一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，通過對傳感器輸出電壓做溫度補償，即可實現(xiàn)反射率的溫度補償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時適用于720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預測模型，通過預測模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補償模型；根據(jù)溫度補償后的輸出電壓計算反射率實現(xiàn)對多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償。本發(fā)明構(gòu)建了運算量低、精度高的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型，提高了傳感器田間應用的溫度穩(wěn)定性；了解了多光譜作物生長傳感器的溫度特性，在此基礎上構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預測模型，進而實現(xiàn)了傳感器反射率的溫度補償。
【專利說明】一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)作物生長發(fā)育調(diào)控【技術(shù)領域】，尤其涉及一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]快速、準確地獲取作物生長信息對作物生長發(fā)育調(diào)控具有重要的指導意義。傳統(tǒng)的田間采樣、室內(nèi)分析測試獲取作物生長信息的方法，盡管結(jié)果可靠，但時效性差，難以滿足現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。作物體內(nèi)生化組分及組織結(jié)構(gòu)的不同，會引起某些特定反射光譜顯著變化，利用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測這些特定光譜，進而可以精確地感知作物多種生長信息，如葉面積指數(shù)、葉綠素含量、生物量、氮含量、糖氮比等。為了在生產(chǎn)一線推廣作物長勢光譜監(jiān)測技術(shù)。傳感器在光電轉(zhuǎn)換過程中，光電器件受環(huán)境溫度的影響較大，從而使傳感器的輸出信號隨溫度變化產(chǎn)生漂移。田間應用中，隨季節(jié)溫度變化及陽光照射，傳感器的內(nèi)部溫度可達10-60°C，溫度對傳感器輸出信號的影響明顯，故需做溫度補償。通過設計相應的硬件電路可可實現(xiàn)溫度補償，但該方法硬件電路復雜、補償精度低。與硬件補償相比，軟件補償成本低，精度高，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、最小二乘支持向量機等智能算法已得到廣泛應用；在研究利用近紅外反射率檢測蘋果可溶性固形物含量時構(gòu)建了各溫度專用以及全溫度范圍通用的溫度補償模型。該類算法所構(gòu)建溫度補償模型盡管精度高，但模型過于復雜，難以集成到運算能力有限的單片機中，進而限制了在智能傳感器和智能儀器中的應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，旨在解決傳統(tǒng)的多光譜作物生長傳感器溫度補償電路復雜、成本高、精度低、穩(wěn)定性差的問題。
[0004]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法包括:
[0005]步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預測模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗證數(shù)據(jù)；
[0006]步驟二，以室溫25°C時上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應有溫度的主效應及溫度與V25a的交互作用項；溫度對傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應用多項式來模擬，多項式將考慮一次項、二次項、三次項和四次項；則傳感器輸出電壓溫度預測模型的原型如公式(4)所示:
[0007]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ (4)
[0008]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能得公式(4)的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項和四次項得公式(5)；
[0009]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004T.V25 λ (5)
[0010]步驟三，將720nm和SlOnm的ν25λ代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預測值，并計算反射率，模型對810nm的驗證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE=2.31% ；
[0011]步驟四，對公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓Vta補償?shù)?5°C對應的電壓V25a ；
τ, V —0.041+ 0.0027'-10 V ,、
[0012]V25 =- (6)
25λ0.909 + 0.00477
[0013]利用V25a計算反射率即可實現(xiàn)多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償。
[0014]進一步，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法經(jīng)溫度補償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個波段溫度補償后的反射率均接近實測數(shù)據(jù)25°C時的反射率，表明反射率的溫度補償模型精度高，適用性好。
[0015]進一步，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法中多光譜作物生長傳感器采集作物冠層720nm和SlOnm光譜反射率，耦合作物生長指標監(jiān)測模型，反演作物長勢信息；傳感器以太陽光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長下的物體反射率；作物冠層對波長為λ的太陽光譜反射率P Λ為:
[0016]Px = ――(O
[0017]式中，La為作物冠層λ波長的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長的太陽光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.m_2，π為立體角，立體角單位球面度sr ;由式(I)可知，利用La和Ea計算得到作物冠層的光譜反射率。
[0018]進一步，為了獲取La和Ea，多光譜作物生長傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個通道；上行光傳感器接收720nm和SlOnm的入射光，并進行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對應波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8臟，孔深26mm，視場角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過率為65% -70% ;傳感器所用光電探測器靈敏度為0.55A.F1，光譜響應度為0.0llA.T1.cm—2。
[0019]進一步，傳感器采用招制機殼封裝，孔徑38mm,高50mm。
[0020]本發(fā)明提供的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，構(gòu)建了運算量低、精度高的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型，提高了傳感器田間應用的溫度穩(wěn)定性；傳感器的反射率是由傳感器中相同波段的下行光傳感器和上行光傳感器的輸出電壓相除得到；溫度對反射率的影響規(guī)律較復雜，本質(zhì)是溫度影響傳感器的輸出電壓所引起。因此本發(fā)明研究了多光譜作物生長傳感器的溫度特性，在此基礎上構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預測模型，進而實現(xiàn)了傳感器反射率的溫度補償。
[0021]本發(fā)明構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預測模型，模型可根據(jù)25°C時傳感器的輸出電壓預測得到不同溫度下的傳感器輸出電壓；在此基礎上，將模型做形式上的轉(zhuǎn)換，進而構(gòu)建了反射率的溫度補償模型，模型將反射率因溫度影響產(chǎn)生的波動范圍由1.0% -7.0%降低到不超過0.45%，顯著地降低了溫度對傳感器反射率的影響；提高了傳感器使用中的溫度穩(wěn)定性。
[0022]本發(fā)明溫度補償?shù)某杀镜?，精度高，克服了常?guī)用硬件實現(xiàn)溫度補償電路復雜，干擾大，補償精度低，且適應性差的弊端；本發(fā)明構(gòu)建的溫度補償模型運算量低、精度高、穩(wěn)定性強，適合于集成到智能儀器和智能傳感器中應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例提供的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法流程圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實施例提供的溫度對傳感器輸出電壓的影響示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實施例提供的溫度對傳感器反射率的影響示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明實施例提供的模型預測值與實測數(shù)值的比較示意圖；
[0027]圖中:A.傳感器輸出電壓的預測值和實測值；B.反射率的預測值與實測值；
[0028]圖5是本發(fā)明實施例提供的反射率溫度補償前后對比圖示意圖；
[0029]圖中:A.720nm反射率溫度補償前后對比圖；B.81nm反射率溫度補償前后對比圖；
[0030]圖6是本發(fā)明實施例提供的檢驗數(shù)據(jù)及溫度補償前后的反射率變化示意圖；
[0031]圖中:Α.以40%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器的輸出電壓；B.以40%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器720nm反射率溫度補償前后對比圖；C.以40%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器810nm反射率溫度補償前后對比圖；D.以60%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器的輸出電壓；E.以60%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器720nm反射率溫度補償前后對比圖；F.以60%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象時傳感器81nm反射率溫度補償前后對比圖。

【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0033]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明實施例的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法包括以下步驟:
[0035]SlOl:以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預測模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗證數(shù)據(jù)；
[0036]S102:以室溫25°C時上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應有溫度的主效應及溫度與V25a的交互作用項；溫度對傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應可用多項式來模擬，同時為避免龍格現(xiàn)象，多項式將僅考慮一次項、二次項、三次項和四次項；
[0037]S103:將720nm和SlOnm的V25a代入公式得到不同溫度下傳感器的預測值，并計算反射率，模型對SlOnm的驗證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；
