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北京澳作生態(tài)儀器有限公司
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1 引言
自從20世紀(jì)80年代起光譜分析技術(shù)以數(shù)據(jù)量大、分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、大氣監(jiān)測、災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測、土壤調(diào)查、城市環(huán)境調(diào)查、水文觀測等領(lǐng)域,取得了較好的應(yīng)用結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益。鑒于光譜技術(shù)的性能,特別是在地表物質(zhì)的識別與分類、有用信息的提取等方面與其它技術(shù)相比有較大優(yōu)勢,使得這一技術(shù)在植被的精細(xì)分類、農(nóng)作物的長勢監(jiān)測與估產(chǎn)、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測、作物品質(zhì)監(jiān)測和農(nóng)田水肥狀況的分析方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
目前在研究水稻、玉米、小麥、棉花、煙草等作物的光譜特征時多采用便攜式、瞬時測量技術(shù)上，越來越多的研究需要大田實時、在線的光譜數(shù)據(jù)，減少人為操作限制帶來的數(shù)據(jù)偏差。
2 觀測系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 目的
作物對太陽輻射的吸收和反射與作物的色素、水分、碳、氮相關(guān)。通過監(jiān)測、分析葉片和冠層的光譜特征，度量作物的生物量和生長狀況、葉綠素含量、冠層結(jié)構(gòu)、光合作用對入射光的利用效率；估算葉片生化組分、籽粒品質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素干燥狀態(tài)的碳含量；估測植被中與脅迫性相關(guān)的色素、植被冠層中水分含量、重金屬污染程度等。野外光譜在線觀測系統(tǒng)不僅能自動、在線觀測葉片、冠層尺度的實時光譜數(shù)據(jù)，還需要能自動遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，及時匯集樣點數(shù)據(jù)，得到景觀或區(qū)域尺度的光譜特征，提高反演衛(wèi)片的時空分辨率。
2.2觀測點布設(shè)
在不同類型煙草、不同烤煙品種、不同氮、磷、鉀施用量處理的冠層上布設(shè)傳感器測量葉片和冠層的反射。傳感器可以水平排列如圖1，也可在一個弧面上，如圖2。
傳感器的測量面積與傳感器安裝位置與冠層的距離有關(guān)，特殊的設(shè)計使得傳感器的散射角滿足研究的要求，通常1.8米高度=0.5平米 面積。
測量透射光時，傳感器可放置在上部、中部、下部葉片附近。
2.3采樣頻率
AZ-R8010 野外光譜在線觀測系統(tǒng)可每10ms采集一次光譜數(shù)據(jù)，也可按用戶的要求設(shè)定采樣間隔，如每10分鐘、30分鐘，每小時等。光譜數(shù)據(jù)自動存儲在數(shù)據(jù)采集器中。數(shù)據(jù)采集器實時將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)服務(wù)器ENVIdata，用戶可在 網(wǎng)站上查看系統(tǒng)運行狀態(tài)、下載數(shù)據(jù)。無論用戶在哪里，只要能上網(wǎng)，用戶可隨時查看測點的數(shù)據(jù)。同時, 數(shù)據(jù)服務(wù)器ENVIdata也可通過郵件，自動將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的郵箱。
2.4 觀測內(nèi)容
AZ-R0810野外光譜在線觀測系統(tǒng)測量植被紫外、紫藍(lán)、綠、紅橙、可見光、近紅外、紅外、遠(yuǎn)紅外光譜數(shù)據(jù)及透射、總輻射，還可測量紫外指數(shù)和用戶的波段光譜。Ecograph 軟件計算寬帶綠度指數(shù)，寬帶綠度指數(shù)常用于植被物候發(fā)育的研究，土地利用和氣候影響評估，植被生產(chǎn)力建模等。
2.5系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)
