逐日平臺搭載作物生長信息傳感器效果檢驗與評估

唐普傳， 張美娜， 孫傳亮， 吳 茜， 曹 靜， 梁萬杰， 張偉欣， 葛道闊，曹宏鑫， 劉乃森， 張文宇， 王 瀟,4， 李百明， 吳金愷， 吉書雯， 朱星月

(1.江蘇大學農業工程學院，江蘇鎮江212013；2.江蘇省農業科學院農業信息研究所/農業數字孿生聯合實驗室/種質資源創新與信息化利用聯合實驗室，江蘇南京210014；3.淮陰師范學院/江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心/江蘇省環洪澤湖生態農業生物技術重點實驗室/江蘇省洪澤湖藍藻預警與生態修復工程研究中心，江蘇淮安223300；4.南京農業大學工學院，江蘇南京210031)

作物生長信息快速無損監測是實現作物生長定量診斷與動態調控的前提，是農業生產精確定量、減肥減藥、提質增效的技術保障和必要手段[1-2]。近年來，迫切的生產需求推動了作物光譜監測相關儀器快速發展，基于無人機、機器人等[3-4]技術，光譜成像、葉綠素熒光成像等多種高新技術的智能化、小型化、集成化作物生長監測儀器被廣泛研制[5-7]。然而，鑒于成本低、適應性強等特性，定制光譜波段的便攜式作物生長監測儀器[8-9]仍是生產應用的主流。

根據光源不同，基于光譜的作物生長監測儀器可分為主動光源和被動光源兩類[10-11]。主動光源一般為LED燈、鹵鎢燈等[12-13]，其強度、光質等與自然光存在一定差異，且易發生光衰，或能耗和發熱量較大。被動光源作物生長監測儀器以太陽為光源[14-15]，通過測量并計算入射太陽輻射和作物反射輻射的比值得到反射率，進而反演作物生長信息。這類設備成本較低且光源強勁，能獲取更完整的光譜信息。然而，由于被動光源作物生長信息傳感器感光面存在一定程度的鏡面反射，太陽高度角變化會影響光線入射角度和透射強度。由菲涅爾定律可知，當太陽高度角較低時，入射輻射傳感器將反射更多的陽光，進入傳感器的光能減少，進而導致反射率測量誤差波動較大，影響作物監測的準確性。為降低太陽高度角的影響，試驗人員通常在正午前后進行作物反射率測量，這種方式雖然可有效提升采樣精度，但同時也大大縮短了傳感器有效工作時間，且工作時段往往溫度較高，測量環境較為惡劣。許多設備通過白板校準的方式降低太陽高度角影響，如使用ASD光譜儀時，間隔約5～10 min需用白板校準1次。該方式能有效降低太陽高度角的影響，但校準較為耗時、繁瑣，且田間環境下白板表面不易保持潔凈，引入了新的干擾因素，也會降低測量準確性。也有學者分別從硬件和算法等方面開展攻關，如美國METER公司研制的SRS-PRI光化學反射指數測量儀[16]，通過手動調節上端生長傳感器，改變太陽光的入射角度，使其感光面大致向陽，進而降低太陽高度角的影響。Li等[17]研究了作物冠層結構和觀測時間對反射率測量的影響，針對不同的地理位置和季節，使用不同地觀測角度，進而降低太陽高度角的影響。倪軍等[18]使用余弦校正器建立對日傳感器光學標定方程，將測量時間范圍拓寬到10：30-15：00，最大相對誤差可控制在3%以內。上述研究一定程度上降低了入射光角度對反射率測量的影響，但仍未能完全解決太陽高度角變化導致被動光源作物監測設備采樣誤差較大、有效工作時間短的問題。

通過自動追蹤太陽使入射輻射傳感器始終正對太陽是解決上述問題的有效方法。筆者團隊借鑒國內外太陽能領域逐日方法[19-24]，通過簡化硬件設計、優化逐日算法，設計了一種簡單、便攜、快速響應的光電式雙軸逐日平臺[25]。本研究通過設計逐日試驗、標準反射率灰度板和作物冠層反射率檢測試驗，檢驗平臺的逐日精度，評估逐日平臺延長作物生長信息傳感器有效工作時間和提高作物反射率測量精度的效果。

