本发明专利技术涉及一种机载式作物氮素信息高密度无损采集方法，属于作物生产技术领域。主要包括采用作物氮素信息传感变送器采集作物冠层叶片氮素信息、采用随动自适应平衡调节器自动调整保持传感变送器在适宜采集的姿态、采用可调悬挂支架悬挂并调节传感变送器使之处于适宜采集的位置和方位、采用作物氮素信息无线接收器接收和存储发自传感变送器的氮素信息。机载式作物氮素信息连续采集方法能够实现以机械化的作业方式高密度获取大范围农田的“面”上信息，是目前实际生产中迫切需要的较适用的农业信息装备。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机载式作物氮素信息采集方法，属于作物生产
，是基于 作物冠层反射光谱的机械化、高密度、无损快捷地获取农田作物生长过程中动态实时 氮素信息的技术方法，用于精确农业。二、
技术介绍
精确农业在发达国家发展十分迅速，是农业可持续发展的重要途径。精确农业就 是依据田间作物的实际生长状况，精细准确地确定并实施生产管理措施，优化资源投 入、提高资源利用效率，改善环境，取得良好的经济和环境效益。由此可见，准确全 面和高密度地采集田间作物的实时生长信息是精确农业实施的首要条件和决策依据。田间作物信息的采集与获取方式主要包括基于便携式仪器的选点手工采集方 式、基于机载式的农机作业连续采集方式、基于多平台遥感的采集方式和基于无线传 感网络的采集方式。其中，基于便携式仪器的选点手工采集是获取农田信息的最原始 方式，该方式不仅需要消耗大量的人力，而且数据信息采集量有限，存在以"点"代 "面"的偏差，较难满足当前生产实际需求；基于遥感平台的采集技术可周期性的重 访观测，但无法实现过程观测，只能获得瞬时的空间"面"数据信息，且需要农田的 环境信息支持才能实现定量化解析；基于无线传感网络的采集方式能够自动获取农田 的多"点"信息，但难以获取大范围的"面"上信息。机载式连续采集能够以机械化 的作业方式高密度获取大范围农田的"面"上信息，是目前实际生产中迫切需要的较 适用的农业信息装备。氮素营养在作物光合生产能力中起到关键作用，它是氨基酸、蛋白质、核酸等生 命物质合成的重要组成部分，在提高作物光合作用能力、增强同化物生产等方面起着 重要作用，是影响作物生长发育、经济产量和品质形成的最主要的可调控营养元素。 因而氮肥管理成为优质、高效、高产、安全作物生产中最为重要的管理措施之一。近 IO年来，农业生产的氮肥投入量逐年增加，世界氮肥施用量增加了 14.2%。而我国是 氮肥消耗量最大的国家，近20多年间化肥用量增加了 183.1%。氮肥投入的大量增加， 致使氮肥的利用效率降低，由于土壤中的淋洗作用，氮素大部分进入地下水和地表水，造成水体污染，水资源和农田生态环境遭到破坏。作物氮素信息的机械化、高密度无 损采集是精确农业的重要技术支撑之一，其目的是为了实时掌握作物氮素营养，及时 指导氮肥的定量管理和精确投入。许多学者曾尝试利用肥料深施技术和化肥精量施播技术来提高氮肥的利用效率， 并研制了与拖拉机配套的化肥深施机和精量施肥机等。但由于缺乏田间作物的氮素营 养实时准确的信息支撑，上述机械在施肥作业时得不到有效的信息支持和指导，很难达到精准施肥和提高氮素利用率的目的。因此，相关施肥技术和机械也没有得到广泛 推广和应用。随着资源与环境问题的不断突显，如何在提高氮肥利用效率和降低生产 成本的同时减少对农业生态环境的污染，是目前迫切需要解决的问题。采用机载式作 物氮素信息高密度无损采集方法，能够借助拖拉机实现快速、全面、准确的田间作物 氮素营养信息采集，为施肥机械实施精确施肥提供实时有效的信息支持。本申请专利技术 ——""正是在这一技术背景下得到实施的。 在国外，日本研制生产了便携式叶绿素计，用于作物氮素营养的估测和指导施肥， 但在生产应用中其读数值(SPAD值)受到作物品种、生育期和生长环境等因素的影 响较大，必须建立校正曲线或改进算法以提高其诊断精度，这就需要实验室的测试配 合，不适合于机载式实时信息采集的使用；美国俄克拉荷马州立大学(Oklahoma State University)开展了机载作物冠层光谱信息采集的研究和变量精确施肥试验，但没有 涉及到机载式作物氮素信息采集方法。在国内，潘君剑等申请的专利技术专利"一种智能 农机载高光谱采集方法"(CN200410009914.0)，用于获取田间高光谱信息，未涉及 作物氮素信息的机械化采集方法；曹卫星等所获得授权的国家专利技术专利——"便携式 多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置"(ZL2007100193409)，未涉及机载式的 作物氮素营养信息采集方法。三、专利技术方案 技术问题本专利技术的目的在于提供一种适用于拖拉机田间连续作业的机载式作物氮素信息 高密度无损采集方法，能够实时高密度的采集田间作物的氮素营养信息，为实现精准 施肥提供可靠的信息支持和决策依据。