L'analyseur de canopée végétale est un outil important dans la recherche en agriculture de précision et en écologie pour mesurer les paramètres structurels de la canopée végétale (tels que l'indice de surface foliaire lai, la couverture de la canopée, la transmission de la lumière, etc.). Sa fonction principale est de capturer la distribution du rayonnement lumineux de la canopée grâce à des capteurs optiques, combinés à des modèles mathématiques pour inverser les caractéristiques morphologiques des plantes. Pour assurer la précision et la fiabilité des résultats de mesure, l'étalonnage est un maillon essentiel de l'utilisation de l'instrument. Ce qui suit est détaillé en termes de principes d'étalonnage, de classification des méthodes, de processus opérationnels et de considérations.

I. Objectifs et principes fondamentaux de l'étalonnage

1. Objectifs fondamentaux

L'objectif de l'étalonnage est d'éliminer les erreurs propres à l'instrument, les interférences environnementales et les biais d'hypothèse du modèle afin que les valeurs mesurées correspondent aux valeurs réelles. Notamment:

- normalisation de la réponse du capteur: assure la cohérence de la sortie du capteur à différents moments et dans différents environnements.

- correction des paramètres géométriques: élimination de l'influence de facteurs tels que l'angle de vue de l'instrument, la distance, l'angle d'inclinaison, etc. sur la mesure.

- Optimisation des paramètres du modèle: ajustement des paramètres hypothétiques dans l'algorithme d'inversion (par exemple, distribution angulaire des feuilles, propriétés de diffusion de la lumière).

- compensation des facteurs environnementaux: correction des perturbations de la propagation de la lumière par les conditions environnementales telles que la température, l'humidité, la pression atmosphérique, etc.

2. Principes de base

Les Analyseurs de canopée inversent les paramètres structurels en explorant la distribution de l'intensité du rayonnement lumineux au - dessus et à l'intérieur de la canopée, en combinaison avec un modèle de transmission du rayonnement tel que la loi de Beer - Lambert. L'essence de l'étalonnage est d'établir une relation de cartographie quantitative entre la « sortie de l'instrument - grandeur physique», qui nécessite généralement les étapes suivantes:

- dimensionnement radiatif: convertit le signal brut du capteur (par exemple, tension, valeur de comptage) en une grandeur physique (par exemple, densité de flux radiatif en W / m² ou μmol / S / m²).

- correction géométrique: élimination de la distance entre l'instrument et la Couronne, de l'influence des écarts angulaires sur le chemin optique.

- validation du modèle: ajustement de l'algorithme d'inversion avec des cibles de référence pour des paramètres connus (par exemple, plaques réfléchissantes standard, canopées simulées artificiellement).

II. Classification des méthodes d’étalonnage et itinéraires techniques

1. Calibration en laboratoire

L'étalonnage de base de l'instrument dans un environnement contrôlable comprend:

- marquage des radiations

À l'aide d'une source lumineuse standard (p. ex., lampe au tungstène halogéné, sphère d'intégration à LED) ou d'un compteur de puissance laser couvrant la plage spectrale sensible de l'instrument (p. ex., lumière visible de 400 à 700 nm), on établit une relation linéaire entre la sortie du capteur et l'intensité du rayonnement incident. Par exemple, la courbe de correction est ajustée à l'aide de plusieurs ensembles d'entrées d'intensité de rayonnement standard, par exemple 0 - 2000 μmol / S / m².

- vérification de l'insensibilité angulaire

Testez la cohérence de la réponse du capteur à différents angles d'incidence de lumière. Assurez - vous que l'instrument a une erreur de mesure inférieure à 5% dans un angle de champ de ± 60° en tournant la direction de la source lumineuse.

- compensation température / pression atmosphérique

Simuler des environnements spéciaux (par exemple - 20 ℃ à 50 ℃) dans une Chambre d'essai à haute et basse température, enregistrer la quantité de dérive de sortie du capteur, établir un modèle de correction de température - sortie.

2. Calibration sur site

Correction des perturbations environnementales et des écarts de modèle dans des scénarios d'application pratiques, notamment:

Méthode du panneau de référence (reference Panel Method)

Utilisez un panneau standard à haute réflectivité (tel que spectralon, réflectivité > 98%) comme référence, placez - le à la même hauteur au - dessus de la canopée, mesurez le rayonnement réfléchi par le panneau de manière synchrone par rapport au rayonnement transmis par la canopée, calculez la transmittance de la canopée. Par exemple, si la valeur de réflexion du panneau est r₀ et la valeur de transmission de la Couronne est t, la transmission lumineuse réelle = T / r₀ × 100%.

Méthode d'occlusion à deux couches (Two - layer Shielding Method)

Un filtre neutre de transmittance connue (par exemple, transmittance de 50%) est chargé devant le capteur pour corriger la réponse non linéaire du capteur en comparant les mesures avec / sans la Feuille de filtre.

- simulation artificielle de la méthode de la canopée

Construire une couronne artificielle d'un lai connu (comme accrocher une plaque de maille de densité connue ou un tissu occultant de porosité contrôlée), entrer dans le modèle pour calculer les valeurs théoriques, optimiser l'algorithme d'inversion par rapport aux valeurs mesurées.