1 材料和方法

1.1 逐日平臺消除太陽高度角影響反射率測量的原理

被動光源作物生長監測儀器通常由上下端輻射傳感器組成(圖1)。其中，上端輻射傳感器測量入射太陽輻射強度，下端輻射傳感器測量作物反射輻射強度，并由公式(1)計算作物反射率。由于作物冠層可近似為朗伯面，因此下端輻射傳感器測量的作物反射輻射相對穩定，不受太陽高度角影響。而當太陽高度角較低時(圖1a)，上端輻射傳感器感光面鏡面反射增多，透射進入傳感器的輻射變少，導致較大的反射率測量誤差。僅當太陽光垂直照射上端輻射傳感器感光面時(圖1b)，測量的入射輻射最為接近真實值。因此，筆者團隊前期研制了逐日平臺，通過保持上端輻射傳感器感光面始終正對太陽，消除太陽高度角對反射率測量的影響。

(1)

式中，ρ表示作物特定波段的光譜反射率，Er表示作物反射輻射能量，Ei表示入射太陽輻射能量。

a：太陽高度角較低時太陽光照射上端輻射傳感器感光面；b：太陽光垂直照射上端輻射傳感器感光面。圖1 太陽高度角對作物反射率測量的影響示意圖Fig.1 Schematic diagram for the effect of solar altitude angle on crop reflectance measurement

1.2 逐日平臺和光譜傳感器

1.2.1 逐日平臺介紹 團隊前期自主研發的逐日平臺如圖2所示。該平臺采用光電式雙軸逐日，通過檢測空間不同方位的光照度，使用構建的逐日運動控制算法[26]計算裝置水平方向和豎直方向偏離太陽的角度，實現快速、準確的太陽追蹤。逐日平臺主要包括雙軸驅動系統、天空光采集系統和作物生長信息傳感器搭載平臺三部分。雙軸驅動系統在水平和豎直方向調整天空光采集系統的位姿，進而使其頂面正對太陽。天空光采集系統的外形設計為正四棱臺結構，其內腔安裝光電傳感器以測量不同方向的太陽輻射；底部安裝控制系統電路板，通過內置Wi-Fi模塊接收客戶端的指令。作物生長傳感器搭載模塊可拆卸、替換，以固定不同外形的多種作物生長信息傳感器且使其感光面與逐日平臺頂面平行。

圖2 逐日平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the solar tracking platform

1.2.2 作物生長信息傳感器介紹 本研究使用江蘇省農業科學院與淮陰師范學院聯合研發的作物生長信息傳感器[27](圖3)測量作物冠層光譜反射率，測量的波段為710 nm和870 nm。使用伸縮桿將其置于作物冠層上方，待設備穩定后，通過手機App發送采集命令即可進行反射率測量。該傳感器具有自平衡(傳感器的中軸線始終保持在豎直方向)、簡單、便攜、抗雜散光干擾和無線通信等特點。

a：入射輻射傳感器；b：反射輻射傳感器。圖3 一種可保持自平衡的作物生長信息傳感器Fig.3 Crop growth information sensor capable of maintaining self-balance

1.3 試驗方法

為驗證逐日平臺的性能及使用效果，分別進行逐日準確性試驗、標準反射率灰度板檢測對比試驗和作物反射率檢測對比試驗。試驗于2021年在江蘇省農業科學院本部試驗農場(118°52′1″E，32°2′17″N)，選擇晴朗無云無風或微風天氣，8：00-17：00時間段內進行。

1.3.1 逐日準確性試驗 試驗利用反向驗證法比較逐日平臺水平方向和豎直方向的逐日準確性。首先，通過客戶端發送指令控制雙軸驅動系統調整水平和豎直方向逐步正對太陽，并將正對太陽時的逐日姿態作為初始位置。然后，水平方向和豎直方向以4°為步距調整逐日平臺使其偏離太陽，并記錄偏離角度。每次調整完畢后，客戶端立即發送逐日指令使逐日平臺自動追蹤太陽，并記錄自動回調的角度。最后，通過對比偏離角度和回調角度驗證逐日準確性，并根據逐日平臺發出與完成自動逐日指令的時間點計算耗時。每個偏離角度重復測量3次。

