本發(fā)明是關(guān)于一種植物感知機理與近感物理的雙向同步探測平臺及使用方法，涉及植物遙感與植物感知領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、植物近感物理：植物葉片表面反射可以準(zhǔn)確量化植物葉片的生化參數(shù)，進而反映植物的生長和營養(yǎng)狀況，目前已廣泛應(yīng)用于評估各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)，例如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)。實驗室狀態(tài)下，葉片大多是從植株上被裁減下來后，立刻鋪平在測量儀器上進行觀測，以往的研究在基于積分球測量和dhrf來獲取葉片表面反射的技術(shù)已相當(dāng)純熟，衍生出了諸如prospect-pro模型等高精度的方向-半球反射率模型。近年來，由于葉片夾和近距離成像光譜儀的出現(xiàn)，brf相較于dhrf更適用于反演葉片葉綠素含量，brf也漸漸地應(yīng)用于獲取植物葉片表面反射。然而，相同條件下，同一葉片的brf相較于dhrf在整個可見光區(qū)域的值都略大，這是因為brf包含了葉片的鏡面反射成分，而dhrf的測量往往在積分球中，鏡面反射分量在整個半球空間內(nèi)被平均和減弱，因此在dhrf中，當(dāng)入射角相對于葉片法線的角度較小時，往往可以忽略鏡面反射分量，導(dǎo)致dhrf的值往往只取決于由葉片內(nèi)部生化成分引起的漫反射。植被葉片的鏡面反射本身是葉片結(jié)構(gòu)與光子的相互作用，主要由葉片表面的蠟質(zhì)層和葉脈導(dǎo)致的葉片表面局部或凹陷或凸起的兩種結(jié)構(gòu)使葉片對太陽輻射有近似于鏡面反射的性質(zhì)，若忽略鏡面反射的影響，將基于dhrf的模型直接用以基于brf的葉綠素反演，已有研究表明葉綠素含量則會被嚴重低估。雖然存在部分植被指數(shù)，如normalized-difference（nd），double-difference?ratios（dd）和red?edge?positions（reps）中的部分指數(shù)對于鏡面反射不敏感，既可用于dhrf光譜反演植物生化成分含量，也可用于brf光譜反演植物生化成分含量，但是后者的實際精度仍略低于dhrf光譜的反演結(jié)果，且具有很大的經(jīng)驗性，模型效果依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；同樣的，已有的基于brf的模型雖然可以用來描述葉片的角度反射特性，但是其更多地側(cè)重于葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演，并沒有考慮葉片內(nèi)部生化成分的影響。

