СПОСОБ БЕЗДЕГРАДАЦИОННОГО ЭКСПРЕСС-ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗОТА В ЛИСТЬЯХ ЗЛАКОВ Советский патент 1996 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам определения уровня обеспеченности культурных растений азотным питанием, и может быть использовано в сельском хозяйстве для получения экспресс-информации о состоянии растений, оценки степени созревания с целью уточнения сроков уборки урожая или принятия решений о проведении дополнительной подкормки.

Цель изобретения расширение области применения способа бездеградационного экспресс-определения содержания общего азота в листьях злаков за счет обеспечения возможности определения азота в течение всего периода вегетации растений, а также дистанционного определения этого параметра.

Величина отношения амплитуд максимумов значений первой производной от спектров отражения является безразмерной и, следовательно, не требует при измерении спектров использования эталонов. Информационной основной в данном случае является не абсолютная величина сигнала, а форма кривой. Выраженная количественно, эта характеристика спектра более устойчива к условиям освещенности, что открывает возможность использования данного способа и для дистанционных измерений.

Методика получения уравнения регрессии.

Для примера рассмотрено получение уравнений регрессии для озимой пшеницы и кукурузы.

Отбирали растения озимой пшеницы с различной обеспеченностью их азотным питанием из производственных посевов. Измеряли спектры отражения листьев на спектрофотометре СФ-18 по стандартной методике. Вычисляли первую производную от функции спектрального распределения коэффициентов отражения в диапазоне длин волны 670-750 нм по формуле.

На чертеже приведены графики первой производной от спектров отражения листьев озимой пшеницы, выращенной при различных уровнях азотного питания (фаза выхода в трубку); нормальное обеспечение азотом кривая 1, недостаточность азотного питания кривая 2.

Полученное спектральное распределение значений первой производной характеризуется в области 670-750 нм наличием трех максимумов. Вычисляли отношение амплитуд первых двух максимумов l₁/l₂, где l₂ и l₁ амплитуды максимумов значений первой производной от спектров отражения листьев при 720-725 нм и 700-710 нм соответственно.

Определяли содержание общего азота в листьях химическим методом. Представляли графически значения l₂/l₁ в зависимости от величины содержания общего азота в листьях. Полученные таким образом поля точек для каждой фазы вегетации хорошо аппроксимировались линейными функциями типа Y=AX+B. Коэффициенты корреляции были не меньше 0,8 при уровне значимости 0,05.

Коэффициенты уравнения регрессии вычисляли по формулам
A
B /Y_i-AX_i/ где Y_i=N_i содержание общего азота в листьях для i-го члена выборки;
Х_i значение l₂/l₁ для i-го члена выборки;
n число измерений, равное объему выборки;
А коэффициент регрессии;
В свободный член уравнения регрессии.

Оказалось, что различия в полученных уравнениях регрессии для различных фаз касались лишь величины свободного члена.

Уравнение регрессии для определения содержания азота для всех фаз развития озимой пшеницы можно выразить в общем виде:
N=3,176 l₂/l₁+K. где K=2,10 в фазе кущения;
K 1,35 в фазе выхода в трубку;
К 0,55 в фазе от колошения до восковой спелости зерна.

Для кукурузы были получены уравнения регрессии для стадий развития 5-го, 10-го листа, а также выметывания метелки. Измерения для каждой стадии развития растений проводились на листьях одного яруса растений с различной обеспеченностью азотным питанием. Измерение спектров отражения, вычисление первой производной, определение азота, а также вычисление коэффициентов уравнений регрессии осуществляли способами, которые указаны выше для пшеницы.

Полученные таким образом уравнения регрессии, связывающие спектральный параметр l₂/l₁ с содержанием в листьях общего азота, имели одинаковый коэффициент при аргументе в уравнениях для различных стадий. Отличия так же, как и для пшеницы, касались лишь свободного члена.

В общем виде уравнение регрессии для определения азота по параметру l₂/l₁ имеет следующий вид:
N=2,666 l₂/l₁+K, где K=+2,05 в фазе 5-го листа;
-0,525 в фазе 10-го листа;
-1,045 в фазе выметывания метелки.

Сущность изобретения поясняется конкретными примерами осуществления.

П р и м е р 1. Объект озимая пшеница. Сорт Полеская-70, фаза развития кущение. Измеряли спектральное распределение коэффициентов отражения на спектрофотометре СФ-18. Получали первые производные от этих спектров в диапазоне длин волн 670-750 нм, вычисляли отношения амплитуд максимумов l₂/l₁. Полученные значения подставляли в уравнения регрессии с соответствующим для данной фазы развития растений свободным членом и рассчитывали содержание общего азота в растениях, выраженное в процентах от абсолютно сухого вещества в растениях.