1.3.2 標準反射率灰度板檢測對比試驗 本試驗以標準反射率灰度板為檢測對象，一是直接使用作物生長信息傳感器測量反射率(圖4a)，二是使用逐日平臺搭載上端輻射傳感器使其正對太陽測量反射率(圖4b)。標準灰度板反射率分別為10%、20%、40%和60%，基本涵蓋待測作物反射率范圍。試驗時，下端輻射傳感器感光面和標準反射率灰度板上表面距離約20 cm。通過比較不同時間點作物生長信息傳感器直接測量反射率和逐日平臺搭載上端輻射傳感器測量反射率，檢驗使用逐日平臺測量反射率時消除太陽高度影響的效果。每小時測定1次，每次測定3次重復。

a：不使用逐日平臺；b：使用逐日平臺。圖4 測量標準反射率灰度板試驗場景Fig.4 Experimental scene of measuring the reflectivity by reflectance standards

1.3.3 作物反射率檢測對比試驗 本試驗以油菜幼苗為檢測對象，直接使用作物生長信息傳感器測量油菜幼苗反射率以及逐日平臺搭載作物生長信息傳感器的上端輻射傳感器測量油菜幼苗反射率，進而驗證逐日平臺的實際使用效果，試驗時每小時測定1次，每次測定3次重復。首先，直接使用作物生長信息傳感器測量油菜反射率(圖5a)；然后，取下上端輻射傳感器放置在逐日平臺的搭載臺上，保持作物生長信息傳感器下端輻射傳感器采樣姿態不變，再次測量油菜反射率(圖5b)。交替采樣耗時約1～2 min，在此期間太陽高度角和方向角變化較小，光照度和太陽位置變化可忽略不計。

2 結果與分析

2.1 逐日平臺逐日準確性與效率

逐日平臺水平和豎直方向實際偏離角度和自動回調角度的關系如圖6所示。結果顯示，水平方向逐日平均絕對誤差為0.592°，相關系數為0.991；豎直方向逐日平均絕對誤差為0.470°，相關系數為0.994。根據指令發出和逐日執行完畢的時間間隔，計算逐日總耗時為3～5 s。結果表明逐日平臺能夠快速、準確地使上端輻射傳感器感光面正對太陽。影響逐日耗時的主要因素：一是逐日開始時水平和豎直方向偏離太陽角度的大小，偏離太陽的角度越大，驅動部分耗時越長；二是當天空光光照度變化較快時(如多云天氣)，逐日平臺自動增益放大電路會智能調整光電轉化倍數(光弱時，增大放大倍數；光強時，降低放大倍數)，這一特性提升了信噪比，保證了測量準確性，但也略微增加了耗時。

a：不使用逐日平臺；b：使用逐日平臺。圖5 測量油菜反射率試驗場景Fig.5 Experimental scene of measuring rapeseed reflectivity

a:水平方向；b:豎直方向。MAD：平均絕對誤差；r：相關系數；RMSE：均方根誤差；RRMSE：相對均方根誤差。圖6 逐日平臺水平和豎直方向實際偏離太陽角度和自動回調角度1∶1圖Fig.6 The 1∶1 diagram between the actual deviation from sun and automatic callback angle in horizontal and vertical directions for the solar tracking platform