技术方案(如图1)，包括采用(作物氮素信息)传感变送器采集作物冠层叶片氮素信息、采用随动自适应平衡调节器自动调整保持传 感变送器在适宜采集的姿态、采用可调悬挂支架悬挂并调节传感变送器使之处于适宜 采集的位置和方位、采用(作物氮素信息)无线接收器接收和存储发自传感变送器的 氮素信息；传感变送器通过螺钉紧固在随动自适应平衡调节器上，随动自适应平衡调 节器连接在可调悬挂支架的顶部末端，可调悬挂支架与拖拉机的底盘连接固定，无线 接收器安装在拖拉机驾驶室的仪表盘面板上，传感变送器与无线接收器之间通过无线 通讯方式实现信息数据的发送、接收和存储，其主要特征在于1)采用传感变送器采集作物氮素信息，并以无线信号发送所采集到的氮素信息； 传感变送器主要由传感器、变换器和发送器组成(图2);用传感器采集4个氮素敏 感波段的作物冠层叶片反射光谱辐射量及其相应波段的背景光谱辐射量，并将各自的 辐射量转化为相应的电信号量参数；用变换器将来自传感器的电信号量参数换算为作 物冠层叶片的氮素营养信息，并将其转化为数字信号；用发送器将来自变换器的氮素 营养信息的数字信号打包，并按照通讯协议发出无线信号；传感器采用四特征敏感波段、八通道设计(图2);每个特征敏感波段包含2个 通道，分别采集该特征敏感波段的作物冠层反射光谱辐射量及其相应波段的背景光谱 辐射量，并分别转化为相应的电信号参量五r和五w这4个氮素特征敏感波段分别为 546證、660nm、 710nm禾口 810nm;来自传感器的电信号量进入变换器，按照式(1)计算4个波段的反射率i "^i-MM^1 (i)式(1)中，X代表氮素敏感波段参数，分别为546nm、 660nm、 710nm和810nm;^为积分响应度标定系数，由室内的传感器积分响应度标定系统标定得到；fe为光学 几何修正系数，在农田采集作业前由标准白板标定后得到；变换器按照式(2)和式(3)的氮素模型计算作物叶片的氮素含量并转化为数字 信号；按照式(4)和式(5)的氮素模型计算作物叶片的氮积累量并转化为数字信号； 按照式(6)和式(7)的氮素模型计算作物的叶面积指数并转化为数字信号；節W (810,710) = ^~"^~ (2)"810 + "710氮含量LNC:丄iVC = 0.1858 xe""5x柳w (3)7Dr/(810,660) = ^810 一 A660 ( 4)氮积累量LNA:丄A^4 = 24.451 x e615""" (5)Dn(810,546) = "810 -"546 (6)叶面积指数LAI:丄J/ = 17.688 x DF/ 18581 (7)2) 采用随动自适应平衡调节器(图1)连接传感变送器，拖拉机在田间行驶作业过程中会发生倾斜和颠簸，随动自适应平衡调节器发挥随动调节作用，自动维持传感变送器处于平衡和平行于地面的姿态；随动自适应平衡调节器主要由万向球面调节 器、垂杆、垂杆套筒、紧固螺钉、平衡块本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种机载式作物氮素信息高密度无损采集方法，其特征在于， １）采用传感变送器采集作物氮素信息，并以无线信号发送所采集到的氮素信息；传感变送器主要由传感器、变换器和发送器组成；用传感器采集多个氮素敏感波段的作物冠层叶片反射光谱辐射量及其相应波段的背景光谱辐射量，并将各自的辐射量转化为相应的电信号量参数； 传感器采用四特征敏感波段、八通道设计；每个特征敏感波段包含２个通道，分别采集该特征敏感波段的作物冠层反射光谱辐射量及其相应波段的背景光谱辐射量，并分别转化为相应的电信收器发送氮素数据信息格式： 起始位 信息类型字节 氮素数据值 前五字节异或和校验码 （ｄ）无线接收器接收到传感变送器数据信息的确认格式： 起始位 主机应答命令 ０ｘＦＦ ０ｘＦＦ ０ｘＦＦ 前五字节异或和校验码。字节。号参量Ｅ↓［ｒ］和Ｅ↓［ｂ］；这４个特征敏感波段分别为５４６ｎｍ、６６０ｎｍ、７１０ｎｍ和８１０ｎｍ； 来自传感器的电信号量进入变换器，按照式（１）计算４个波段的反射率Ｒ↓［λ］， Ｒ↓［λ］＝ｋ↓［１］×ｋ↓［２］×Ｅ↓［ｒ］／Ｅ↓［ｂ］ （１） 式（１）中，λ代表氮素敏感波段参数，分别为５４６ｎｍ、６６０ｎｍ、７１０ｎｍ和８１０ｎｍ；ｋ↓［１］为积分响应度标定系数，由室内的传感器积分响应度标定系统标定得到；ｋ↓［２］为光学几何修正系数，在农田采集作业前由标准白板标定后得到； 用变换器将来自传感器的电信号量参数换算为作物冠层叶片的氮素营养信息，并将其转化为数字信号； 变换器按照式（２）和式（３）的氮素模型计算作物叶片的氮素含量并转化为数字信号；按照式（４）和式（５）的氮素模型计算作物叶片的氮积累量并转化为数字信号；按照式（６）和式（７）的氮素模型计算作物的叶面积指数并转化为数字信号； ＮＤＶＩ↓［（８１０，７１０）］＝＊＊＊ （２） 氮含量ＬＮＣ：ＬＮＣ＝０．１８５８×ｅ↑［４．０１４５×ＮＤＶＩ］（３） ＤＶＩ↓［（８１０，６６０）］＝Ｒ↓［８１０］－Ｒ↓［６６０］ （４） 氮积累量ＬＮＡ：ＬＮＡ＝２４．４５１×ｅ↑［６．１５１×ＤＶＩ］ （５） ＤＶＩ↓［（８１０，５４６）］＝Ｒ↓［８１０］－Ｒ↓［５４６］ （６） 叶面积指数ＬＡＩ：ＬＡＩ＝１７．６８８×ＤＶＩ↑［１．８５８１］ （７） 用发送器将来自变换器的...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曹卫星，徐志刚，朱艳，焦学磊，田永超，姚霞，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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