3. Calibration du modèle

Pour l'optimisation paramétrique des modèles de transport radiatif, les méthodes courantes comprennent:

- ajustement de la distribution angulaire des feuilles

En supposant que l'inclinaison des feuilles obéit à une distribution spécifique (par exemple, distribution uniforme de la sphère, distribution elliptique), les paramètres réels de distribution de l'angle des feuilles sont inversés en mesurant la transmittance de la lumière à différents angles d'altitude solaire.

- correction de la diffusion de la lumière

L'introduction de mesures de réflectivité foliaire (ρ) et de transmittance (τ), qui remplacent les valeurs empiriques par défaut du modèle (p. ex., ρ = 0,05, τ = 0,02), améliore la précision des calculs dans les cimes complexes (p. ex., végétation multicouche).

Iii. Exemples de processus d'opération d'étalonnage

Prenez l'analyseur de canopée fisheye portable comme exemple, le processus d'étalonnage typique est le suivant:

1. Phase de prétraitement

- préchauffage du capteur: Attendez 30 minutes après la mise sous tension pour vous assurer que le capteur photoélectrique entre dans un état de fonctionnement stable.

- nettoyer la lentille: essuyez la lentille optique avec un chiffon sans poussière pour éviter les taches de poussière ou d'eau qui causent des anomalies de tache.

2. Marquage par rayonnement

- Étape 1: Alignez l'instrument sur une source lumineuse à bille intégrée standard, réglez différentes intensités de rayonnement (par exemple 0, 500, 1000, 1500 μmol / S / m²).

- Étape 2: enregistrez la valeur de comptage brute (DN) du capteur, Ajustez l'équation linéaire DN - intensité du rayonnement (par exemple DN = K × Radiance + b).

- Étape 3: enregistrez les paramètres d'étalonnage dans la mémoire de l'instrument, les mesures ultérieures sont appelées automatiquement.

3. Correction géométrique

- Étape 1: marquez les points fixes sur un sol plat, ajustez la hauteur de l'instrument (par exemple 1,2 m) et l'angle vertical.

- Etape 2: rotation du support de l'instrument, acquisition d'une image SPOT du ciel tous les 15°, calcul de l'écart type des valeurs de niveaux de gris des pixels dans chaque direction.

Étape 3: si un écart angulaire dépasse le seuil (par exemple ± 5%), Ajustez l'angle de tangage de la lentille et répétez le test.

4. Vérification sur place

- Étape 1: Sélectionnez une zone de végétation homogène (par exemple, un champ de blé), placez une plaque standard spectralon (0,5 m × 0,5 m).

- Étape 2: mesurer séparément le rayonnement réfléchi par la plaque standard (r₀) et le rayonnement transmis par le couvert végétal adjacent (t).

- Étape 3: calculer la transmission lumineuse réelle = T / r₀ × 100% par rapport à la mesure directe de l'instrument, l'erreur doit être contrôlée à ± 3%.

5 optimisation du modèle

- Étape 1: Entrez la valeur lai connue (par exemple 3,5) de la Couronne simulée artificiellement.

- Étape 2: exécutez l'algorithme d'inversion de l'instrument, comparez les valeurs calculées avec les valeurs mesurées, Ajustez les paramètres de réflectivité de la lame (par exemple, Ajustez de 0,05 à 0,07).

- Étape 3: répétez le test jusqu'à ce que le rmse (erreur quadratique moyenne) soit inférieur à 0,2.

Iv. Précautions et questions fréquemment posées

1. Principales considérations

- stabilité de l'environnement: Évitez l'étalonnage en cas de vent fort, de pluie ou de changement de lumière intense, il est recommandé de choisir les jours ensoleillés de 9: 00 à 15: 00.

- entretien régulier: vérifier la propreté de la lentille après chaque utilisation et effectuer une radiométrie mensuelle.

- enregistrement des conditions aux limites: enregistrement détaillé de la température, de l'humidité, de l'angle d'altitude solaire au moment de l'étalonnage pour la correction ultérieure des données.

2. Solutions typiques aux problèmes

- problème 1: les valeurs mesurées restent élevées

Causes: accumulation de poussière dans le capteur ou vieillissement du filtre.

Solution: nettoyez la lentille ou Remplacez le filtre, réajustez l'échelle.

- Question 2: les résultats des mesures varient considérablement d'une date à l'autre

Cause: l'effet des variations angulaires de l'altitude du soleil sur le chemin optique n'a pas été pris en compte.

Solution: activez la fonction de compensation d'angle solaire intégrée à l'instrument ou fixez le temps de mesure.

- problème 3: mutation de la transmittance lumineuse sous la canopée dense

Cause: la distribution aléatoire des feuilles supposée par le modèle ne correspond pas à la réalité.

Solution: utilisez une lentille fisheye haute résolution (par exemple 10 mégapixels) pour améliorer la résolution spatiale et affiner la résolution structurelle locale.