逐日平臺(tái)搭載作物生長(zhǎng)信息傳感器效果檢驗(yàn)與評(píng)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(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所/農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/種質(zhì)資源創(chuàng)新與信息化利用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210014；3.淮陰師范學(xué)院/江蘇省區(qū)域現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省洪澤湖藍(lán)藻預(yù)警與生態(tài)修復(fù)工程研究中心，江蘇淮安223300；4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)

作物生長(zhǎng)信息快速無損監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)定量診斷與動(dòng)態(tài)調(diào)控的前提，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精確定量、減肥減藥、提質(zhì)增效的技術(shù)保障和必要手段[1-2]。近年來，迫切的生產(chǎn)需求推動(dòng)了作物光譜監(jiān)測(cè)相關(guān)儀器快速發(fā)展，基于無人機(jī)、機(jī)器人等[3-4]技術(shù)，光譜成像、葉綠素?zé)晒獬上竦榷喾N高新技術(shù)的智能化、小型化、集成化作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器被廣泛研制[5-7]。然而，鑒于成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，定制光譜波段的便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器[8-9]仍是生產(chǎn)應(yīng)用的主流。

根據(jù)光源不同，基于光譜的作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器可分為主動(dòng)光源和被動(dòng)光源兩類[10-11]。主動(dòng)光源一般為L(zhǎng)ED燈、鹵鎢燈等[12-13]，其強(qiáng)度、光質(zhì)等與自然光存在一定差異，且易發(fā)生光衰，或能耗和發(fā)熱量較大。被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器以太陽為光源[14-15]，通過測(cè)量并計(jì)算入射太陽輻射和作物反射輻射的比值得到反射率，進(jìn)而反演作物生長(zhǎng)信息。這類設(shè)備成本較低且光源強(qiáng)勁，能獲取更完整的光譜信息。然而，由于被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)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(huì)影響光線入射角度和透射強(qiáng)度。由菲涅爾定律可知，當(dāng)太陽高度角較低時(shí)，入射輻射傳感器將反射更多的陽光，進(jìn)入傳感器的光能減少，進(jìn)而導(dǎo)致反射率測(cè)量誤差波動(dòng)較大，影響作物監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。為降低太陽高度角的影響，試驗(yàn)人員通常在正午前后進(jìn)行作物反射率測(cè)量，這種方式雖然可有效提升采樣精度，但同時(shí)也大大縮短了傳感器有效工作時(shí)間，且工作時(shí)段往往溫度較高，測(cè)量環(huán)境較為惡劣。許多設(shè)備通過白板校準(zhǔn)的方式降低太陽高度角影響，如使用ASD光譜儀時(shí)，間隔約5～10 min需用白板校準(zhǔn)1次。該方式能有效降低太陽高度角的影響，但校準(zhǔn)較為耗時(shí)、繁瑣，且田間環(huán)境下白板表面不易保持潔凈，引入了新的干擾因素，也會(huì)降低測(cè)量準(zhǔn)確性。也有學(xué)者分別從硬件和算法等方面開展攻關(guān)，如美國(guó)METER公司研制的SRS-PRI光化學(xué)反射指數(shù)測(cè)量?jī)x[16]，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)上端生長(zhǎng)傳感器，改變太陽光的入射角度，使其感光面大致向陽，進(jìn)而降低太陽高度角的影響。Li等[17]研究了作物冠層結(jié)構(gòu)和觀測(cè)時(shí)間對(duì)反射率測(cè)量的影響，針對(duì)不同的地理位置和季節(jié)，使用不同地觀測(cè)角度，進(jìn)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(duì)日傳感器光學(xué)標(biāo)定方程，將測(cè)量時(shí)間范圍拓寬到10：30-15：00，最大相對(duì)誤差可控制在3%以內(nèi)。上述研究一定程度上降低了入射光角度對(duì)反射率測(cè)量的影響，但仍未能完全解決太陽高度角變化導(dǎo)致被動(dòng)光源作物監(jiān)測(cè)設(shè)備采樣誤差較大、有效工作時(shí)間短的問題。

