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AZ-R0810野外光谱在线观测系统

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1 引言
自从20世纪80年代起光谱分析技术以数据量大、分辨率高、连续性强的优点广泛应用于资源调查、地质调查、大气监测、灾害环境监测、土壤调查、城市环境调查、水文观测等领域,取得了较好的应用结果和经济效益。鉴于光谱技术的独特性能,特别是在地表物质的识别与分类、有用信息的提取等方面与其它技术相比有较大优势,使得这一技术在植被的精细分类、农作物的长势监测与估产、农作物病虫害监测、作物品质监测和农田水肥状况的分析方面展现出巨大的应用前景。
目前在研究水稻、玉米、小麦、棉花、烟草等作物的光谱特征时多采用便携式、瞬时测量技术上,越来越多的研究需要大田实时、在线的光谱数据,减少人为操作限制带来的数据偏差。
2 观测系统的设计
2.1 目的

作物对太阳辐射的吸收和反射与作物的色素、水分、碳、氮相关。通过监测、分析叶片和冠层的光谱特征,度量作物的生物量和生长状况、叶绿素含量、冠层结构、光合作用对入射光的利用效率;估算叶片生化组分、籽粒品质、纤维素和木质素干燥状态的碳含量;估测植被中与胁迫性相关的色素、植被冠层中水分含量、重金属污染程度等。野外光谱在线观测系统不仅能自动、在线观测叶片、冠层尺度的实时光谱数据,还需要能自动远程传输数据,及时汇集样点数据,得到景观或区域尺度的光谱特征,提高反演卫片的时空分辨率。
2.2观测点布设
在不同类型烟草、不同烤烟品种、不同氮、磷、钾施用量处理的冠层上布设传感器测量叶片和冠层的反射。传感器可以水平排列如图1,也可在一个弧面上,如图2。

传感器的测量面积与传感器安装位置与冠层的距离有关,特殊的设计使得传感器的散射角满足研究的要求,通常1.8米高度=0.5平米 面积。
测量透射
光时,传感器可放置在上部、中部、下部叶片附近。
 
                                                          

                                             

2.3采样频率
AZ-R8010 野外光谱在线观测系统可每10ms采集一次光谱数据,也可按用户的要求设定采样间隔,如每10分钟、30分钟,每小时等。光谱数据自动存储在数据采集器中。数据采集器实时将数据通过GPRS发送到远程的数据服务器ENVIdata,用户可在www.ecodata.cn 网站上查看系统运行状态、下载数据。无论用户在哪里,只要能上网,用户可随时查看测点的数据。同时, 数据服务器ENVIdata也可通过邮件,自动将数据发送到用户指定的邮箱。

2.4 观测内容
AZ-R0810野外光谱在线观测系统测量植被紫外、紫蓝、绿、红橙、可见光、近红外、红外、远红外光谱数据及透射、总辐射,还可测量紫外指数和用户指定的波段光谱。Ecograph 软件计算宽带绿度指数,宽带绿度指数常用于植被物候发育的研究,土地利用和气候影响评估,植被生产力建模等。

2.5系统组成及技术指标
AZ-R0810野外光谱在线观测系统由数据采集、全光谱光传感器、ENVIdata数据服务器、Ecograph软件组成。全天候野外自动测量和记录叶片、冠层的光谱数据, 
  技术指标:
数据采集器:通道:5-15个普通模拟输入通道,12脉冲输入通道,12个数字通道;可扩展
最大采样速度:25Hz;U盘存储;自动发送数据的GPRS模块。
光谱范围:紫外、紫蓝、绿、红橙、可见光、近红外、红外、远红外,总辐射、紫外指数
ENVIdata数据服务器:数据推送模式,实时在线、自动远程采集数据。
Ecograph软件:计算归一化植被指数、比值植被指数、增强植被指数、大气阻抗植被指数、绿波段总和指数
3数据处理
通过对AZ-R0810 系统采集的光谱数据进行分析,可得到如下信息:
1) 植被的光谱特性及其影响因素
2) 通过分析光谱与作物叶片生化组分的相关关系,筛选出一些与作物品质显著相关的光谱参量,建立了相应的光谱诊断模型
3) 在叶面积指数、叶片产量、生化品质指标变化的基础上,通过大量光谱参量的相关分析,建立作物生长指标和主要化学品质指标的冠层光谱预测模型
4) Ecograph 软件可自动计算归一化植被指数、比值植被指数、增强植被指数、大气阻抗植被指数
、绿波段总和指数,为反演卫片提供基础数据。

4 应用案例
4.1 光对植物生长的影响

位于英国Wales州的草地和环境研究所(IGER)在遗传、育种、生理、农学和植物、微生物生态学方面处于世界领先水平,为了维护其领先地位,在研究人工环境下的植物长势项目中,采用了自动控制的人工气候室及AZ-R0810系统中的光传感器。
光传感器用于控制和监测中等、低温两个气候室内的光强。两个PAR传感器并列放置,一个用于控制光强,另一个与数采连接,自动连续测量、记录实际的光强。

4.2 野外植被生长
HERB 项目(Hydrology Ecology and Regional Biodiversity of Colombian Montane Forests)是英国伦敦皇家学院、哥伦比亚环境部、热带农业研究中心和数个哥伦比亚研究机构的合作项目,该项目采用野外监测系统、GIS 和计算机模型研究热带山地雾林(TMCF)生态系统的结构和功能。
该项目采用AZ-R0810中的光传感器器,按小时采集如下参数:总辐射(入射和反射)、红外/远红外(入射和反射)、入射蓝光、入射PAR及温湿度

4.3 日光波长监测
韩国国家作物研究所采用两日光波长监测系统研究不用颜色的遮棚对高丽参生长的影响。
每套系统包括系类传感器,覆盖UV、可见光、近红外波段。所有的光传感器安装在高丽参的高度,一套系统安装在红色遮棚下,另一套安装在蓝色遮棚下,数采自动全天记录光强、同时记录空气温湿度和土壤温度。
光传感器的波段:一个4通道光传感器的波段:400-480nm, 480-560nm,560-650nm,645-760nm,另一个4通道光传感器的波段:760-850nm,850-950nm,950-1050nm, 400-1050nm, UVA,UVB, PAR, 总辐射。


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