2、植物感知機理：影響植物生長的最大因素是地球的重力作用和光照引發(fā)的植物內(nèi)部激素和細胞結(jié)構(gòu)的變化。近幾十年來，研究者對影響植物生長因素的興趣主要集中在植物感知環(huán)境因素的細胞和分子機制，以及植物如何將感知的信號傳導(dǎo)到激素梯度，特別是生長素梯度以刺激不對稱生長等方面。對于植物的向重力性，可通過植物的頂端優(yōu)勢現(xiàn)象予以說明。通常植物主莖的頂端生長很快，側(cè)芽生長很慢或潛伏不生長，這種主莖頂端生長占優(yōu)勢，阻止側(cè)芽萌發(fā)或抑制側(cè)枝生長的現(xiàn)象稱為頂端優(yōu)勢。這現(xiàn)象普遍存在于植物界，但是不同植物差異很大。當(dāng)前，頂端優(yōu)勢現(xiàn)象產(chǎn)生的原因大多歸根于由頂芽和重力作用引發(fā)的生長素間接抑制學(xué)說。生長素間接抑制學(xué)說具有一定的實驗依據(jù)：植物在除去頂端后，側(cè)芽能夠快速生長，如果去頂后在切口處涂上含有生長素的羊毛脂，那么側(cè)芽同樣會生長緩慢，即外施生長素能代替頂芽對側(cè)芽的抑制作用。但是有人在羽扇豆等植物上發(fā)現(xiàn)，在受頂端抑制的側(cè)芽中，生長素的含量比側(cè)芽生長所需的最適濃度要高。更發(fā)現(xiàn)，外施細胞分裂素給受抑制的側(cè)芽，側(cè)芽就能生長（即頂端優(yōu)勢解除），故認為側(cè)芽被抑制的原因，是由于它們沒有足夠的細胞分裂素。細胞分裂素是在根中合成的，而頂芽產(chǎn)生的生長素的作用，可能控制細胞分裂素的運輸，由于頂芽的生長素通過極性運輸傳遞給側(cè)芽，故頂芽生長素濃度低于側(cè)芽生長素濃度，成為輸入物質(zhì)的庫，比側(cè)芽優(yōu)先得到細胞分裂素。側(cè)芽因生長素濃度高，得不到足夠的細胞分裂素，生長受到抑制。因此由于重力作用，大量的生長素由頂芽沿著主莖均勻地向下運輸?shù)絺?cè)枝，進而導(dǎo)致木本植物主莖近乎垂直向上生長，而側(cè)芽生長受到抑制。對于植物的向光性，是植物器官對一定方向入射的光線的刺激發(fā)生反應(yīng)所誘發(fā)的生長活動。通常情況下，植物的向光性是一個十分緩慢的生長過程，也有部分植物能夠在較短時間，改變?nèi)~片姿態(tài)，追逐陽光的日變化。植物的向光性是因為主莖背光的一側(cè)生長素較多而生長快，向光的一側(cè)生長素較少，生長則較慢，于是莖的頂端便朝向光源生長。野外生長且受光照均勻的植物，莖的各部所受陽光相同，生長素分布均勻，莖便直立生長。受光照不均勻而生長的植物，向光的一側(cè)受到光照較強，而向光側(cè)的生長素則轉(zhuǎn)移至背光側(cè)，從而導(dǎo)致主莖便向光源彎曲。因此，植物的向光彎曲與生長素在向光面與背光面的不均勻分布有關(guān)。單方向的光照會引起生長素向背光面移動，以致引起背光面比向光面生長快，而表現(xiàn)向光彎曲。生長素向背光面移動的原因可能與光照引起器官尖端的不同部位產(chǎn)生電勢差有關(guān)。向光面帶負電荷、背光面帶正電荷，弱酸性的生長素陰離子被正電荷吸引移向背面，從而導(dǎo)致生長素在主莖內(nèi)部的遷移。

3、近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了一系列高精度觀測能力的激光雷達、光度計等遙感儀器，而對于植物生長的感知機理及其近感物理研究卻沒有綜合新技術(shù)手段進行開展。因此，充分利用點云數(shù)據(jù)和光度計測量數(shù)據(jù)聯(lián)合開展植物感知機理與近感物理的雙向同步探測能夠解決以往植物生理學(xué)研究中難以解決的瓶頸問題，開展植物學(xué)研究的新紀(jì)元。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種植物感知機理與近感物理的雙向同步探測平臺及使用方法，能夠準(zhǔn)確獲取植物形態(tài)結(jié)構(gòu)屬性，而且可以在植物原始姿態(tài)和生長狀態(tài)下對植物進行定量監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)的需對植物形成破壞的模式來獲取植物生化屬性的手段。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供的一種植物感知機理與近感物理的雙向同步探測平臺，該平臺包括生長室系統(tǒng)，所述生長室系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有照明系統(tǒng)、輻射探測系統(tǒng)、點云探測系統(tǒng)、角度控制系統(tǒng)和支撐平臺；

4、所述生長室系統(tǒng)，用于為植物提供恒定的溫度和濕度，并有效避免外來輻射對植物生長的影響；

5、所述照明系統(tǒng)，用于向植物提供接近太陽光譜的入射光源和各向同性平行光源；

6、所述輻射探測系統(tǒng)，用于獲取植物所接收到的光合作用輻射par，并測量植物反射的輻射值；

7、所述點云探測系統(tǒng)，用于觀測植物的外形變化和生長情況，基于植物的點云數(shù)據(jù)獲取植物點云的反射率研究植物結(jié)構(gòu)特性和生化特性；