2.2 標準反射率灰度板測量情況對比分析

作物生長信息傳感器測量標準灰度板710 nm波段反射率對比試驗結果如表1所示。結果表明，在8：00-17：00時間段內，作物生長信息傳感器直接測量標準灰度板反射率隨時間呈“U”字型變化(圖7)，絕對誤差在0.31%至62.10%變化，標準差在15.75%至23.70%變化；在11：00-13：00時間段內，反射率絕對誤差在0.15%至3.46%變化，波動幅度為3.31%；在10：00-11：00、13：00-14：00時間段內，反射率測量絕對誤差在0.31%至10.27%變化；其他時間段，測量反射率絕對誤差可達60.00%以上。而使用逐日裝置后，整個8：00-17：00時段內，反射率隨時間無明顯“U”型變化，絕對誤差在0.06%至2.53%變化，絕對誤差幅度為2.47%，標準差在0.56%至1.77%變化。相比之下，使用逐日裝置后，在8：00-17：00內，作物生長信息傳感器測量標準灰度板710 nm波段反射率絕對誤差由62.10%降至2.53%以內，標準差由15.75%～23.70%降至0.56%～1.77%。

作物生長信息傳感器測量標準灰度板870 nm波段反射率對比試驗結果如表2、圖8所示。在8：00-17：00時間段內，作物生長信息傳感器直接測量標準灰度板反射率絕對誤差在0.13%至69.14%變化，標準差在17.10%至25.88%變化；在11：00-13：00時間段內，反射率絕對誤差在0.13%至4.00%變化，波動幅度為3.87%；在10：00-11：00、13：00-14：00時間段內，測量反射率絕對誤差在1.18%至13.88%變化；其他時間段，測量反射率絕對誤差可達65.00%以上。而使用逐日裝置搭載作物生長信息傳感器測量標準灰度板反射率，在8：00-17：00內，反射率絕對誤差僅在0.02%至2.27%變化，絕對誤差波動幅度為2.25%，標準差在0.60%至1.75%變化。使用逐日裝置后，在8：00-17：00，作物生長信息傳感器測量標準灰度板870 nm波段反射率絕對誤差由69.14%降至2.27%，標準差由17.10%～25.88%降至0.60%～1.75%。

表1 標準灰度板710 nm波段反射率測量結果

a:8：00;b:9：00;c:10：00;d:11：00;e:12：00;f:13：00;g:14：00;h:15：00;i:16：00;j:17：00;k:18：00。圖7 使用和未使用逐日平臺情況下710 nm波段反射率日變化Fig.7 Daily variation of reflectance at 710 nm band with and without the solar tracking platform

表2 標準灰度板870 nm波段反射率測量結果

綜上所述，作物生長信息傳感器測量標準灰度板反射率對比試驗結果表明，作物生長信息傳感器直接測量標準灰度板反射率，僅在11：00-13：00時間段內，反射率采樣誤差較小，其他時間段絕對誤差可達60.00%；而使用逐日裝置后，在8：00-17：00時間段內，710 nm和870 nm波段反射率絕對誤差波動幅度降至2.53%以內，作物生長信息傳感器測量反射率的穩定性和準確性顯著提高。

a:8：00;b:9：00;c:10：00;d:11：00;e:12：00;f:13：00;g:14：00;h:15：00;i:16：00;j:17：00;k:18：00。圖8 使用和未使用逐日平臺情況下870 nm波段反射率日變化Fig.8 Daily variation of reflectance at 870 nm band with and without the solar tracking platform

2.3 使用逐日裝置后油菜反射率變化對比分析

使用和未使用逐日裝置的情況下作物生長信息傳感器測量油菜反射率對比試驗結果如表3所示，日反射率變化趨勢如圖9所示。其中，作物生長信息傳感器直接測量油菜冠層反射率在8：00-17：00時間段內，710 nm波段反射率在29.64%至84.90%變化，波動幅度為55.26%，標準差為19.96%；870 nm波段反射率在50.02%至100.00%變化(100.00%表示反射率測量達到飽和)，波動幅度為49.98%，標準差為18.83%；僅在10：00-14：00時間段內采樣值較為穩定，710 nm波段反射率在29.64%至37.81%變化，波動幅度為8.17%；870 nm波段反射率在50.02%至56.55%變化，波動幅度為6.53%。而作物生長信息傳感器使用逐日裝置后，在整個8：00-17：00時段內，710 nm波段反射率為27.80%～29.76%，波動幅度為1.96%，標準差為0.53%；870 nm波段反射率為45.41%～50.13%，波動幅度為4.72%，標準差為1.55%。

