示降低功耗。 （5）键盘中断响应函数的初始化及端口设置。 （6）不需要的系统参数进行节能设置。如MSP43OF149

微控制器的1/0端口，是准双向口，并为多种功能复用。在利用1/0口进行外设控制时，首先选择各1/0口的功能，确定作为普通端口使用，还是用作第三功能；接着须对1/0端口进行方向设置后，方可正常工作。对于不用的I/O口将其设置为输入模式。

图4 主程序流程图 Fig4 Main Program Flow Chart

4. 田间实验

4.1 实验材料与方法

田间实验使用的仪器设备包括：本研究设计的植被指数便携式测量仪杨继FM，日立557型双波长双光束紫外可见分光光度计，日本便携式叶绿素测量仪SPAD-502，精度为百万分之一克的电子天平，80%丙酮和25ml容量瓶。测试对象为玉米叶片，取每株玉米的倒1、倒2、倒3、倒4以及倒5各5张叶片。测试方法分别利用分

光光度法、80%丙酮浸提的传统方法，日本手持式叶绿素测量仪SPAD-502和本研究设计的系统样机FM测量叶绿素相对含量。

图5 系统初始化 Fig 5 System

4.2 实验内容

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田间试验的目的是对叶绿素测定进行对比实验。试验地点在河南封丘农业生态试验站，采样时间时间分别为 2006年7月5日5:45(有露水),2006年7月6日5:50(有露水)，实验由该站的工作人员协助完成。供实验的玉米处于灌浆，实验地共有30个区，每个区选取3株植物，取每株玉米的倒1、倒2、倒3、倒4以及倒5各5张叶片（即每个小区采集15片叶子），分别由自行设计的系统FM和日本生产的Spad-502进行测量。随即将测量点的叶片按3cm×3cm大小剪下，放入实验袋中，并做好标记，随后再利用分光光度法，80%丙酮浸提的传统方法进行测定。

4.3 实验数据

通过上述方法，获得了每个小区、每株玉米的叶绿素含量光谱数据值和农学参数的叶绿素含量平均值（如表1所示），其中FM代表本论文设计的系统，SPAD代表日本手持式叶绿素测量仪SPAD-502测量值，Chl是用分光光度法、80%丙酮浸提的方法得到叶绿素含量。编号分别代表1-30个小区，表中数值分别代表每个小区所采集15片叶子（3株玉米、每株各五片叶子）数据的平均值。FM、SPAD测量值代表每个小区选取的叶绿素相对含量平均值，放大了10倍，单位为spad；Chl测量值代表每个小区选取的农学理化参数的叶绿素含量平均值，单位为mg/g。

表1测量数据 Table1 measuring data

小区编号 FM

单位：spad

SPAD

单位：spad

Chl

单位：mg/g

1 343.867 332.933 1.8032

2 368.733 352.311 2.131075 3 401.400 395.244 1.605761 4 375.933 370.6 2.030301 5 384.067 378.4 1.938508 6 383.200 402.133 1.734436 7 362.733 368.844 1.938508 8 349.867 344.178 2.066943 9 375.800 422.867 1.909340 10 357.800 341.422 1.574482 11 391.733 366.244 2.0002 12 380.133 367.4 2.151862 13 383.733 348.978 1.835269 14 369.200 366.200 2.290791 15 366.533 339.800 2.050673 16 366.667 367.533 2.086351 17 372.733 379.600 2.109735 18 374.400 382.273 2.181762 19 352.467 344.4 1.737330 20 341.600 342.200 1.743840 21 365.393 347.933 1.803445 22 402.929 396.978 2.097142 23 386.067 392.600 1.876072

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24 379.467 393.978 25 367.667 358.244 26 383.933 395.533 27 387.600 423.400 28 398.800 403.333 29 369.467 365.422 30 328.800 387.022

1.742392

2.096174 2.209425 2.010712 1.727747 2.0812 2.070862

对上述测量数据进行分析比较，得如图6所示分布。其中，横坐标表示1-30个小区测得的数据的平均值，纵坐标分别表示日本Spad-502（单位:spad）、本研究设计的样机FM(单位:spad)和分光度法的测量平均值(单位：mg/g)。