8、所述角度控制系統(tǒng)，用于分別控制所述照明系統(tǒng)、輻射觀測系統(tǒng)和點云觀測系統(tǒng)的角度，探索不同入射角度下植物的生長情況；

9、所述支撐平臺，用于為所述照明系統(tǒng)、輻射觀測系統(tǒng)和點云觀測系統(tǒng)提供物理支撐。

10、進一步地，所述生長室系統(tǒng)采用不透光的生長室，所述生長室內(nèi)安裝遮光窗簾，能夠提供相對密閉的空間，降低自然光源的干擾；所述生長室的墻壁上均覆蓋有黑布，能夠減少光在墻壁上反射及多次散射造成植物非向光面也受到光照所引起的誤差。

11、進一步地，所述支撐平臺包括支撐底板，所述支撐底板上設(shè)置有用于放置植物的底座，所述底座能夠承載植物且同時能夠帶動植物進行不同角度的轉(zhuǎn)動，使得植物從垂直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至不同角度的傾斜狀態(tài)，所述支撐底板的一側(cè)設(shè)置有豎向支撐桿，所述豎向支撐桿的上部設(shè)置有橫向支撐桿。

12、進一步地，所述照明系統(tǒng)包括氖燈管、探照燈和支撐板；

13、所述豎向支撐桿上通過所述支撐板設(shè)置有至少一個所述氖燈管作為植物生長光源，每一所述氖燈管設(shè)置為能夠獨立開啟的模式以確保照射光線只來自植物的側(cè)下方，便于區(qū)分樹木的向重力性和向光性，所述支撐板采用深色板；

14、所述探照燈用于發(fā)出各向同性的平行光照射葉片，所述探照燈采用各向同性光源，所述各向同性光源發(fā)射的光譜接近太陽光譜。

15、進一步地，所述輻射觀測系統(tǒng)包括光度計和光譜儀；

16、所述光度計，用于測量不同功率的所述氖燈管的光譜，且在不同傾斜角度下測量得到到達樹苗莖干的光通量和作為光合作用的主要輻射—藍光的輻射通量；

17、所述光譜儀，用于測量不同角度觀測到的葉片反射輻射，計算得到葉片的方向反射率和brdf。

18、進一步地，所述點云觀測系統(tǒng)采用激光雷達，用于掃描植物形態(tài)獲得植物點云，并獲取點云多波段反射率，用于深入了解植物內(nèi)部深入的結(jié)構(gòu)機理和生化成分對趨向性生長的影響。

19、進一步地，所述角度控制系統(tǒng)采用環(huán)形裝置，所述環(huán)形裝置包括可旋轉(zhuǎn)且可滑動的第一環(huán)形機械臂、第二環(huán)形機械臂和環(huán)形軌道，所述第一環(huán)形機械臂、第二環(huán)形機械臂和環(huán)形軌道的端部與所述橫向支撐桿活動連接，其中：

20、所述探照燈設(shè)置在所述第一環(huán)形機械臂上，不僅能夠保證所述探照燈出現(xiàn)在植物的不同方位角上，也能夠在不同的方位角呈現(xiàn)出不同的天頂角，更有利于確定植物的方向反射特性；

21、所述光譜儀的輻射接收探頭，設(shè)置在所述第二環(huán)形機械臂上，保證接收到不同的方位角和不同的天頂角上的植物葉片反射輻射，獲取植物的brdf特性；

22、所述光度計，設(shè)置在所述第二環(huán)形機械臂上，能夠不同傾斜角度下測量得到到達樹苗莖干的光通量；

23、所述激光雷達，放置在所述環(huán)形軌道上，能夠完整地掃描到整個植物的形態(tài)特征。

24、進一步地，所述參考板設(shè)置在所述支撐平臺上，所述參考板的角度能夠調(diào)整，用于對所述光度計和激光雷達進行距離校正和輻射強度校正，修正使用過程中存在的誤差。