AZ-R0810野外光譜在線觀測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、全光譜光傳感器、ENVIdata數(shù)據(jù)服務(wù)器、Ecograph軟件組成。全天候野外自動測量和記錄葉片、冠層的光譜數(shù)據(jù)，
技術(shù)指標(biāo)：
數(shù)據(jù)采集器：通道：5-15個普通模擬輸入通道，12脈沖輸入通道,12個數(shù)字通道；可擴(kuò)展
采樣速度：25Hz；U盤存儲；自動發(fā)送數(shù)據(jù)的GPRS模塊。
光譜范圍：紫外、紫藍(lán)、綠、紅橙、可見光、近紅外、紅外、遠(yuǎn)紅外，總輻射、紫外指數(shù)
ENVIdata數(shù)據(jù)服務(wù)器：數(shù)據(jù)推送模式，實時在線、自動遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。
Ecograph軟件：計算歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、增強(qiáng)植被指數(shù)、大氣阻抗植被指數(shù)、綠波段總和指數(shù)
3數(shù)據(jù)處理
通過對AZ-R0810 系統(tǒng)采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到如下信息：
1） 植被的光譜特性及其影響因素
2） 通過分析光譜與作物葉片生化組分的相關(guān)關(guān)系，篩選出一些與作物品質(zhì)顯著相關(guān)的光譜參量，建立了相應(yīng)的光譜診斷模型
3） 在葉面積指數(shù)、葉片產(chǎn)量、生化品質(zhì)指標(biāo)變化的基礎(chǔ)上，通過大量光譜參量的相關(guān)分析，建立作物生長指標(biāo)和主要化學(xué)品質(zhì)指標(biāo)的冠層光譜預(yù)測模型
4） Ecograph 軟件可自動計算歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、增強(qiáng)植被指數(shù)、大氣阻抗植被指數(shù)
、綠波段總和指數(shù)，為反演衛(wèi)片提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
4 應(yīng)用案例
4.1 光對植物生長的影響
位于英國Wales州的草地和環(huán)境研究所（IGER）在遺傳、育種、生理、農(nóng)學(xué)和植物、微生物生態(tài)學(xué)方面處于水平，為了維護(hù)其地位，在研究人工環(huán)境下的植物長勢項目中，采用了自動控制的人工氣候室及AZ-R0810系統(tǒng)中的光傳感器。
光傳感器用于控制和監(jiān)測中等、低溫兩個氣候室內(nèi)的光強(qiáng)。兩個PAR傳感器并列放置，一個用于控制光強(qiáng)，另一個與數(shù)采連接，自動連續(xù)測量、記錄實際的光強(qiáng)。
4.2 野外植被生長
HERB 項目（Hydrology Ecology and Regional Biodiversity of Colombian Montane Forests）是英國倫敦學(xué)院、哥倫比亞環(huán)境部、熱帶農(nóng)業(yè)研究中心和數(shù)個哥倫比亞研究機(jī)構(gòu)的合作項目，該項目采用野外監(jiān)測系統(tǒng)、GIS 和計算機(jī)模型研究熱帶山地霧林（TMCF）生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。
該項目采用AZ-R0810中的光傳感器器，按小時采集如下參數(shù)：總輻射（入射和反射）、紅外/遠(yuǎn)紅外（入射和反射）、入射藍(lán)光、入射PAR及溫濕度
4.3 日光波長監(jiān)測
韓國國家作物研究所采用兩日光波長監(jiān)測系統(tǒng)研究不用顏色的遮棚對高麗參生長的影響。
每套系統(tǒng)包括系類傳感器，覆蓋UV、可見光、近紅外波段。所有的光傳感器安裝在高麗參的高度，一套系統(tǒng)安裝在紅色遮棚下，另一套安裝在藍(lán)色遮棚下，數(shù)采自動全天記錄光強(qiáng)、同時記錄空氣溫濕度和土壤溫度。
光傳感器的波段：一個4通道光傳感器的波段：400-480nm, 480-560nm,560-650nm,645-760nm，另一個4通道光傳感器的波段：760-850nm,850-950nm,950-1050nm, 400-1050nm, UVA,UVB, PAR, 總輻射。
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