4.4 实验结果与分析

由表1及图6的的测量数据可以看出：

（1）本研究设计的系统样机FM与日本产的手持式叶绿素测量仪SPAD-502以及传统方法测量的数据，在点14-点21之间吻合情况较好，其它点上的吻合情况欠佳；

（2）比较系统样机FM与日本产叶绿素测量仪SPAD-502的测量结果，总体趋势有较好吻合度；

（3）分析结果表明，系统归一化植被指数的修正公式具有适应性，可以真实地反映植被叶绿素相对含量值。

图6 Spad-502、Chl与FM数据测量吻合图

Fig 6 Survey Data Comparing Chart of Spad-502、Chl and FM

5. 结语

本研究在分析比较和借鉴国内外测量植被氮营养成果的基础上，设计了基于峰值波长650nm红光和峰值波长940nm近红外光的归一化植被指数便携式测试系统。该系统可用于田间植物叶绿素相对含量测试，具有不破坏叶片组织，无损实时监测作物氮营养状况的特点。田间测试数据分析结果表明，本论文测试系统达到了设计精度要求，与传统的80%丙酮浸提和分光光度法获得数据比较吻合，和日本手持式叶绿素计测定结果相近，验证了归一化植被指数修正公式的正确性，能够用于指导变量施肥的生产实践。

致谢

系统开发过程中得到了贺正权研究员和李宝奇工程师等人的热心指导，以及试验中得到了张俊华博士和其它工作人员的大力帮助，在此一并表示感谢。

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参考文献

[1] 贾良良，陈新平，张福锁.作物氮营养诊断的无损测试技术[J]．2001.6(总266)世界农业World Agriculture. [2] 陶勤南,方萍，吴良欢等.水稻氮素营养的叶色诊断研究[J].土壤，1990 ，22(4):190-193.

[3] 李俊华，董志新，朱继正.氮素营养诊断方法的应用现状及展望[J].石河子大学学报(自然科学版，第7卷第1期2003 年3月)

[4] 关义新、林葆.光氮互作对玉米叶片光和色素及荧光特性与能量转换的影响[J].植物营养与肥料学报。2000.6（2）：152-158。

[5] 丁喜波、张忠典、陆凤霞等.光电式传感器原理与其技术[J].传感器技术,1996（5）：49-50。

[6] Rouse J W,Haas R H,Sehe11J A， Monitoring vegetation systems in the great plains with ERTS[J]. Third ERTS Symposium, NASA,SP-351: 309-317

Design and Application of a Normalized Vegetation Index

Portable Sensing Device

Yang Qing1，Li Yongjun1,2，Xing Zhen1，Yang Chenghai3

1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A&F University，Yangling

(712100)

2. Xi’an Mechanical & Electric Institute，（710065）

3.USD－ARS Subtropical Agricultural Research Center，Weslaco.Texas，78596，USA

Abstract

High-precision and low-cost electronic diagnostic devices are needed for monitoring crop nitrogen status and variable rate fertilization. One normalized difference vegetation index portable sensing device was designed in this study based on the peak red wavelength of 650 nm and the peak near-infrared wavelength of 940 nm. A revised normalized vegetation index formula was developed based on optical absorption and transmission principles and through extensive experiments, and a prototype of the device with both hardware and software was constructed. Comparison experiments using corn leaves showed that the device provided comparable measurement results with a Spad-502 meter and that the relative chlorophyll content measured by the device agreed fairly well with the results by using traditional 80% acetone digestion and spectrophotometry. The revised normalized vegetation index formula proposed in this study will be useful for other applications and the portable sensing device designed will provide a useful tool for real-time non-damage monitoring of crop nitrogen status and for the implementation of variable rate fertilization in precision agriculture. Keywords: two spectral bands, chlorophyll, none-damage, microprocessor

作者简介：杨青(1943-)，女，上海市人，教授，西北农林科技大学机械与电子工程学院博士生导师，主要从事智能化检测与监控技术、精细农业、旱作节水农业技术与设备的研究。

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