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农业及食品工业传感器运用(共 4861 字) 1 光谱遥感农作物光谱的遥感已经被深入研究,并被证明是现代农业管理的一个重要工具。农业光谱遥感是指在田野上方所得到的光谱图像,此时的入射电磁辐射通常是指阳光[1] 。当阳光照射到作物或土壤表面时,光线会被反射、吸收或透射, 这取决于光线的波长和所接触物体的特性。所接触物体的物理或化学性质的差异, 例如叶子的颜色、质地或形状, 决定了某一特殊波长的光线被反射、吸收或透射的能量多寡。农业中最常用的遥感技术是光谱反射比测量。所测定的光谱反射比(反射能量与入射能量的比值)是波长的函数[2,3] 。与波长相关的反射比曲线这一光谱特征随植物品种和条件不同而有所差异。大多数农业应用项目中所测得的电磁波的波长范围从可见光( 400~700nm )直至近红外范围( 700~2500nm )之间[1] 。研究表明这一范围内的光谱特征可以为了解作物和土壤的生理学和生物学性质提供丰富和有价值的信息[1,4,5] 。已经依据所测定的光谱反射比数据编制了某些特殊植物和农作物的光谱学指数, 用于对不同的农业状况进行研究[1,6] 。光谱仪、辐射计和数字照相机可以安装在不同的平台上,诸如地面(拖拉机或卡车) 、空中(飞机) 或太空( 卫星)等, 以收集各种数据。传感器平台移动时可进行小范围的连续测量, 接着进行数据处理并绘制相应图像[3] 。遥感结果的质量可从空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率等方面进行评估[1,3] 。空间分辨率是指在图像中可以辨认的最小区间。空间分辨率与图像的像素直接相关。光谱分辨率表达了由传感器所测定的电磁波谱线的数值和宽度。时间分辨率则表明一个传感器平台能以怎样的时间间隔提供该区域的测量数据。农业和农场管理应用所需数据的空间分辨率通常为 2~5 米,时间分辨率则为 1~3 天,以及1 个像素的地域精度和 24 小时内的农产品送货时间,同时需对大气环境的干扰, 诸如灰尘、一氧化碳、二氧化碳和臭氧等进行校正[6] 。在上一个十年中,对传感器分辨率的严苛要求极大地推动了农用传感器研发的进展[6] 。空间分辨率在很大程度上取决于传感器平台的类型。地面和空中的传感器平台可以较容易地满足田野上方空间分辨率的要求, 但成本和劳动力的花费很大。设置在太空的平台只能提供较低的分辨率,同时易受气象条件的影响,例如云层的干扰。各类传感器平台的优劣在 Scotford 等的文章中作了概括的评价[1] 。光谱遥感技术早在上世纪六十年代初已被用于农业。传统的光谱传感器采用一个多光谱成像系统, 各个平行的传感器阵列在电磁波的可见光波段至中红外波段之间分别测量少量的光谱带( 3~6 ) [2,7] 。近二十年来高光谱成像技术( hyperspectralimaging ) 的进展促进了光谱分辨率的提高。高光谱成像系统可以测量许多( 数百个) 极窄的相近光谱带,波长范围从可见、近红外、中红外直至热红外[2,3,7,8] 。由高光谱系统可以得到详尽的高分辨率光谱数据, 并可由此得到有关农作物和田地特征的详尽而精确的信息。高光谱系统产生了海量的数据。如何对数据进行解析有赖于对高光谱传感器和测定对象性质的深入了解[2,3] 。当前, 高光谱成像的研究课题包括数据处理机制、数据比对和模型建立等[9,10] 。光谱遥感已经被成功地应用于测量农作物营养状况、