El analizador de corona vegetal es una herramienta importante en la investigación agrícola y ecológica de precisión para medir los parámetros de la estructura de la Corona vegetal (como el índice de superficie foliar lai, la cobertura de la corona, la transmisión de luz, etc.). Su función central es capturar la distribución de la radiación óptica de la Corona a través de sensores ópticos e invertir las características morfológicas de las plantas en combinación con modelos matemáticos. Para garantizar la precisión y fiabilidad de los resultados de la medición, la calibración es un eslabón clave en el uso del instrumento. A continuación se detalla el principio de calibración, la clasificación del método, el proceso de operación y las precauciones.

I. objetivos y principios básicos de la calibración

1. objetivos básicos

El objetivo de la calibración es eliminar los errores propios del instrumento, las interferencias ambientales y las desviaciones de la hipótesis del modelo, para que los valores medidos coincidan con los valores reales. Específicamente, incluye:

Estandarización de la respuesta del sensor: garantizar la consistencia de la salida del sensor en diferentes momentos y entornos.

Corrección de parámetros geométricos: eliminar la influencia del ángulo de visión del instrumento, la distancia, el ángulo de inclinación y otros factores en la medición.

- Optimización de los parámetros del modelo: ajuste de los parámetros hipotéticos en el algoritmo de inversión (como la distribución del ángulo de la hoja, las características de dispersión de la luz).

Compensación de factores ambientales: corregir la interferencia de las condiciones ambientales como la temperatura, la humedad y la presión atmosférica en la propagación de la luz.

2. principios básicos

El analizador de corona invierte los parámetros estructurales detectando la distribución de la intensidad de la radiación óptica por encima y dentro de la corona, combinada con el modelo de transmisión de radiación (como la Ley Beer - lambert). La esencia de la calibración es establecer una relación de mapeo cuantitativo entre "salida del instrumento - cantidad física", que generalmente requiere los siguientes pasos:

- calibración por radiación: conversión de la señal original del sensor (por ejemplo, voltaje, valor de recuento) a una cantidad física (por ejemplo, densidad de flujo de radiación, en unidades W / m2 o μmol / S / m2).

Corrección geométrica: eliminar el impacto de la distancia entre el instrumento y la Corona y la desviación del ángulo en el camino óptico.

Verificación del modelo: ajuste el algoritmo de inversión utilizando objetivos de referencia de parámetros conocidos (como placas reflectantes estándar, coronas simuladas manualmente).

II. clasificación de los métodos de calibración y ruta técnica

1. calibración de laboratorio

La calibración básica del instrumento en un entorno controlable incluye:

- calibración por radiación

Utilizando fuentes de luz estándar (como lámparas halógenas de tungsteno, bolas integrales led) o medidores de potencia láser para cubrir el rango espectral sensible del instrumento (como la luz visible de 400 - 700 nm), se establece una relación lineal entre la salida del sensor y la intensidad de la radiación incidente. Por ejemplo, la curva de corrección se ajusta a través de la entrada de varios grupos de intensidades de radiación estándar (por ejemplo, 0 - 2000 μmol / S / m2).

Verificación de la insensibilidad del ángulo

Prueba la consistencia de la respuesta del sensor a la luz de diferentes ángulos de incidencia. Al girar la dirección de la fuente de luz, se garantiza que el error de medición del instrumento dentro del ángulo de campo de visión de ± 60 ° sea inferior al 5%.

- compensación de temperatura / presión atmosférica

Simular un entorno especial (como - 20 ° C a 50 ° c) en una caja de prueba de alta y baja temperatura, registrar la cantidad de deriva de la salida del sensor y establecer un modelo de corrección de temperatura - salida.

2. calibración in situ

Corregir la interferencia ambiental y la desviación del modelo en el escenario de aplicación real, incluyendo principalmente:

- método del panel de referencia

Utilizando como referencia paneles estándar de alta reflectividad (como spectralon, reflectividad superior al 98%), colocándolos a la misma altura por encima de la corona, midiendo simultáneamente la radiación reflejada por el panel y la radiación transmitida por la corona, y calculando la transmitancia de la corona. Por ejemplo, si el valor de reflexión del panel es R y el valor de transmisión de la Corona es t, la transmitancia real = T / R × 100%.

- método de oclusión de dos capas (método de blindaje de dos capas)

Instalar un filtro neutro con una transmitancia de luz conocida frente al sensor (como una transmitancia del 50%) y corregir la respuesta no lineal del sensor comparando los valores medidos con / sin filtros.

- método de la Corona de simulación artificial

Construir una corona artificial de Lai conocida (como colgar una placa de malla con densidad conocida o una tela de sombreado con poros controlables), introducir el modelo para calcular los valores teóricos y optimizar el algoritmo de inversión en comparación con los valores medidos.