Средняя величина отношения максимумов первой производной от кривой спектра отражения l₂/l₁=0,91, К=2,10; N=3,176 х l₂/l₁ + 2,10=4,98%
П р и м е р 2. Фаза вегетации выход в трубку, К=1,35.

l₂/l₁=1,01; N=3,137x1,01+1,35=4,56%
П р и м е р 3. Фазы вегетации восковая спелость, К=0,55.

l₂/l₁=0,45; N=3,176х0,45+0,55=1,98%
П р и м е р 4. Объект растения кукурузы. Фаза развития 5-го листа.

К=2,05, l₂/l₁=1,04; N=2,666x1,04+2,05=4,82%
П р и м е р 5. Объект растения кукурузы. Фаза развития 10-го листа.

К=0,525; l₂/l₁=1,54; N=2,666x1,54-0,525 3,58%
Из приведенных в табл. 1 сравнительных данных определения содержания общего азота в листьях озимой пшеницы и кукурузы по предложенному способу, способу [2] и cпособу [1] видно, что с помощью предлагаемого способа можно определять содержание азота в листьях злаков в течение всего периода вегетации растений, Абсолютная ошибка не превышала 0,5%
Поскольку значение первой производной не зависит от величин ординат исследуемых функций, а определяется только скоростью ее приращения, то очевидно, что графики функций, представляющих собой первые производные от кривых спектров отражения и спектров коэффициентов яркости, получаемых дистанционно для одного и того же образца в данном диапазоне длин волн, будут совпадать. Это открывает возможность использования уравнения, полученного нами в лабораторных условиях, для данных, измеренных в дистанционных экспериментах.

П р и м е р 6. Записывали спектральное распределение отраженного от посева света (СКЯ), измеренное с помощью спектрометра МСС-2 с борта вертолета Ка-26. Площадь захвата при этом составляла 6х100 м². Получали первые производные от кривых. Вычисляли отношения амплитуд максимумов l₂/l₁. Полученные значения подставляли в уравнение регрессии с соответствующим для данной фазы развития растений свободным членом К и рассчитывали величину содержания общего азота в растениях, выраженное в процентах от абсолютно сухого вещества растений.

Фаза вегетации растений озимой пшеницы колошение. Информацию о фазе на момент дистанционных исследований получали из сведений агрометеостанции. Среднее значение отношения максимумов первой производной от кривой спектрального распределения отраженного от посева света l₂/l₁=1,08. Вычисляем по уравнению регрессии N=3,176+1,08+0,55=3,98%
В табл. 2 проведены сравнительные данные по определению содержания общего азота по настоящему способу, способу [2] и способу [1] на основании результатов, полученных при дистанционных измерениях коэффициентов спектральной яркости.

Как следует из приведенных в табл. 2 данных, настоящий способ хорошо "работает" и для дистанционной оценки содержания азота в листьях озимой пшеницы, тогда как по способу [2] такая оценка практически невозможна, что объясняется высокой зависимостью абсолютных величин коэффициентов отражения от условий съемки (например, угла визирования), освещенности, спектрального состава света. Настоящий способ не требует использования эталона. Это упрощает процедуру дистанционных измерений и повышает тем самым эффективность использования настоящего способа для дистанционного определения содержания азота.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам распознания уровня обеспеченности злаков азотным питанием, и может быть использовано для получения экспресс-информации о состоянии растений, оценки степени созревания с целью принятия решений о проведении дополнительных подкормок или уточнения сроков уборки урожая. Цель изобретения - расширение области применения способа на все стадии развития злаков при обеспечении возможности дистанционных измерений. Новым в способе является то, что используется относительный спектральный параметр, представляющий собой отношение максимумов амплитуд первой производной от спектрального распределения коэффициентов отражения листьев растений. Предложена регрессионная зависимость, позволяющая с помощью набора свободных членов рассчитать содержание общего азота в течение всего периода вегетации растений. 1 ил. 2 табл.

Способ бездеградационного экспресс-определения азота в листьях злаков, заключающийся в том, что получают спектральную характеристику отражения листьев и определяют общее содержание азота по управлению линейной регрессии, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа на все стадии вегетации растений при обеспечении возможности дистанционных измерений, измеряют спектр отражения листьев в диапазоне длин волн 670 750 нм, вычисляют первую производную от полученной зависимости, получают спектральную характеристику в виде отношения амплитуд максимумов значений этой производной и определяют общее содержание азота по уравнению
N Al₂/l₁ + K,
где N содержание общего азота в листьях, выраженное в от массы абсолютно сухого вещества;
l₂ амплитуда максимума значения первой производной от спектра отражения листьев при 720 725 нм;
l₁ амплитуда максимума значения первой производной от спектра отражения листьев в области 700 710 нм;
A коэффициент регрессии, общий для уравнений всех стадий вегетации;
K свободный член уравления регресии, который выбирают исходя из стадии вегетации.