农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法技术

本申请公开了农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，包括：搭建光谱观测系统并对其进行辐射定标，得到辐射定标系数；根据辐射定标后的光谱观测系统，对太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱进行连续观测，得到时序光谱观测数据；根据辐射定标系数对光谱观测数据进行数据处理，得到太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值；根据太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值，并行反演各观测对象的生理和结构时序表型参数。本申请能够并行获取太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱，并反演得到不同点位的农作物冠层的生理和结构时序表型参数。理和结构时序表型参数。理和结构时序表型参数。

【技术实现步骤摘要】
农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法


[0001]本申请涉及植被遥感参数获取
，特别是涉及多点位农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法。

技术介绍

[0002]植物表型是研究植物基因与环境交互作用的重要桥梁，是服务作物遗传育种和栽培管理的核心手段，对于保障种质资源和粮食安全具有至关重要的战略意义。在实现作物高产、优质和高抗等目标进程中，对作物进行高通量的结构和生理表型监测是当前研究的热点。目前，作物结构表型的获取手段相对成熟，但是对其进行时间序列观测的方法相对欠缺，且大部分结构性状的生物学意义有待进一步探索。同时，作物生理表型的监测处于早期阶段，尚未实现与结构表型的同步观测，难以满足对作物生长发育过程中目标性状的综合监测、管理和筛选的需求。因此，亟需一种能同时获取农作物生理和结构表型参数的自动观测方法，以满足高通量植物表型的研究需求。
[0003]日光诱导叶绿素荧光(以下简称荧光)是由植物光合中心发射出的光谱信号(650
‑
800nm)，可以反映植被的光合作用状态，被誉为“植物光合作用的探针”，为挖掘具有生物学意义的作物结构和生理表型估算提供新的思路和方法。植被吸收的光能有三个去向，分别是光合作用、热耗散和荧光。植被用于光合作用的能量不足吸收光能的20％，而大部分能量通过热耗散释放，少部分能量通过荧光形式释放。由于这三种能量紧密相关，存在着此消彼长的关系，因此在吸收太阳辐射能量一定的情况下，可以通过观测荧光更为直接探测植被的光合作用等有关信息。相比传统的植被指数，荧光更能够反映植被的光合动态变化，因此在作物生理表型监测领域充满潜力。
[0004]岑海燕等在“叶绿素荧光技术在植物表型分析的研究进展”一文中介绍了叶绿素荧光技术的基本原理和成像系统、叶绿素荧光参数的分析和处理方法，总结了日光诱导叶绿素荧光技术在植物非生物胁迫分析、生物胁迫分析、优良性状筛选等方面的应用。由于植物在胁迫状态下的光合作用会发生变化，因此叶绿素荧光被广泛应用于干旱、温度和盐胁迫等非生物胁迫，以及病毒、细菌和真菌引起的生物胁迫。鉴于叶绿素荧光对光合作用变化的快速响应和准确指示作用，也被广泛应用于筛选对环境耐受同时兼具高产优质特性的作物新品种。
[0005]目前，叶绿素荧光技术在植物表型领域的应用主要是主动式叶绿素荧光，存在暗适应、长周期、尺度小和野外测量困难。相比之下，日光诱导叶绿素荧光具有快速、多尺度和野外测量容易的优点，有利于更好地获取与光合和逆境相关的生理表型。然而，时间序列的高通量生理和结构表型监测需要自动、稳定的荧光观测系统。因此，目前亟需一种农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法。