3. calibración del modelo

Para la optimización de parámetros del modelo de transmisión de radiación, los métodos comunes incluyen:

- ajuste de la distribución del ángulo de la hoja

Suponiendo que la inclinación de la hoja obedezca una distribución específica (como una distribución uniforme de la esfera y una distribución elíptica), los parámetros reales de distribución del ángulo de la hoja se extrapolan midiendo la transmisión de luz bajo diferentes ángulos de altura solar.

Corrección de dispersión de la luz

Introducir los valores medidos de reflectividad (p) y transmisibilidad (tau) de las hojas para reemplazar los valores empíricos predeterminados del modelo (como P = 0,05, Tau = 0,02) y mejorar la precisión de cálculo de las coronas complejas (como la vegetación de varias capas).

3. ejemplo del proceso de operación de calibración

Tomando como ejemplo el analizador portátil de corona de ojos de pez, el proceso de calibración típico es el siguiente:

1. fase de preprocesamiento

- calentamiento del sensor: espere 30 minutos después de arrancar para asegurarse de que el sensor fotoeléctrico entre en un Estado de funcionamiento estable.

- lente de limpieza: limpie la lente óptica con un paño sin polvo para evitar manchas anormales de luz causadas por polvo o agua.

2. calibración por radiación

- Paso 1: alinear el instrumento con la fuente de luz esférica integral estándar y establecer diferentes intensidades de radiación (por ejemplo, 0, 500, 1000, 1500 μmol / S / m2).

- Paso 2: registrar el valor de contador original del sensor (dn) y ajustar la ecuación lineal de intensidad de radiación DN (por ejemplo, DN = k × Radio + b).

Paso 3: guarde los parámetros de calibración en la memoria del instrumento y llame automáticamente a la medición posterior.

3. corrección geométrica

- Paso 1: marque el punto de fijación en el suelo plano y ajuste la altura del instrumento (por ejemplo, 1,2 m) y el ángulo vertical.

- Paso 2: girar el soporte del instrumento, recoger la imagen del punto del cielo cada 15 ° y calcular la desviación estándar del valor gris de los píxeles en cada Dirección.

- paso 3: si la desviación de un ángulo supera el umbral (por ejemplo ± 5%), ajuste el ángulo de inclinación de la lente y repita la prueba.

4. verificación in situ

- Paso 1: seleccionar áreas de vegetación homogénea (como los pequeños campos de trigo) y colocar la placa estándar de spectralon (0,5 m x 0,5 m).

- Paso 2: medir la radiación reflejada de la placa estándar (r) y la radiación transmitida de la cubierta vegetal adyacente (t), respectivamente.

- paso 3: calcular la transmitancia real de la luz = T / R × 100%, en comparación con la medición directa del instrumento, el error debe controlarse dentro de ± 3%.

5. optimización del modelo

- Paso 1: introduzca el valor Lai conocido de la Corona simulada manualmente (como 3.5).

- Paso 2: ejecutar el algoritmo de inversión del instrumento, comparar el valor calculado con el valor medido y ajustar los parámetros de reflectividad de la hoja (por ejemplo, de 0,05 a 0,07).

- paso 3: repetir la prueba hasta que el rmse (error de raíz cuadrada promedio) sea inferior a 0,2.

IV. precauciones y cuestiones comunes

1. precauciones clave

- estabilidad ambiental: evite la calibración en días de viento fuerte, lluvia o cambios drásticos de la luz, se recomienda elegir días soleados de 9: 00 a 15: 00.

Mantenimiento regular: comprobar la limpieza de la lente después de cada uso y realizar una calibración de radiación una vez al mes.

- Registro de condiciones límite: registro detallado de la temperatura, humedad, ángulo de altura solar en el momento de la calibración para la corrección posterior de los datos.

2. soluciones a problemas típicos

- Pregunta 1: las mediciones siguen siendo altas

Causa: acumulación de polvo en el sensor o envejecimiento del filtro.

Solución: limpiar la lente o reemplazar el filtro y volver a calibrar.

- Pregunta 2: las mediciones varían mucho de una fecha a otra

Razón: no se considera el impacto de los cambios en el ángulo de altura del sol en el camino óptico.

Solución: activar la función de compensación del ángulo solar incorporada al instrumento o fijar el tiempo de medición.

- Pregunta 3: mutación de la transmisión de luz bajo una corona densa

Razón: la distribución aleatoria de las hojas asumida por el modelo no coincide con la situación real.

Solución: utilice una lente de ojo de pez de alta resolución (como 10 millones de píxeles) para mejorar la resolución espacial y refinar el análisis estructural local.