通過自動(dòng)追蹤太陽使入射輻射傳感器始終正對(duì)太陽是解決上述問題的有效方法。筆者團(tuán)隊(duì)借鑒國(guó)內(nèi)外太陽能領(lǐng)域逐日方法[19-24]，通過簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、優(yōu)化逐日算法，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、便攜、快速響應(yīng)的光電式雙軸逐日平臺(tái)[25]。本研究通過設(shè)計(jì)逐日試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板和作物冠層反射率檢測(cè)試驗(yàn)，檢驗(yàn)平臺(tái)的逐日精度，評(píng)估逐日平臺(tái)延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)信息傳感器有效工作時(shí)間和提高作物反射率測(cè)量精度的效果。

1 材料和方法

1.1 逐日平臺(tái)消除太陽高度角影響反射率測(cè)量的原理

被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)量入射太陽輻射強(qiáng)度，下端輻射傳感器測(cè)量作物反射輻射強(qiáng)度，并由公式(1)計(jì)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(cè)量的作物反射輻射相對(duì)穩(wěn)定，不受太陽高度角影響。而當(dāng)太陽高度角較低時(shí)(圖1a)，上端輻射傳感器感光面鏡面反射增多，透射進(jìn)入傳感器的輻射變少，導(dǎo)致較大的反射率測(cè)量誤差。僅當(dāng)太陽光垂直照射上端輻射傳感器感光面時(shí)(圖1b)，測(cè)量的入射輻射最為接近真實(shí)值。因此，筆者團(tuán)隊(duì)前期研制了逐日平臺(tái)，通過保持上端輻射傳感器感光面始終正對(duì)太陽，消除太陽高度角對(duì)反射率測(cè)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(shí)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(duì)作物反射率測(cè)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(tái)和光譜傳感器

1.2.1 逐日平臺(tái)介紹 團(tuán)隊(duì)前期自主研發(fā)的逐日平臺(tái)如圖2所示。該平臺(tái)采用光電式雙軸逐日，通過檢測(cè)空間不同方位的光照度，使用構(gòu)建的逐日運(yùn)動(dòng)控制算法[26]計(jì)算裝置水平方向和豎直方向偏離太陽的角度，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的太陽追蹤。逐日平臺(tái)主要包括雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、天空光采集系統(tǒng)和作物生長(zhǎng)信息傳感器搭載平臺(tái)三部分。雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水平和豎直方向調(diào)整天空光采集系統(tǒng)的位姿，進(jìn)而使其頂面正對(duì)太陽。天空光采集系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)為正四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔安裝光電傳感器以測(cè)量不同方向的太陽輻射；底部安裝控制系統(tǒng)電路板，通過內(nèi)置Wi-Fi模塊接收客戶端的指令。作物生長(zhǎng)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(zhǎng)信息傳感器且使其感光面與逐日平臺(tái)頂面平行。

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

1.2.2 作物生長(zhǎng)信息傳感器介紹 本研究使用江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與淮陰師范學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的作物生長(zhǎng)信息傳感器[27](圖3)測(cè)量作物冠層光譜反射率，測(cè)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(shè)備穩(wěn)定后，通過手機(jī)App發(fā)送采集命令即可進(jìn)行反射率測(cè)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(jiǎn)單、便攜、抗雜散光干擾和無線通信等特點(diǎn)。

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(zhǎng)信息傳感器Fig.3 Crop growth information sensor capable of maintaining self-balance

1.3 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證逐日平臺(tái)的性能及使用效果，分別進(jìn)行逐日準(zhǔn)確性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)和作物反射率檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)于2021年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院本部試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(118°52′1″E，32°2′17″N)，選擇晴朗無云無風(fēng)或微風(fēng)天氣，8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。

