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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(diǎn)廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、大氣監(jiān)測(cè)、災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤調(diào)查、城市環(huán)境調(diào)查、水文觀測(cè)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)的獨(dú)特性能，特別是在地表物質(zhì)的識(shí)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(shì)，使得這一技術(shù)在植被的精細(xì)分類、農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)、作物品質(zhì)監(jiān)測(cè)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(shí)多采用便攜式、瞬時(shí)測(cè)量技術(shù)上，越來越多的研究需要大田實(shí)時(shí)、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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 目的

作物對(duì)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(cè)、分析葉片和冠層的光譜特征，度量作物的生物量和生長(zhǎng)狀況、葉綠素含量、冠層結(jié)構(gòu)、光合作用對(duì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)不僅能自動(dòng)、在線觀測(cè)葉片、冠層尺度的實(shí)時(shí)光譜數(shù)據(jù)，還需要能自動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，及時(shí)匯集樣點(diǎn)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(shí)空分辨率。

2.2觀測(cè)點(diǎn)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(cè)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(gè)弧面上，如圖2。

傳感器的測(cè)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(jì)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(cè)量透射光時(shí)，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(cè)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(shí)等。光譜數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集器中。數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)查看測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)， 數(shù)據(jù)服務(wù)器ENVIdata也可通過郵件，自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶指定的郵箱。

2.4 觀測(cè)內(nèi)容

AZ-R0810野外光譜在線觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(cè)量紫外指數(shù)和用戶指定的波段光譜。Ecograph 軟件計(jì)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(píng)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(cè)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(dòng)測(cè)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(gè)普通模擬輸入通道，12脈沖輸入通道，12個(gè)數(shù)字通道；可擴(kuò)展

**采樣速度：25Hz；U盤存儲(chǔ)；自動(dòng)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(shí)時(shí)在線、自動(dòng)遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。

Ecograph軟件：計(jì)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(duì)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(zhǎng)指標(biāo)和主要化學(xué)品質(zhì)指標(biāo)的冠層光譜預(yù)測(cè)模型

4） Ecograph 軟件可自動(dòng)計(jì)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(duì)植物生長(zhǎng)的影響

位于英國(guó)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(zhǎng)勢(shì)項(xiàng)目中，采用了自動(dòng)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(cè)中等、低溫兩個(gè)氣候室內(nèi)的光強(qiáng)。兩個(gè)PAR傳感器并列放置，一個(gè)用于控制光強(qiáng)，另一個(gè)與數(shù)采連接，自動(dòng)連續(xù)測(cè)量、記錄實(shí)際的光強(qiáng)。

4.2 野外植被生長(zhǎng)

HERB 項(xiàng)目（Hydrology Ecology and Regional Biodiversity of Colombian Montane Forests）是英國(guó)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(gè)哥倫比亞研究機(jī)構(gòu)的合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GIS 和計(jì)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(xiàng)目采用AZ-R0810中的光傳感器器，按小時(shí)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(zhǎng)監(jiān)測(cè)

韓國(guó)國(guó)家作物研究所采用兩日光波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究不用顏色的遮棚對(duì)高麗參生長(zhǎng)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(dòng)全天記錄光強(qiáng)、同時(shí)記錄空氣溫濕度和土壤溫度。

光傳感器的波段：一個(gè)4通道光傳感器的波段：400-480nm， 480-560nm，560-650nm，645-760nm，另一個(gè)4通道光傳感器的波段：760-850nm，850-950nm，950-1050nm， 400-1050nm， UVA，UVB， PAR， 總輻射。