[发明专利]一种设施作物生长信息无损检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种设施作物生长信息无损检测装置和方法，属于设施作物监测技术领域。特指利用设施作物的可见光-近红外反射光谱、多光谱图像、冠层温度、冠层光照、环境温湿度和荷重传感器进行作物生长信息的无损检测，能够通过光谱、视觉图像、红外温度探测等多种无损探测技术的有机融合，结合作物生长的光照和温湿度环境监测，全方位同步获取设施作物的氮、磷、钾、水分和冠层面积、茎粗、株高、果实质量等作物生长的综合信息，通过该装置提供的信息，能够根据设施作物的生长状态和动态需求，进行水肥管理和设施环境调控。

背景技术

设施作物生长信息是指包括作物的主要营养元素水平、水分、茎果叶长势等的综合信息。

我国设施园艺总面积世界第一，其中代表设施园艺现代化水平的大型连栋温室面积的比例逐年增加。但是由于缺乏先进适用的设施作物需肥需水信息与长势信息检测系统，无法对作物的营养水份、长势信息进行全面、精确的检测和解析，无法感知和反映作物生长真实的调控要求，造成作物产量潜力没有被充分挖掘。而要获得高产优质的产品和高经济效益的回报，就必须依据作物的实际需求，通过获取一系列的作物生长信息，并对生长信息进行综合评价，根据评价结果进行水肥管理和环境调控。因此，迫切需要应用更加全面、系统、科学的作物生长信息检测装置，指导现代设施的生产运行，以提高产量，降低调控成本，减少过量施肥造成的浪费和面源污染，提高经济效益。

设施作物生长信息无损检测主要包括作物氮磷钾营养、水分等养分检测和冠层面积、茎粗、株高、植株生长速率、果实质量和生长速率等长势信息检测两个方面。由于作物营养和水分缺乏和过剩时，会引起作物叶片表面和内部组织生理特性改变，从而引起作物叶片和冠层对光谱的反射特性和图像特征发生改变。同时，作物的水分胁迫状态与其冠层温度显著相关，通过对不同饱和水汽压下冠-气温差（冠层温度与环境温度之差）变化规律的分析，可以对植株的水分信息进行无损检测。而作物的冠层面积、茎粗、株高、果实外观等长势信息也可以通过图像方法进行获取。

目前，作物营养、水分检测方面已有一些相关研究。作物营养缺乏和过剩会引起作物光谱反射特性的改变。基于这一原理，在光谱检测方面，申请号为200510088935.0的发明专利申请，公开了一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，通过检测植株叶片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断，利用对四个波长植被指数的反演来获取植物的氮素和含水率信息。申请号为200820078489.4的实用新型专利申请，公开了一种氮反射指数检测仪，利用作物叶片在两个特定波长处的光谱反射信息作为氮反射指数，进而推断作物的产量和品质。申请号为200510088935.0的发明专利申请，公开了一种植物叶片生理指标的无损检测方法，可以利用380～1100nm的光谱反射信息对叶绿素、叶黄素，氮素和水分等进行检测。在申请号为200410048127.7的发明专利申请，公开了一种基于自然光照反射光谱的黄瓜叶片含氮量预测方法，可以通过黄瓜叶片在指定波长处的光谱反射强度得出叶片的反射植被指数，进而判断其氮素水平。目前，作物营养和水分等养分信息光谱诊断的专利所涉及的研究方法，主要是利用植物叶片在某些特定波长处的光谱反射率及其组合信息对作物的营养进行检测，也就是说，通过对单个叶片的光谱反射率分析，进而推断单个植株的营养状况，并据此分析区域内植物的群体营养水平。而仅仅利用植物的叶片信息，无法充分表征整株植物的营养状态，因此，通过单个叶片来推知作物的营养水平则会造成很大的误差。因此，基于冠层水平的营养诊断方法才能真正满足需要。另外，由于光谱信息采集采用的是点源采样方式，对采样点要求较高，且易受背景和环境因素的影响，因此，仅利用作物的反射光谱信息进行营养和水分检测误差较大。