[0038]S104:對公式做形式上的轉(zhuǎn)換，得將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓補償?shù)?5°C對應的電壓，即可實現(xiàn)多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償。
[0039]本發(fā)明的具體步驟為:
[0040]步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預測模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗證數(shù)據(jù)；
[0041]步驟二，以室溫25°C時上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應有溫度的主效應及溫度與V25a的交互作用項；溫度對傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應可用多項式來模擬，同時為避免龍格現(xiàn)象，多項式將僅考慮一次項、二次項、三次項和四次項；則傳感器輸出電壓溫度預測模型的原型如公式(4)所示:
[0042]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ 4()
[0043]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能可得公式⑷的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項和四次項得公式(5)；
[0044]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004Τ.V25 λ 5()
[0045]步驟三，將720nm和SlOnm的V25a代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預測值，并計算反射率，模型對810nm的驗證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE=2.31% ；
[0046]步驟四，對公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)可將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓Vta補償?shù)?5°C對應的電壓V25a ；
―― Vr1- 0.041+ 0.002Γ-10 5T2 ,、
0047 I = - (6)

0.909 + 0.0047ν '
[0048]利用V25a計算反射率即可實現(xiàn)多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償；本試驗反射率溫度補償前后對比見圖5，可見經(jīng)溫度補償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個波段溫度補償后的反射率均接近實測數(shù)據(jù)25 °C時的反射率，表明反射率的溫度補償模型精度高，適用性好。
[0049]本發(fā)明的工作原理:傳感器反射率隨溫度變化的根本原因為溫度對上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的影響，因此通過對傳感器輸出電壓做溫度補償，即可實現(xiàn)反射率的溫度補償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時適用于720nm和SlOnm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預測模型，通過預測模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補償模型；根據(jù)溫度補償后的輸出電壓計算反射率實現(xiàn)對多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償。
[0050]本發(fā)明的具體實施例:
[0051]I多光譜作物生長傳感器:
[0052]多光譜作物生長傳感器采集作物冠層720nm和810nm光譜反射率，耦合作物生長指標監(jiān)測模型，反演作物長勢信息；傳感器以太陽光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長下的物體反射率；作物冠層對波長為λ的太陽光譜反射率P X為..Tc L i,/ λ \
[0053]P? =(I)

tA
[0054]式中，U為作物冠層λ波長的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長的太陽光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.m_2，π為立體角，立體角單位球面度Sr ;由式(I)可知，利用Lλ和Eλ可計算得到作物冠層的光譜反射率；為了獲取Lλ和Eλ，多光譜作物生長傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個通道；上行光傳感器接收720nm和810nm的入射光，并進行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對應波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8mm，孔深26mm，視場角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過率為65% -70% ;傳感器所用光電探測器靈敏度為0.55A.W—1，光譜響應度為0.0llA.T1.CnT2 ;傳感器采用招制機殼封裝,孔徑38mm,高50mm,體積小、重量輕、攜帶方便，極其適合田間應用；
[0055]2試驗設計:
[0056]本發(fā)明的試驗共有兩部分，試驗I用于構(gòu)建模型，試驗2用于檢驗所構(gòu)建模型的適用性；
[0057]試驗1:利用可程控式恒溫恒濕箱RP-80控制測試溫度，RP-80溫度調(diào)節(jié)范圍為-20°C _150°C，控制精度為±0.5°C，相對濕度調(diào)節(jié)范圍為20% -98% RH，控制精度為±2.5% RH ;以灰度板(反射率為40% )為多光譜作物生長傳感器的監(jiān)測對象；將RP-80箱外齒鶴燈的光通過光纖引入箱內(nèi)積分球，作為試驗光源；穩(wěn)定齒鶴燈的電源電壓為10V,可保證光源的光強不變；提供不同的電源電壓，則可改變光源光強；試驗中標準灰度板置于恒溫恒濕箱內(nèi)，上行光傳感器和下行光傳感器固定于標準灰度板中心處垂直上方1cm處；光源置于多光譜傳感器右上方45°，與多光譜作物生長傳感器相距15cm處；上行光傳感器接收光源輻射信息，下行光傳感器接收標準灰度板反射光輻射信息；恒溫恒濕箱內(nèi)溫度分別設置為 6°C、11°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C、40°C、44°C、49°C、54°C、62°C，相對濕度保持為40% RH不變；每溫度下米集720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓，采集周期設置為3s，連續(xù)采集200次數(shù)據(jù)取平均；