1.3.1 逐日準(zhǔn)確性試驗(yàn) 試驗(yàn)利用反向驗(yàn)證法比較逐日平臺(tái)水平方向和豎直方向的逐日準(zhǔn)確性。首先，通過客戶端發(fā)送指令控制雙軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整水平和豎直方向逐步正對(duì)太陽，并將正對(duì)太陽時(shí)的逐日姿態(tài)作為初始位置。然后，水平方向和豎直方向以4°為步距調(diào)整逐日平臺(tái)使其偏離太陽，并記錄偏離角度。每次調(diào)整完畢后，客戶端立即發(fā)送逐日指令使逐日平臺(tái)自動(dòng)追蹤太陽，并記錄自動(dòng)回調(diào)的角度。最后，通過對(duì)比偏離角度和回調(diào)角度驗(yàn)證逐日準(zhǔn)確性，并根據(jù)逐日平臺(tái)發(fā)出與完成自動(dòng)逐日指令的時(shí)間點(diǎn)計(jì)算耗時(shí)。每個(gè)偏離角度重復(fù)測(cè)量3次。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn) 本試驗(yàn)以標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板為檢測(cè)對(duì)象，一是直接使用作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量反射率(圖4a)，二是使用逐日平臺(tái)搭載上端輻射傳感器使其正對(duì)太陽測(cè)量反射率(圖4b)。標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率分別為10%、20%、40%和60%，基本涵蓋待測(cè)作物反射率范圍。試驗(yàn)時(shí)，下端輻射傳感器感光面和標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板上表面距離約20 cm。通過比較不同時(shí)間點(diǎn)作物生長(zhǎng)信息傳感器直接測(cè)量反射率和逐日平臺(tái)搭載上端輻射傳感器測(cè)量反射率，檢驗(yàn)使用逐日平臺(tái)測(cè)量反射率時(shí)消除太陽高度影響的效果。每小時(shí)測(cè)定1次，每次測(cè)定3次重復(fù)。

a：不使用逐日平臺(tái)；b：使用逐日平臺(tái)。圖4 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.4 Experimental scene of measuring the reflectivity by reflectance standards

1.3.3 作物反射率檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn) 本試驗(yàn)以油菜幼苗為檢測(cè)對(duì)象，直接使用作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量油菜幼苗反射率以及逐日平臺(tái)搭載作物生長(zhǎng)信息傳感器的上端輻射傳感器測(cè)量油菜幼苗反射率，進(jìn)而驗(yàn)證逐日平臺(tái)的實(shí)際使用效果，試驗(yàn)時(shí)每小時(shí)測(cè)定1次，每次測(cè)定3次重復(fù)。首先，直接使用作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)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(tái)的搭載臺(tái)上，保持作物生長(zhǎng)信息傳感器下端輻射傳感器采樣姿態(tài)不變，再次測(cè)量油菜反射率(圖5b)。交替采樣耗時(shí)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(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 逐日平臺(tái)逐日準(zhǔn)確性與效率

逐日平臺(tái)水平和豎直方向?qū)嶋H偏離角度和自動(dòng)回調(diào)角度的關(guān)系如圖6所示。結(jié)果顯示，水平方向逐日平均絕對(duì)誤差為0.592°，相關(guān)系數(shù)為0.991；豎直方向逐日平均絕對(duì)誤差為0.470°，相關(guān)系數(shù)為0.994。根據(jù)指令發(fā)出和逐日?qǐng)?zhí)行完畢的時(shí)間間隔，計(jì)算逐日總耗時(shí)為3～5 s。結(jié)果表明逐日平臺(tái)能夠快速、準(zhǔn)確地使上端輻射傳感器感光面正對(duì)太陽。影響逐日耗時(shí)的主要因素：一是逐日開始時(shí)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(qū)動(dòng)部分耗時(shí)越長(zhǎng)；二是當(dāng)天空光光照度變化較快時(shí)(如多云天氣)，逐日平臺(tái)自動(dòng)增益放大電路會(huì)智能調(diào)整光電轉(zhuǎn)化倍數(shù)(光弱時(shí)，增大放大倍數(shù)；光強(qiáng)時(shí)，降低放大倍數(shù))，這一特性提升了信噪比，保證了測(cè)量準(zhǔn)確性，但也略微增加了耗時(shí)。

a：不使用逐日平臺(tái)；b：使用逐日平臺(tái)。圖5 測(cè)量油菜反射率試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Experimental scene of measuring rapeseed reflectivity

a:水平方向；b:豎直方向。MAD：平均絕對(duì)誤差；r：相關(guān)系數(shù)；RMSE：均方根誤差；RRMSE：相對(duì)均方根誤差。圖6 逐日平臺(tái)水平和豎直方向?qū)嶋H偏離太陽角度和自動(dòng)回調(diào)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(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板測(cè)量情況對(duì)比分析