表3 油菜冠層710 nm和870 nm波段反射率測量結果

a:8：00;b:9：00;c:10：00;d:11：00;e:12：00;f:13：00;g:14：00;h:15：00;i:16：00;j:17：00;k:18：00。圖9 油菜冠層光譜反射率日變化Fig.9 Daily variation of spectral reflectance for rapeseed canopy

結果表明，作物生長信息傳感器使用逐日裝置測量油菜冠層反射率穩定性和準確性顯著提升，延長傳感器日采樣時間1倍以上。其中，在8：00-17：00時間段內，作物生長信息傳感器使用逐日裝置后，710 nm波段波動幅度由55.26%以上降至1.96%，標準差由19.96%降至0.53%；870 nm波段波動幅度由49.98%以上降至4.72%，標準差由18.83%降至1.55%。

3 討論

作物反射率測量越準確，其生長定量診斷和動態調控就越精準。現有的被動光源作物生長監測設備，因光學元件屬性限制，一般僅在正午前后太陽高度角變化較小時具有較高的穩定性，嚴重限制了作物生長監測設備的使用效率。為降低太陽高度對測量的影響，科研人員一般選擇10：00-14：00或11：00-13：00測量作物光譜反射率，該時段采樣窗口期短，尤其夏日溫度較高，戶外采樣難度較大。也有學者采取數學和物理等[16-17]不同方式的輔助手段，在一定程度上提升了作物反射率測量的準確性，但穩定性和持續性均有待提升。使上端輻射傳感器的感光面始終正對太陽，保持入射角為0°是較為理想的解決方案。

逐日設備應用于作物生長監測領域尚未見報道。目前常用的2種太陽位置追蹤方式中，視日運行軌跡追蹤方式理論上逐日精度較高[28-29]，但需根據時間、地理信息等計算太陽實時位置，對系統初始方位、安裝精度和使用環境要求較高，導致硬件結構較為復雜，實際使用中逐日算法精度穩定性較差。光電追蹤方式雖因感光元件受空間雜散光影響，理論上逐日算法精度較視日運行軌跡追蹤方式偏低，但其對設備安裝初始方位無嚴格要求，逐日算法無需額外輸入變量，成本低且裝置簡單、便攜，田間適用性更強。針對基于被動光源的便攜式作物生長信息監測設備需在田間頻繁移動觀測的特性，本研究采用更為高效的光電式雙軸追蹤方式，通過天空光采集裝置密封設計以及構建精確高效的逐日算法，實現田間環境下快速、準確的太陽位置追蹤。

試驗結果顯示，本研究使用的逐日平臺能顯著提升作物生長信息傳感器反射率測量準確性，大幅降低全天時間內作物反射率測量波動，為被動光源作物生長監測設備提供了一種有效提高測量準確性和穩定性的解決方案。此外，根據試驗觀測，有直射光存在時，逐日平臺搭載被動光源生長監測儀器均可有效進行作物光譜反射率測量，日采樣和測量時間較目前常用的僅正午前后測量時間延長了1倍以上，有利于獲取充足的樣本數據，極大地提高作物生長信息傳感器的使用效率。此外，本研究驗證的逐日平臺也可搭載其他作物生長信息傳感器，具有較好的擴展性。

4 結論

本研究結果表明，逐日平臺追蹤太陽的平均偏離角度小于1°，追蹤太陽準確性高，響應時間為3～5 s，滿足作物生長信息傳感器采樣的實際應用需求。使用逐日平臺后，8：00-17：00內，作物生長信息傳感器測量710 nm和870 nm波段作物反射率的波動幅度分別由55.26%、49.98%降至1.96%、4.72%，標準差由19.96%、18.83%降至0.53%、1.55%，顯著降低了太陽高度角變化對作物冠層反射率測量的影響，提升了采樣準確性和穩定性。相比于現有被動光源作物生長信息傳感器通常在10：00-14：00測量作物冠層反射率，使用逐日平臺后，延長了傳感器日有效工作時間1倍以上，設備使用率得到顯著的提升。