[0058]試驗2:溫度設置同試驗1，光源的電源電壓設為IlV以得到不同光強，分別以40%和60%反射率的標準灰度板為監(jiān)測對象；
[0059]3結(jié)果與分析:
[0060]3.1溫度對傳感器輸出特性的影響:
[0061]光強保持不變，不同溫度下傳感器的輸出電壓見圖2 ;由圖2可知，隨溫度升高，傳感器的輸出電壓呈增加趨勢，表明傳感器具有正的溫度特性；6°C時傳感器任一通道的輸出電壓越高，則隨溫度升高該通道的輸出電壓增幅將越大，即平均變化率Ak較大(Ak =(V62-V6) / (62-6)，V62和V6分別為62°C和6°C時傳感器各通道的輸出電壓)；相同溫度下，傳感器同一波段通道的輸出電壓越高說明該通道的光電探測器接收的入射光能量E越大，因此Ak的不同應為溫度與E共同作用的結(jié)果，即溫度和E存在著交互作用；
[0062]利用圖2數(shù)據(jù)計算得720nm和810nm反射率(圖3);由圖3可見，隨溫度升高反射率呈非線性下降趨勢，在5°C?40°C范圍內(nèi)反射率的下降較快，隨后趨緩；試驗中下行光傳感器的輸出電壓小于相同波段上行光傳感器的輸出，隨溫度升高上行光傳感器的輸出電壓增幅將大于下行光傳感器的增幅，所以反射率表現(xiàn)為下降趨勢；
[0063]圖2中傳感器的輸出電壓隨溫度升高呈近似線性增加，可簡單的用y = a+bx表示，y為傳感器輸出電壓，X為溫度；則反射率R可表示為: n a, +hxf
[0064]R = —Tl-(2 )

a2 + D2X
_.t CiJ)' — CiJi1/ \
[0065]R =廠 1 l ' ;(3)
(a' +a.xy
[0066]結(jié)合圖2可知式(3)中82和132均大于0，所以隨溫度升高，反射率的導數(shù)R’趨向于0，反射率的變化將趨緩；
[0067]3.2傳感器溫度補償模型構(gòu)建:
[0068]傳感器反射率隨溫度變化的根本原因為溫度對上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的影響，因此通過對傳感器輸出電壓做溫度補償，即可實現(xiàn)反射率的溫度補償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時適用于720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預測模型，通過預測模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補償模型；根據(jù)溫度補償后的輸出電壓計算反射率實現(xiàn)對多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償；
[0069]3.2.1傳感器輸出電壓溫度預測模型構(gòu)建:
[0070]傳感器720nm和810nm通道監(jiān)測原理相同，在結(jié)構(gòu)上僅濾光片有差異，溫度對傳感器不同通道輸出電壓的影響規(guī)律必然一致；因此，本發(fā)明以圖2中720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預測模型，將810nm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗證數(shù)據(jù)；多光譜作物生長傳感器的輸出電壓受入射光能量影響，在環(huán)境條件不變的情況下，入射光能量越高則傳感器的輸出電壓越大；因此相同溫度下，傳感器的輸出電壓代表了其接收到的相應波段的入射光能量，本發(fā)明以室溫25°C時上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；根據(jù)前文的結(jié)論，構(gòu)建的模型中應有溫度的主效應及溫度與V25a的交互作用項；由圖2可見，溫度對傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應可用多項式來模擬，同時為避免龍格現(xiàn)象，多項式將僅考慮一次項、二次項、三次項和四次項；則傳感器輸出電壓溫度預測模型的原型如公式⑷所示:
[0071]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ (4)
[0072]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能可得公式⑷的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項和四次項得公式(5)；
[0073]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004Τ.V25 λ (5)
[0074]將720nm和SlOnm的V25A代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預測值，并計算反射率，預測值與實測值的吻合情況見圖4 ;由圖4可見，模型對SlOnm的驗證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE = 2.31% ；
[0075]3.2.2傳感器反射率溫度補償模型構(gòu)建:
[0076]對公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)可將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓ντλ補償?shù)?5°C對應的電壓ν25λ ；
「 n ,, κ(/ - 0.041+ 0.002Γ-10 -T1
[0077]K,, = —- (6

0.909 + 0.00471
[0078]利用V25a計算反射率即可實現(xiàn)多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償；本試驗反射率溫度補償前后對比見圖5，可見經(jīng)溫度補償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個波段溫度補償后的反射率均接近實測數(shù)據(jù)25°C時的反射率，表明反射率的溫度補償模型精度高，適用性好；
[0079]3.3模型驗證:
[0080]試驗2的模型檢驗數(shù)據(jù)見圖6 ;由圖6可見，以40%和60%反射率標準灰度板為監(jiān)測對象，隨溫度變化傳感器720nm和810nm反射率的變化幅度為1.0-2.6%，溫度補償后反射率的波動范圍變小，最大波動范圍不超過0.45% ;對溫度補償前和補償后反射率的波動范圍做成對t檢驗，得P = 0.015 < 0.05，表明反射率的溫度補償模型可顯著的降低溫度對反射率的影響。
[0081]本發(fā)明在光強保持恒定不變的情況下，國家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心研制的多光譜作物生長傳感器在5°C -60°C范圍內(nèi)，隨溫度升高傳感器的輸出電壓表現(xiàn)為上升趨勢，反射率則呈非線性下降，在5°C -40°C范圍內(nèi)下降較快，隨后趨緩；
[0082]本發(fā)明構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預測模型，模型可根據(jù)25°C時傳感器的輸出電壓預測得到不同溫度下的傳感器輸出電壓，模型的R2 = 0.9998, RRMSE = 2.31%;在此基礎上，將模型做形式上的轉(zhuǎn)換，進而構(gòu)建了反射率的溫度補償模型，模型將反射率因溫度影響產(chǎn)生的波動范圍由1.0% -7.0%降低到不超過0.45%，成對t檢驗結(jié)果表明所構(gòu)建的模型可顯著地降低溫度對傳感器反射率的影響；顯著地提高了傳感器使用中的溫度穩(wěn)定性。
[0083]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法包括: 步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預測模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗證數(shù)據(jù)； 步驟二，以室溫25°C時上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的入波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應有溫度的主效應及溫度與ν25λ的交互作用項；溫度對傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應用多項式來模擬，多項式將考慮一次項、二次項、三次項和四次項；則傳感器輸出電壓溫度預測模型的原型如公式(4)所示:
Vt λ = a+bV25 λ +cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ 4() T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能得公式(4)的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項和四次項得公式(5)；
Vta = 0.041+0.909V25A-0.002Τ+1(Γ5Τ2+0.004Τ.V25λ 5() 步驟三，將720nm和SlOnm的V25a代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預測值，并計算反射率，模型對810nm的驗證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998, RRMSE =2.31% ； 步驟四，對公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓ντλ補償?shù)?5°C對應的電壓ν25λ ；
VT/ - 0.041 + 0.0027'-10 T2I 】—(o/
0.909 + 0.00471 利用ν25λ計算反射率即可實現(xiàn)多光譜作物生長傳感器反射率的溫度補償。
2.如權(quán)利要求1所述的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法經(jīng)溫度補償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個波段溫度補償后的反射率均接近實測數(shù)據(jù)25°C時的反射率，表明反射率的溫度補償模型精度高，適用性好。
3.如權(quán)利要求1所述的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法中多光譜作物生長傳感器采集作物冠層720nm和SlOnm光譜反射率，耦合作物生長指標監(jiān)測模型，反演作物長勢信息；傳感器以太陽光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長下的物體反射率；作物冠層對波長為λ的太陽光譜反射率Pd:
π?.;P(I)
tA 式中，La為作物冠層λ波長的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長的太陽光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.πΓ2，為立體角，立體角單位球面度sr ;由式(I)可知，利用La和Eλ計算得到作物冠層的光譜反射率。
4.如權(quán)利要求3所述的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，為了獲取La和Ea ,多光譜作物生長傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個通道；上行光傳感器接收720nm和SlOnm的入射光，并進行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對應波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8_，孔深26_，視場角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過率為65% -70%;傳感器所用光電探測器靈敏度為0.55A.T1，光譜響應度為 0.0llA.T1.cm_2。
5.如權(quán)利要求3所述的多光譜作物生長傳感器溫度補償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，傳感器采用招制機殼封裝，孔徑38mm,高50mm。
【文檔編號】G01N21/25GK104251824SQ201410505858
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】曹衛(wèi)星, 倪軍, 朱艷, 劉乃森, 龐方榮, 董繼飛 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學