作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板710 nm波段反射率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，在8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率隨時(shí)間呈“U”字型變化(圖7)，絕對(duì)誤差在0.31%至62.10%變化，標(biāo)準(zhǔn)差在15.75%至23.70%變化；在11：00-13：00時(shí)間段內(nèi)，反射率絕對(duì)誤差在0.15%至3.46%變化，波動(dòng)幅度為3.31%；在10：00-11：00、13：00-14：00時(shí)間段內(nèi)，反射率測(cè)量絕對(duì)誤差在0.31%至10.27%變化；其他時(shí)間段，測(cè)量反射率絕對(duì)誤差可達(dá)60.00%以上。而使用逐日裝置后，整個(gè)8：00-17：00時(shí)段內(nèi)，反射率隨時(shí)間無明顯“U”型變化，絕對(duì)誤差在0.06%至2.53%變化，絕對(duì)誤差幅度為2.47%，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板710 nm波段反射率絕對(duì)誤差由62.10%降至2.53%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差由15.75%～23.70%降至0.56%～1.77%。

作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板870 nm波段反射率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖8所示。在8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率絕對(duì)誤差在0.13%至69.14%變化，標(biāo)準(zhǔn)差在17.10%至25.88%變化；在11：00-13：00時(shí)間段內(nèi)，反射率絕對(duì)誤差在0.13%至4.00%變化，波動(dòng)幅度為3.87%；在10：00-11：00、13：00-14：00時(shí)間段內(nèi)，測(cè)量反射率絕對(duì)誤差在1.18%至13.88%變化；其他時(shí)間段，測(cè)量反射率絕對(duì)誤差可達(dá)65.00%以上。而使用逐日裝置搭載作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率，在8：00-17：00內(nèi)，反射率絕對(duì)誤差僅在0.02%至2.27%變化，絕對(duì)誤差波動(dòng)幅度為2.25%，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板870 nm波段反射率絕對(duì)誤差由69.14%降至2.27%，標(biāo)準(zhǔn)差由17.10%～25.88%降至0.60%～1.75%。

表1 標(biāo)準(zhǔn)灰度板710 nm波段反射率測(cè)量結(jié)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(tái)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(biāo)準(zhǔn)灰度板870 nm波段反射率測(cè)量結(jié)果

綜上所述，作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，作物生長(zhǎng)信息傳感器直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射率，僅在11：00-13：00時(shí)間段內(nèi)，反射率采樣誤差較小，其他時(shí)間段絕對(duì)誤差可達(dá)60.00%；而使用逐日裝置后，在8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)，710 nm和870 nm波段反射率絕對(duì)誤差波動(dòng)幅度降至2.53%以內(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量反射率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(tái)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(duì)比分析

使用和未使用逐日裝置的情況下作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量油菜反射率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，日反射率變化趨勢(shì)如圖9所示。其中，作物生長(zhǎng)信息傳感器直接測(cè)量油菜冠層反射率在8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)，710 nm波段反射率在29.64%至84.90%變化，波動(dòng)幅度為55.26%，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量達(dá)到飽和)，波動(dòng)幅度為49.98%，標(biāo)準(zhǔn)差為18.83%；僅在10：00-14：00時(shí)間段內(nèi)采樣值較為穩(wěn)定，710 nm波段反射率在29.64%至37.81%變化，波動(dòng)幅度為8.17%；870 nm波段反射率在50.02%至56.55%變化，波動(dòng)幅度為6.53%。而作物生長(zhǎng)信息傳感器使用逐日裝置后，在整個(gè)8：00-17：00時(shí)段內(nèi)，710 nm波段反射率為27.80%～29.76%，波動(dòng)幅度為1.96%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.53%；870 nm波段反射率為45.41%～50.13%，波動(dòng)幅度為4.72%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.55%。