25、進一步地，根據(jù)prospecular模型計算得到的葉片的brdf特性，無接觸地估計葉片生化成分含量和葉片表面粗糙度，由于brdf是兩個極小值的比值，因此并不能直接得到，先計算得到葉片的brf：

26、brdf與brf的關(guān)系如下：

27、；

28、其中，是朗伯體表面的brdf；

29、；

30、其中，和分別是在相同方位角下測量得到的葉片輻亮度和參考板輻亮度，是參考板在該波段處的反射率。

31、第二方面，本發(fā)明還提供一種植物感知機理與近感物理的雙向同步探測平臺的使用方法，包括：

32、通過所述光度計直接測量所述氖燈管在不同功率、不同入射角度下植物所接收到的有效光合作用輻射，基于傾斜角度和燈管功率積分得到par和作為光合作用的藍光的輻射通量；

33、通過所述激光雷達獲取的植物點云，觀測植物在重力和光照的雙重影響下植物的向光性和向重力性的相互作用導(dǎo)致的植物生長情況的變化，獲取植物葉片相對于入射光源的傾斜角度，同時基于掃描得到的點云獲取多波段的反射率數(shù)據(jù)，研究植物反射特性對不同光源類型的響應(yīng)，確定基于點云反射率數(shù)據(jù)獲取的與植物反射特性相關(guān)的植物結(jié)構(gòu)參數(shù)和生化成分含量與植物趨向性生長之間的關(guān)系；

34、根據(jù)不同角度的探照燈和光譜儀測量得到的不同方位角下的葉片的方向反射特性，反映葉片的生態(tài)屬性和生化成分含量，進而反映整個植株的生化狀態(tài)與生長狀況的關(guān)系，實現(xiàn)對整株植物的生化參數(shù)的近感物理定量研究。

35、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下特點：

36、1、本發(fā)明的平臺綜合了激光雷達和光度計，一方面基于激光雷達獲取的激光點云數(shù)據(jù)，改善了傳統(tǒng)植物感知機理研究中，只能用相機低精度估算測量或?qū)嶋H接觸測量植物形態(tài)變化引發(fā)的誤差問題，另一方面基于多維度的植物反射率數(shù)據(jù)，無接觸地獲取其植物葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和植物生化成分含量，創(chuàng)造性地把能反映植物實時內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和生化成分含量變化的反射率數(shù)據(jù)與植物生長感知機理聯(lián)系起來，解決了以往植物感知機理研究中的單維度的問題。

37、2、本發(fā)明沒有回避傳統(tǒng)定量遙感中觀測植物葉片表面反射的鏡面反射成分，而是采用多角度觀測植物葉片反射，同時考慮了植物葉片反射的鏡面反射成分和漫反射成分，利用prospecular模型分離葉片鏡面反射和漫反射，在允許鏡面反射存在的情況下，能夠同時反演葉片表面結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)部生化成分含量，進而實現(xiàn)對整株植物的生化參數(shù)的近感物理定量研究。

38、3、傳統(tǒng)單株植物的定量遙感研究往往針對于植物的單片葉子進行展開，需要破壞性地將其從植物上取出，并迅速地將其在測量儀器上鋪平，改變其原始結(jié)構(gòu)，進而測量其反射率或生化成分含量，進而獲取整株植物的健康狀況、生長狀況等目標(biāo)信息，并不能完整的反映植物原始狀態(tài)下的姿態(tài)、結(jié)構(gòu)和生化成分含量，本發(fā)明設(shè)置了能多角度觀測的激光雷達和光譜儀，不僅能準(zhǔn)確獲取植物形態(tài)結(jié)構(gòu)屬性，而且可以在植物原始姿態(tài)和生長狀態(tài)下對植物進行定量監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)需對植物形成破壞的模式來獲取植物生化屬性的手段，還創(chuàng)造性地將植物生長特性（向光性和向重力性）監(jiān)測與多角度遙感觀測相耦合，進而探索植物葉片生化成分含量、葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)等與生長趨勢的關(guān)系。

39、綜上，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于植物機理研究中。