技术实现思路

[0006]本申请的目的是提供农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，以
解决现有技术的问题，能够并行获取太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱，并反演得到不同点位的农作物冠层的生理和结构时序表型参数。
[0007]同时并行获取太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱，并通过反射光谱完成农作物生理和结构表型参数的并行反演。
[0008]为实现上述目的，本申请提供了如下方案：本申请提供一种农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，包括：
[0009]搭建光谱观测系统，并对所述光谱观测系统进行辐射定标，得到辐射定标系数；所述光谱观测系统包括依次连接的光谱仪和多光路复用器；所述光谱仪仅包括一个光路入口，通过单芯光纤与所述多光路复用器的出口连接，所述多光路复用器包括若干个并行的光路入口，观测过程中，所述多光路复用器仅打开一个光路入口；所述多光路复用器的每个所述光路入口上均装配有预设长度的光纤，所述光纤一端与所述多光路复用器的光路入口连接；各所述光纤中的一根光纤的另一端连接有余弦校正器，所述余弦校正器垂直向上安装，用于收集太阳入射光谱；所述多光路复用器的其余若干个光路通道分别用于获取不同点位的农作物冠层反射光谱；
[0010]针对每个观测对象，首先采集太阳入射光谱，然后将多光路复用器切换至对应观测对象的冠层反射光谱的光路通道，采集冠层反射光谱，交替完成每个观测对象太阳入射光谱和冠层反射光谱的数据采集，得到时序光谱观测数据；其中，观测过程中，还包括对所述光谱观测系统的光谱仪积分时间进行优化，所述光谱观测系统根据优化后的所述光谱仪积分时间对太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱进行观测，并采集所述光谱仪积分时间对应的暗电流数据；
[0011]根据所述辐射定标系数和所述暗电流数据对所述光谱观测数据进行数据处理，得到太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值；
[0012]根据太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值，并行反演各观测对象的生理和结构时序表型参数。
[0013]可选地，通过并行获取不同观测对象的冠层反射光谱，反演获取各观测对象的生理和结构时序表型参数；生理参数的反演包括荧光反演；荧光反演包括：采用光谱拟合方法反演荧光F，将ρ和F用多项式模型表达，冠层反射的辐亮度L表示为：
[0014][0015]式中ρ
MOD
(λ)和F
MOD
(λ)分别是在相应的波段反射率和荧光的数学表达式，L
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(λ)表示观测的冠层反射光谱的辐亮度，E(λ)为太阳入射光谱的辐亮度，ε(λ)表示每个波段观测值和拟合值的残差项；通过最小二乘解线性方程组，得到ρ
MOD
(λ)和F
MOD
(λ)，从而计算得到F和ρ；
[0016]结构参数反演包括植被反射率指数反演，所述植被反射率指数包括归一化植被指数NDVI、植被近红外指数NIRv、比值植被指数RVI、宽动态范围植被指数WDRVI、MERIS陆地叶绿素指数MTCI；NDVI、NIRv、RVI、WDRVI、MTCI的计算如下所示：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022]式中，ρ
nir
、ρ
red
、ρ
735.75
、ρ
708.75
、ρ
681.25
分别为近红外波段、红光波段、波长735.75nm、波长708.75nm、波长681.25nm的反射率；α为降低近红外贡献的系数。
[0023]本申请公开了以下技术效果：
[0024]本申请提供了一种农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，利用自动高光谱观测系统按时序获取农作物高通量光谱数据，提供了一种连续反演农作物冠层表型参数的方法。本申请通过多光路复用器，交替获取太阳入射光谱和冠层反射光谱，同时在一个观测循环中并行获取所有观测对象的光谱数据，保证在短时间内完成多目标的自动周期性观测，降低观测行为对观测目标的人为干扰和多目标观测周期内的时间差异，可得到时间序列的高通量结构和生理表型。通过融合结构和生理表型参数可以提升对作物在不同环境条件下长势的全面认知，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，其特征在于，包括：搭建光谱观测系统，并对所述光谱观测系统进行辐射定标，得到辐射定标系数；所述光谱观测系统包括依次连接的光谱仪和多光路复用器；所述光谱仪仅包括一个光路入口，通过单芯光纤与所述多光路复用器的出口连接，所述多光路复用器包括若干个并行的光路入口，观测过程中，所述多光路复用器仅打开一个光路入口；所述多光路复用器的每个所述光路入口上均装配有预设长度的光纤，所述光纤一端与所述多光路复用器的光路入口连接；各所述光纤中的一根光纤的另一端连接有余弦校正器，所述余弦校正器垂直向上安装，用于收集太阳入射光谱；所述多光路复用器的其余若干个光路通道分别用于获取不同点位的农作物冠层反射光谱；针对每个观测对象，首先采集太阳入射光谱，然后将多光路复用器切换至对应观测对象的冠层反射光谱的光路通道，采集冠层反射光谱，交替完成每个观测对象太阳入射光谱和冠层反射光谱的数据采集，得到时序光谱观测数据；其中，观测过程中，还包括对所述光谱观测系统的光谱仪积分时间进行优化，所述光谱观测系统根据优化后的所述光谱仪积分时间对太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱进行观测，并采集所述光谱仪积分时间对应的暗电流数据；根据所述辐射定标系数和所述暗电流数据对所述光谱观测数据进行数据处理，得到太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值；根据太阳入射光谱和不同点位的农作物冠层反射光谱的辐亮度值，并行反演各观测对象的生理和结构时序表型参数。2.根据权利要求1所述的农作物生理和结构表型参数多任务并行的自动观测方法，其特征在于，通过并行获取不同观测对象...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永光，张乾，吴霖升，张小康，金时超，吴云飞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：