表3 油菜冠層710 nm和870 nm波段反射率測(cè)量結(jié)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(jié)果表明，作物生長(zhǎng)信息傳感器使用逐日裝置測(cè)量油菜冠層反射率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性顯著提升，延長(zhǎng)傳感器日采樣時(shí)間1倍以上。其中，在8：00-17：00時(shí)間段內(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器使用逐日裝置后，710 nm波段波動(dòng)幅度由55.26%以上降至1.96%，標(biāo)準(zhǔn)差由19.96%降至0.53%；870 nm波段波動(dòng)幅度由49.98%以上降至4.72%，標(biāo)準(zhǔn)差由18.83%降至1.55%。

3 討論

作物反射率測(cè)量越準(zhǔn)確，其生長(zhǎng)定量診斷和動(dòng)態(tài)調(diào)控就越精準(zhǔn)?，F(xiàn)有的被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，因光學(xué)元件屬性限制，一般僅在正午前后太陽高度角變化較小時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，嚴(yán)重限制了作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用效率。為降低太陽高度對(duì)測(cè)量的影響，科研人員一般選擇10：00-14：00或11：00-13：00測(cè)量作物光譜反射率，該時(shí)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(xué)者采取數(shù)學(xué)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(cè)量的準(zhǔn)確性，但穩(wěn)定性和持續(xù)性均有待提升。使上端輻射傳感器的感光面始終正對(duì)太陽，保持入射角為0°是較為理想的解決方案。

逐日設(shè)備應(yīng)用于作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尚未見報(bào)道。目前常用的2種太陽位置追蹤方式中，視日運(yùn)行軌跡追蹤方式理論上逐日精度較高[28-29]，但需根據(jù)時(shí)間、地理信息等計(jì)算太陽實(shí)時(shí)位置，對(duì)系統(tǒng)初始方位、安裝精度和使用環(huán)境要求較高，導(dǎo)致硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)際使用中逐日算法精度穩(wěn)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(yùn)行軌跡追蹤方式偏低，但其對(duì)設(shè)備安裝初始方位無嚴(yán)格要求，逐日算法無需額外輸入變量，成本低且裝置簡(jiǎn)單、便攜，田間適用性更強(qiáng)。針對(duì)基于被動(dòng)光源的便攜式作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)設(shè)備需在田間頻繁移動(dòng)觀測(cè)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(shè)計(jì)以及構(gòu)建精確高效的逐日算法，實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境下快速、準(zhǔn)確的太陽位置追蹤。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，本研究使用的逐日平臺(tái)能顯著提升作物生長(zhǎng)信息傳感器反射率測(cè)量準(zhǔn)確性，大幅降低全天時(shí)間內(nèi)作物反射率測(cè)量波動(dòng)，為被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了一種有效提高測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的解決方案。此外，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，有直射光存在時(shí)，逐日平臺(tái)搭載被動(dòng)光源生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器均可有效進(jìn)行作物光譜反射率測(cè)量，日采樣和測(cè)量時(shí)間較目前常用的僅正午前后測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)了1倍以上，有利于獲取充足的樣本數(shù)據(jù)，極大地提高作物生長(zhǎng)信息傳感器的使用效率。此外，本研究驗(yàn)證的逐日平臺(tái)也可搭載其他作物生長(zhǎng)信息傳感器，具有較好的擴(kuò)展性。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，逐日平臺(tái)追蹤太陽的平均偏離角度小于1°，追蹤太陽準(zhǔn)確性高，響應(yīng)時(shí)間為3～5 s，滿足作物生長(zhǎng)信息傳感器采樣的實(shí)際應(yīng)用需求。使用逐日平臺(tái)后，8：00-17：00內(nèi)，作物生長(zhǎng)信息傳感器測(cè)量710 nm和870 nm波段作物反射率的波動(dòng)幅度分別由55.26%、49.98%降至1.96%、4.72%，標(biāo)準(zhǔn)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(duì)作物冠層反射率測(cè)量的影響，提升了采樣準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。相比于現(xiàn)有被動(dòng)光源作物生長(zhǎng)信息傳感器通常在10：00-14：00測(cè)量作物冠層反射率，使用逐日平臺(tái)后，延長(zhǎng)了傳感器日有效工作時(shí)間1倍以上，設(shè)備使用率得到顯著的提升。